毕业论文海上浮式机场的甲板结构设计Word格式.docx

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我们要通过对海上浮式机场的研究，对海上浮式机场上部甲板进行设计，确保其能满足飞机起降的强度要求，以及模块间发生相对运动时保证甲板连续。

采用ANSYS有限元分析的方法对连接器连接处进行受力分析，确保连接器疲劳强度可以符合任务要求。

关键词：

甲板设计；

甲板强度；

ANSYS

Abstract

Withthecontinuedgrowthoftheworld'

spopulationandindustry,humanneedsforspaceandresourcesisincreasing.Humanurgentneedtodevelopoceanspaceandresourcestomeethumanneeds.Offshorefloatingairportcannotonlyeasethetensionoflandresources,butalsocanreducenoisepollution.Offshorefloatingairportisgenerallybasedonthetypemodulebuiltandassembled,theupperdeckoftheplatformfortheprovisionofaircrafttakingoffandlandingrunway.Toensurethatthedesignofoffshorefloatingdeckairportshaveacertainthicknesstomeettherequirementsofaircrafttakingoffandlanding,butifthescaleistoothickwillincreasethecostandmaketheweightoftheentirefloatingairportincreases.Andcanremaincontinuouslymakeoffshorefloatingdeckairportcanoccurwhentherelativemotionbetweenthemodules.Thisistheconstructionofafloatingairportmoredifficult.Wewanttopassonoffshorefloatingairportresearchontheupperdeckofoffshorefloatingairportisdesignedtoensurethatitcanmeetthestrengthrequirementsofaircrafttakingoffandlanding,andwhenthereisrelativemovementbetweenthemodulesensurecontinuousdeck.ANSYSfiniteelementanalysisusingthemethodofstressanalysisattheconnector,ensurethattheconnectorfatiguestrengthcanmeetthemissionrequirements.

Keywords：

Deckdesign；

Deckstrength；

ANSYS

1绪论

1.1论文选题背景

地球上的陆地和海洋总面积约5.1亿平方千米，其中海洋面积约3.61亿平方千米，占全球总面积的71％，陆地面积约1.49亿平方千米，占全球总面积的29％。

但是随着世界人口的持续增长和工业的发展，人类对于空间和资源的需求越来越大。

各国纷纷开始了对海洋空间的开发。

而且随着国际关系的日益紧张，海上浮式机场还可以用作武器平台，维护国家海洋主权和国际政治地位。

相比传统的机场而言，海上浮式机场可以减少紧张的土地资源并且可以减少噪音污染。

日本作为岛国，在对海洋空间的开发走在世界前沿。

日本的关西机场（如图1）则是漂浮式海上机场的代表，位于大阪湾东南离泉州5公里的海面上,它是将巨大钢箱焊接在许多钢制浮体上，浮体半潜于水中，钢箱高出海面作为机场，用锚链系泊于海上，机场面积设计为1100公顷。

