直升机平台强度分析
摘 要摘 要陆地上的资源日渐枯竭，海洋资源在未来人们的生活中必定会扮演着更加重要的角色。海上钻井采油平台是目前采用最广的，用于海洋资源获取的设施。海洋平台所在的海洋环境一般都十分复杂和恶劣，一些危险因素往往会对平台人员的安全构成极大的威胁。为了满足海洋平台工作人员上，下以及逃生的需求，海洋平台都会设有直升机平台。它可供直升机用来起飞、降落以及停留，而且直升机平台结构的强度问题又关系到整个海洋平台的设计及安全。针对这一问题，本文简单介绍了直升机平台的设计的规范和要点。同时，采用GeniE软件，对某一实例直升机平台结构的强度进行了校核。结果表明，直升机平台的强度满足DNV以及CAP437规范的要求。关键词：直升机平台；设计规范；GeniE；强度分析目 录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景及意义 1
1.2 国内外发展现状 2
1.3 主要研究内容 3
第二章 设计规范及要点 4
2.1 结构设计 4
2.2 无障碍区以及限制障碍区 5
2.3 操作标识 7
2.3.1 白天操作标识 7
2.3.2 夜间操作标记 10
2.4 测量信息 11
2.5 直升机甲板救援与消防设施 12
2.6 本章小结 14
第三章 软件及建模过程介绍 15
3.1 GeniE 程序包的特点 15
3.2 分析步骤 16
3.3 常用的操作及功能 21
3.4 本章小结 22
第四章 直升机平台的强度校核 23
4.1 基本介绍 23
4.2 分析方法 25
4.2.1 坐标系统 25
4.2.2 材料特性 25
4.2.3 有限元模型 26
4.2.4 边界条件 26
4.3 基本荷载 27
4.3.1 冰载荷 27
4.3.2 风载荷 27
4.3.3 惯性载荷 27
4.3.4 着陆冲击载荷 28
4.3.5 甲板载荷 31
4.3
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
4.2.2 材料特性 25
4.2.3 有限元模型 26
4.2.4 边界条件 26
4.3 基本荷载 27
4.3.1 冰载荷 27
4.3.2 风载荷 27
4.3.3 惯性载荷 27
4.3.4 着陆冲击载荷 28
4.3.5 甲板载荷 31
4.3.6 海浪载荷 31
4.3.7 基本负荷情况汇总 31
4.4 分析结果 33
4.4.1 准则 33
4.4.2 常规校核 34
4.4.3屈曲强度校核 39
4.4.4 疲劳验算 41
4.4.5 对梁的校核 43
4.4.6 风载涡流计算 47
4.4.7 校核结论 48
4.5 本章小结 48
总 结 49
致 谢 50
参考文献 51
绪论
1.1 研究背景及意义
随着陆地上的石油资源日渐枯竭，海洋石油已成为未来世界石油开采的主要来源。随着中国经济的发展，特别是作为支柱产业的石油化工和汽车工业的快速发展，石油和天然气供应不足的矛盾日益突出。我国从上个世纪开始，原油供应就已经满足不了市场的需求，因而从石油出口国变为石油进口国[1]。实际上，目前世界上所有国家基本上面临着极大地挑战。同样的，当前世界上新发现的石油储藏量，很难弥补石油的产量，必然会导致石油年产量的降低。然而，随着工业的不断发展，石油的消耗量必然会逐年增加。在最新的国际能源署发布的预测中，在2030年之前，世界石油的需求量将会以每年1.6%的速度进行增长，照这样的速度，在2030年时，世界石油的需求总量将会达到甚至超过57.69亿吨。在2030年之前，天然气的需求量将会以每年2.4%的速度增长，到2030年时，会达到相当于42.03亿吨油的消耗量[2]。如果在此期间没有新能源被发现并大量使用，那么，占据世界能源需求量主导位置的仍将是油气资源，到2030年时，油气资源的消耗量将会达到世界能源总需求的65％。根据相关预测，天然气资源将会在2015年，也就是今年，超过煤炭资源成为世界第二大能源种类。因此，向海洋进军并且开发新的油气资源已经成为我国乃至世界的必然趋势。当前我国在渤海、黄海、东海等海域已进行了油气资源的开采活动，技术已经日趋成熟，且作业范围正逐步向深水海域扩展。
