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直升机降落时海洋平台结构拓补优化研究

2019-10-31曹金浩

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海上直升机是海上石油平台正常运行的一种交通工具,供其降落及起飞的直升机平台的设计在整个海洋平台的设计中是必不可少的环节。

1.基于实体模型Altair Evolve软件缩放建模

    为尽可能接近海洋平台实际情况,现保留实体海洋平台主要结构,略去次要结构,如旗杆、挂钩、导管、锚链等。保留2个潜入式底座,4个主要支撑柱,2个粗直径弯型管道,2个舷侧同轴圆柱,1个多孔长方体基座,1个直升机平台。海洋平台主体部分与直升机平台连接,直升机平台简化成以六边形为样图的结构。为描述方便,参见下图经Evolve建模后输出的STL模型,属3D模型,旋转模型可全方位观看。

海洋平台与直升机平台组合体

图1 海洋平台与直升机平台组合体

    同时,为准确获得直升机降落时,直升机底座对于直升机平台的载荷作用情况,同样,保留直升机底部主要接触构件,省略底部支座以上全部构件,Evolve软件初步建模设计。圆柱构件与板型连接件交汇处存在锪孔,连接件存在两处锪孔,总计八处载荷施加点。为描述方便,参见下图输出的STL模型,效用同上。

直升机底部支座

图2 直升机底部支座

2.运动仿真分析下直升机底部支座运动情况

    预留的八处锪孔,连接件的四处锪孔处施加1Mpa的平面载荷,而其余的4处锪孔施加0.5Mpa的曲面载荷。考虑到直升机降落时人工操作误差,无法做到底座完全同时相切接触,通常为单点停靠转向整体平衡。充分利用Altair Inspire软件的运动分析,由于单点停靠的随机性,最大位移总是发生在关于重心的停靠点镜像处,同时,最大位移的偏移量可简化到竖直方向。因此,力的传递结果可以等效为竖直方向的正弦震动。结果分析如下图所示:

直升机底部支座特定载荷工况下运动分析

图3 直升机底部支座特定载荷工况下运动分析

3.运动仿真分析下海洋平台的拓补优化

    为满足海浪对平台冲击的真实性,施加6根弹簧模拟水动力影响下上层平台与下层基座的变形趋势。其中四处支撑柱处弹簧(左)以及潜入式底座与平台主板连接弹簧(右)相关系数如下图所示:

弹簧参数设置

图4 弹簧参数设置

    考虑直升机底座传递载荷的正弦性,于六边形平台施加平动电机,平动电机相关参数设置以及弹簧支撑结构如下图所示:

平动电机参数以及弹簧支撑图

平动电机参数以及弹簧支撑图

图5 平动电机参数以及弹簧支撑图

4.运动结果分析以及改进建议

    施加平动电机模拟直升机降落时的动态载荷变化,发现平台主板沿长度方向,上下跃动幅度两端最大,中间部分最小。据此,可以调整海洋平台作业区与起居区相对位置,首尾两端跃动幅度大,加之海浪冲击,均不适宜作业与起居。但是,较大的波动为波浪能的利用提供了可能性,可在首尾两端设置波浪能收集装置,一方面有效获取甲板上浪的能量,另一方面减轻外力冲击,增大纵向强度,保护海洋平台。中间部分靠近舷侧部分适宜作业,靠近重心位置适宜起居以及原油运输管道主干线的铺设。但是,值得注意的时,四个主要支撑柱与两个潜入式底座的相对运动趋势极大,是整个海洋平台最脆弱的地方,特别是对于某些可升降的平台,海洋平台出水高度越大,晃动越严重,受破坏的可能性越大,因此,就支撑柱而言,应改为上窄下宽的圆台型体,彰显结构决定功能的性质。直升机持续降落、起飞对平台的压迫,极易造成结构疲劳而断裂。可降低直升机平台高度,使其接近水面,利用海水缓冲。

5.点阵结构与拓补优化结果

    对于平台各处施加载荷如下图所示,直升机平台1MPa,平台主板中线10000N,前后两个倾斜面1MPa,四个支撑柱底部固定。如下图所示,

平台载荷施加图

图6 平台载荷施加图

    得到点阵结构如下图所示:

点阵结构图

图7 点阵结构图

    拓步优化结构图:

拓步优化结构图

图8 拓步优化结构图

    可见,海洋平台整体形状趋于“工”字型,中间区域呈现圆弧状,因此在实际制造时,可以考虑上述形状,尽量不采用原来整体矩形平板的样式。一来,节省大量钢材与板材;二来,在不影响结构的前提下,减小平台体积。

责任编辑:程玥
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