【1】要保证所设计的海上浮式机场的甲板的有一定的厚度来满足飞机起降要求，但如果尺度过厚会使成本加大并且使整个浮式机场的重量增加。

图1.1日本关西海上浮式机场鸟瞰图

1.2浮式机场飞行甲板综述

在海上建造浮式机场时首先要对其周围海洋环境进行安全状况的评估与判断，然后在考虑其建造的意义与主要用途，最后还要考虑国内的设计技术以及生产建造的能力。

把上述问题解决了然后才能进入建造阶段。

飞机起飞需要尺度巨大的飞行甲板，目前根据起飞方式的不同，主要有三种飞行甲板设计模式：

短距垂直起降式飞行甲板

滑跃起飞式飞行甲板

弹射起飞式飞行甲板

1.2.1短距垂直起降式飞行甲板

垂直起降式飞行甲板主要是指飞机可以凭借自己的垂直起降能力和优良的气动性能进行垂直起降。

这种起降方式可以使甲板不必具有太大的尺度用来完成这种小范围内的起降作业，因而备受一些建造技术落后的国家的青睐。

但是这种甲板对飞机的小范围起降作业要求很高，因此并没有成为浮式机场主流的甲班设计。

图1.2垂直起降式飞行甲板

1.2.2滑跃起飞式飞行甲板

滑跃起飞式飞行甲板是指飞机在指定的地点就位后止动，然后等到飞机的发动机功率达到最大的时候松开止动装置，使飞机在平甲板上滑跑加速，然后进入上翘甲板上进行继续滑跑加速，获得足够的上仰角速度进而保证安全升空。

飞行甲板上翘可以弥补飞机起飞初速度小滑跑距离短等问题。

1.2.3弹射起飞式飞行甲板

弹射式起飞飞行甲板主要是利用蒸汽机等附加动力的帮助下，借助弹射系统辅助飞机升空。

这是目前浮式机场飞机起飞采用的主要方式。

图1.3弹射起飞式飞行甲板

2海上浮式机场的结构型式及模块布置

2.1结构形式

海上浮式机场基本上有两种形式，箱形（PontoonType或BoxType）和半潜式（SemisubmersibleType）。

箱形结构由若干刚性模块刚性拼接而成，半潜式结构由若干式半潜式超大型模块通过若干连接器连接而成。

每块模块长400米，宽200米，高30米，模块间有连接器连接成为一个整体。

这两种形式从结构、建造成本和维护费用等方面有较大的区别。

箱型结构浮体与半潜式结构浮体相比，其结构简单，建造成本和维护成本也比较低，所以一般用于浮式机场的设计。

但是箱式结构有一个明显的缺点就是只能用在靠近海岸的平静海域，而且还要在其周围建造防波堤来减小波浪。

【2】如果在浅水海域用传统的防波提来保护，如果在较深海域可以用半潜式防波堤来保护。

半潜式浮体结构建造和保养成本较高，但是较箱形结构而言，半潜式浮体结构运动性能较好。

因此在选择结构的时候应该从五点考虑：

（1）全生命期的成本

（2）用途（3）国家的工业基础（4）对性能的要求（5）对环境和生态的影响。

2.2材料选择

目前主流的建造材料是钢材，人们利用钢材建造甲板已经积累很多经验，从钢材的材质、加工成型、焊接的连接的强度和可靠性方面都比较成熟。

钢材的强度重量比（强度/重量），因此这是建造浮式机场的首先选择的材料。

但是同时还要考虑钢材在海水中的防腐问题，所以其浸水部分应该加以保护。

除了用钢材以外还可以用混凝土材料来建造。

混凝土的防腐能力比钢材强。

但是在浸水部分预制件的接口处应该涂抹环氧树脂增加其水密性，但是混凝土的强度重量比（强度/重量）比较低，因此其结构自重较大，但是随着混凝土的技术研制（强度从40MPa到55MPa增加到80MPa到100MPa），可以使其自身结构更轻质量更好。