大家都知道，海洋平台是海洋油气资源开发以及生产的重要场所，所以它的安全性对于海洋资源的开发以及平台工作人员的自身安全极为重要。然而，海洋平台作业场所的环境一般都比较恶劣，受到风，浪，流，潮的影响，部分平台也会受到冰载荷以及地震的影响。所以，为了保证平台上工作人员与陆地人员的交流，以及他们逃生的需求，在平台上设有直升机平台是很有必要的[3]。
直升机平台平台通常位于平台主体的一端，与平台的上层建筑相连[4]。直升机平台的结构设计合理，而且满足强度要求，为直升机的起飞，降落以及停留提供了保障。同样，一座合格的直升机平台需要配备完善的消防以及救援设备，才能在发生突发情况时，最大程度上保证工作人员的安全性。这样，就很大程度上保证了工作人员的正常出行，以及他们生命财产的安全，而且也能满足其他重要物资的运输。
1.2 国内外发展现状
海洋平台是一个高资金和高技术密集型的产业,每一座海洋平台的建造都需要耗费极大的人力和物力。从1896年在美国加利福利亚，一家石油公司利用木质栈桥在海中打出了第一口井，到1947年第一座钢制导管架平台的出现[5]，世界海洋平台已经得到了极大地发展。
我国的中国近海油气勘探始于上世纪50年代[6]，但是经过不断的努力和创新，已经渐渐跟上了国际的步伐，但是我国处于追赶者地位,急需提高自主研发能力海洋工程装备产业是高端装备制造战略性新兴产业的重要组成部分[7]。自1972年大连造船厂建造成我国第一座移动式海上石油钻井平台——渤海一号开始[8]，我国海洋石油进入大规模开发阶段，一百余座采油平台、钻井平台以及油气浮式处理装置（FPSO）矗立在渤海、黄海、东海和南海上[9]。这些平台在形状，构造以及应用的水域可能会不同，但是每个平台都会有相似的地方，直升机平台就是其中之一。
目前，国外的直升机平台的研究处于一个比较成熟的阶段。直升直升机平台在各领域都得到了广泛的应用，如各类大型的货运船以及海洋工程船，同样，直升机平台在海洋平台上的应用也越来越广泛。直升机平台经过几十年的发展，不断地进行优化设计，使得其越来越贴近实际生产的需要。在直升机平台发展过程中，最重要的部分之一就是采用了铝制的停机坪以及在直升机平台的部分结构上采用铝合金代替钢材。
采用铝合金有以下的优点：
(1) 铝材较为轻便，具有高强度重量比，与钢质直升机坪相比，铝质直升机坪的重量大概是钢质直升机坪的50%左右。
(2) 铝具有很好的耐腐蚀性，铝能迅速形成有保护作用的氧化层，保护金属免受腐蚀。这就意味着，铝可以无需进行涂装等表面的处理工
第一章 绪论 1
1.1 研究背景及意义 1
1.2 国内外发展现状 2
1.3 主要研究内容 3
第二章 设计规范及要点 4
2.1 结构设计 4
2.2 无障碍区以及限制障碍区 5
2.3 操作标识 7
2.3.1 白天操作标识 7
2.3.2 夜间操作标记 10
2.4 测量信息 11
2.5 直升机甲板救援与消防设施 12
2.6 本章小结 14
第三章 软件及建模过程介绍 15
3.1 GeniE 程序包的特点 15
3.2 分析步骤 16
3.3 常用的操作及功能 21
3.4 本章小结 22
第四章 直升机平台的强度校核 23
4.1 基本介绍 23
4.2 分析方法 25
4.2.1 坐标系统 25
4.2.2 材料特性 25
4.2.3 有限元模型 26
4.2.4 边界条件 26
4.3 基本荷载 27
4.3.1 冰载荷 27
4.3.2 风载荷 27
4.3.3 惯性载荷 27
4.3.4 着陆冲击载荷 28
4.3.5 甲板载荷 31
4.3
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
4.2.2 材料特性 25
4.2.3 有限元模型 26
4.2.4 边界条件 26
4.3 基本荷载 27
4.3.1 冰载荷 27
4.3.2 风载荷 27
4.3.3 惯性载荷 27
4.3.4 着陆冲击载荷 28
4.3.5 甲板载荷 31
4.3.6 海浪载荷 31
4.3.7 基本负荷情况汇总 31
4.4 分析结果 33
4.4.1 准则 33
4.4.2 常规校核 34
4.4.3屈曲强度校核 39
4.4.4 疲劳验算 41
4.4.5 对梁的校核 43