2.3模块布置

浮式机场的模块整体布置是对整个机场的空间（包括飞行甲板、停机区域、乘客候机区域）和各种主要设备、装置、系统等所做的全面、统一的规划和布局。

其甲板有主甲板、飞行甲板、吊舱甲板。

2.4运动形式

平台受到海洋环境中波浪的影响，会产生摇荡运动。

平台此时的运动状态可以定义为有六个自由度，以重心G为原点，其中三个在G的三个方向上平动，产生了横荡、纵荡、垂荡，另外三个绕G点转动，产生了横摇、纵摇和艏摇。

大多数状态下这些运动都是小范围运动的。

在研究过程中通常用三个正交直角坐标系来定义船体的运动情况：

坐标轴指向波浪的方向；

与

形成

，是水面坐标体系；

竖直向上，

是大地坐标体系。

是浮体重心，

规定了浮体的纵向，

规定了附体的左方，

也是竖直向上，所以

平行，

是浮体坐标体系。

重合；

与浮体的中纵剖面重合，原点与中心也重合，

构成平移坐标体系。

3模块连接甲板连接器的设计

3.1浮式机场的连接方式

浮式机场模块间的连接方式分为五种：

刚性连接器所承受的荷载较其它连接器而言所承受的荷载比较大，最高可达到140000吨的荷载；

柔性连接器由三个部件组成，一部分是有中心线的球形接头另两部分是两个橡胶锥，这两个橡胶锥分别用来抵抗外界的压力和拉力而球形接头可以使连接器的放大效应降低，解决了连接器的设计荷载问题；

简单铰接柔性连接器，这种连接器安装在两个模块的左舷和右舷横向铰接在一起。

但是这种连接方式有明显的缺点，一方面是疲劳强度低另一方面是接头处腐蚀和磨损比较严重；

增强性柔性连接器是在简单铰接柔性连接器的上面做了改进，增强性柔性连接器在简单柔性连接器的基础增加了一个滑动套，这样就可以把练两个橡胶锥连接起来，使其疲劳强度增加一倍；

新型柔性连接器综合了以上所有连接器的特点，这种连接器采用球状连接器使模块间的结构更加紧凑。

【3】

3.2模块间的连接

由于浮式机场重量较大，排水量可以达到40万吨，因此模块间的摩擦力比较大，而且在模块连接处对精密度要求比较高，新型柔性连接器虽然结构复杂但是去除了很多传统连接器的缺点，但是优点也很明显，因为在进行模块连接的时候对工作环境要求没有那么高，但是却可以连接的更加牢固。

（1）连接准备：

用工具把辅助定位系统卡在两个模块之间，固定好之后开启辅助定位系统。

（2）模块位置固定：

用多艘大型拖船进行推拉，使模块静止在海面上，同时借助辅助定位系统调整模块位置，使其接受连接。

（3）两个模块的连接：

利用辅助定位系统的感应装置，对齐两个模块。

（4）推进连接：

利用拖船辅助，使两个模块慢慢相互靠近，利用辅助定位系统确定模块间的相对位置，保证连接器对准模块的连接槽。

（5）完成连接：

根据辅助定位系统反馈的信息，确定两个模块以及之间的连接器的槽口对齐，利用拖船使两个模块对接上。

图3.1拼接后的连接器

（6）其他模块的连接：

按照上述方法把其他模块连接完毕。

（7）复位：

所有模块连接完毕后，把其他辅助工具（包括辅助定位系统和绳索等工具）撤出，浮式机场进入正常工作。

图3.2连接器的连接端

3.3ANSYS软件介绍及连接器的建模和强度分析

3.3.1ANSYS软件介绍和连接器的建模

ANSYS软件是融结构、流体、热、电场、磁场、声场于一体的大型CAE通用有限元分析软件。

由美国ANSYS软件公司开发，是第一个通过ISO9001质量认证的分析设计类软件，是美国机械工程师协会（ASME）、美国核安全局（NQA）及近一十个专业技术协会认证的标准分析软件，广泛应用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等工业及科学研究。

功能强大、使用灵活。

该软件可在大多数计算机及操作系统（如Windows、UNIX、Linux）中运行，从PC机到工作站直至巨型计算机，ANSYS文件在其所有的产品系列和工作平台上均兼容。