4.4.6 风载涡流计算 47
4.4.7 校核结论 48
4.5 本章小结 48
总 结 49
致 谢 50
参考文献 51
绪论
1.1 研究背景及意义
随着陆地上的石油资源日渐枯竭，海洋石油已成为未来世界石油开采的主要来源。随着中国经济的发展，特别是作为支柱产业的石油化工和汽车工业的快速发展，石油和天然气供应不足的矛盾日益突出。我国从上个世纪开始，原油供应就已经满足不了市场的需求，因而从石油出口国变为石油进口国[1]。实际上，目前世界上所有国家基本上面临着极大地挑战。同样的，当前世界上新发现的石油储藏量，很难弥补石油的产量，必然会导致石油年产量的降低。然而，随着工业的不断发展，石油的消耗量必然会逐年增加。在最新的国际能源署发布的预测中，在2030年之前，世界石油的需求量将会以每年1.6%的速度进行增长，照这样的速度，在2030年时，世界石油的需求总量将会达到甚至超过57.69亿吨。在2030年之前，天然气的需求量将会以每年2.4%的速度增长，到2030年时，会达到相当于42.03亿吨油的消耗量[2]。如果在此期间没有新能源被发现并大量使用，那么，占据世界能源需求量主导位置的仍将是油气资源，到2030年时，油气资源的消耗量将会达到世界能源总需求的65％。根据相关预测，天然气资源将会在2015年，也就是今年，超过煤炭资源成为世界第二大能源种类。因此，向海洋进军并且开发新的油气资源已经成为我国乃至世界的必然趋势。当前我国在渤海、黄海、东海等海域已进行了油气资源的开采活动，技术已经日趋成熟，且作业范围正逐步向深水海域扩展。
大家都知道，海洋平台是海洋油气资源开发以及生产的重要场所，所以它的安全性对于海洋资源的开发以及平台工作人员的自身安全极为重要。然而，海洋平台作业场所的环境一般都比较恶劣，受到风，浪，流，潮的影响，部分平台也会受到冰载荷以及地震的影响。所以，为了保证平台上工作人员与陆地人员的交流，以及他们逃生的需求，在平台上设有直升机平台是很有必要的[3]。
直升机平台平台通常位于平台主体的一端，与平台的上层建筑相连[4]。直升机平台的结构设计合理，而且满足强度要求，为直升机的起飞，降落以及停留提供了保障。同样，一座合格的直升机平台需要配备完善的消防以及救援设备，才能在发生突发情况时，最大程度上保证工作人员的安全性。这样，就很大程度上保证了工作人员的正常出行，以及他们生命财产的安全，而且也能满足其他重要物资的运输。
1.2 国内外发展现状
海洋平台是一个高资金和高技术密集型的产业,每一座海洋平台的建造都需要耗费极大的人力和物力。从1896年在美国加利福利亚，一家石油公司利用木质栈桥在海中打出了第一口井，到1947年第一座钢制导管架平台的出现[5]，世界海洋平台已经得到了极大地发展。
我国的中国近海油气勘探始于上世纪50年代[6]，但是经过不断的努力和创新，已经渐渐跟上了国际的步伐，但是我国处于追赶者地位,急需提高自主研发能力海洋工程装备产业是高端装备制造战略性新兴产业的重要组成部分[7]。自1972年大连造船厂建造成我国第一座移动式海上石油钻井平台——渤海一号开始[8]，我国海洋石油进入大规模开发阶段，一百余座采油平台、钻井平台以及油气浮式处理装置（FPSO）矗立在渤海、黄海、东海和南海上[9]。这些平台在形状，构造以及应用的水域可能会不同，但是每个平台都会有相似的地方，直升机平台就是其中之一。
目前，国外的直升机平台的研究处于一个比较成熟的阶段。直升直升机平台在各领域都得到了广泛的应用，如各类大型的货运船以及海洋工程船，同样，直升机平台在海洋平台上的应用也越来越广泛。直升机平台经过几十年的发展，不断地进行优化设计，使得其越来越贴近实际生产的需要。在直升机平台发展过程中，最重要的部分之一就是采用了铝制的停机坪以及在直升机平台的部分结构上采用铝合金代替钢材。
采用铝合金有以下的优点：
(1) 铝材较为轻便，具有高强度重量比，与钢质直升机坪相比，铝质直升机坪的重量大概是钢质直升机坪的50%左右。
(2) 铝具有很好的耐腐蚀性，铝能迅速形成有保护作用的氧化层，保护金属免受腐蚀。这就意味着，铝可以无需进行涂装等表面的处理工
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