它开发了第一个集成的计算流体动力学（CFD）功能，也是第一个且是唯一一个开发了多物理场分析功能的软件。

ANSYS多物理场耦合的功能，允许在同一模型上进行各式各样的耦合计算，如：

热—结构耦合、磁—结构耦合以及电—磁—流体—热耦合，在PC机上生成的模型同样可运行于巨型机上，这样就确保ANSYS对多领域多变工程问题的求解。

图3.3连接器模型

图3.4连接器的设计尺寸

图3.5连接器的设计尺寸

图3.6连接器的尺寸设计

浮式机场连接器整体结构如上图所示，由7个部分组成。

连接器缝隙为10.00mm，这样就可以使连接器围绕着球星十字节转动。

3.3.2连接器零件建模与装配

用拉伸和钻孔等命令建立连接器1和连接器2的三维模型。

如图3.4。

用旋转和凸台等命令建立球形十字节三维模型。

如图3.5。

图3.7连接器模型图3.8球形十字节模型

完成连接器个形式建模后，以连接器1作为基准装配整个连接器，球形十字节1的连接轴与连接器1的安装孔，采用同轴约束使球形十字节1的连接轴与连接器1的安装孔对齐，同时约束使球形十字节连接轴的端面与连接器1的外表面对齐，使连接器的端面与球形十字节的端面相平。

图3.9连接器1与球形十字节1的连接

当装配完成连接器1与球形十字节1以后，采用球形十字节1作为基准进行装配中间轴1，装配中间轴1的时候采用同轴约束和对齐约束，约束方式和连接器1与球形十字节1相同。

图3.10中间轴与十字节装配

中间轴定位完成后以中间轴1作为基准进一步对中间轴2进行装配，中间轴2与中间轴1进行装配，采用同轴约束，完成中间轴装配。

球形十字节2与连接器2的装配与球形十字节1和连接器1的装配相同，最终完成连接器的装配。

图3.11连接器模型剖视图

3.3.3连接器有限元分析

把建好的模型，储存为step格式，然后导入ANSYS软件，得到连接器有限元实体模型。

设置单元格大小为100毫米，共得到2233949个节点。

【5】

打开【UtilityMenu】>

【Plot】下拉菜单，单击【Lines】，继续打开【PlotCtrls】下拉菜单，单击【Numbering】，将【LineNumbers】设置为“ON”。

选择菜单项【MainMenu】>

【Preprocessor】>

【Meshing】>

【MeshAttributes】>

【PickedLines】,弹出“LinesAttributes”线拾取对话框，用鼠标在图形显示区域选取L1和L2，弹出“AssignAttributestoPickedLines”对话框，对泥线以上的线单元进行设置，材料编号选默认，实常数选“2”，单元类型选“2PIPE59”，其他默认，单击【Apply】按钮，继续选取L3对泥线以下单元进行设置，实常数选“1”，单元类型选“1PIPE20”，其他默认。

单击【OK】按钮，退出单元属性设置选项。

选择菜单路径【Meshing】>

【SizeCntrls】>

【ManualSize】>

【Lines】>

【PickedLines】,进行单元长度设置。

用鼠标在图形显示区域选取L1和L2，单击【Apply】按钮，弹出“ElementSizesonPickedLines”对话框，在【Elementedgelength】后对应的方框内填“1”，单击【Apply】，继续选取L3将【No.ofelementdivisions】设置为“5”，即将泥线以上单元长度设为为1m，泥线以下分为5段，单击【OK】按钮退出。

选择菜单【Meshing】>

【Mesh】>

【Lines】，选取所有线，单击【OK】按钮。

打开【UtilityMenu】>

【PlotCtrls】下拉菜单，选择【Style】>

【SizeandShape】，弹出“SizeandShape”对话框，将【Displayofelement】设置为“On”，单击【OK】退出。

图3.12连接器有限元实体模型

图3.13ANSYS单元属性界面

图3.14连接器有限元网格模式

对于模块两侧的连接器，原本处在一个平面的模块，其连接处的法向延长线转动后就变成两条异面直线，已经找不到公共点，此时X轴面，Z轴面均不能只有一个单自由度的旋转关节。

3.4连接器载荷试验

为保证在甲板相对运动时连接器的安全连接，需要对连接器施加载荷，计算连接器在不同方向受到载荷时的变形。

海上浮式机场在海上的模块具有6个自由度（3个旋转3个平移），都可以再一定的范围内自由运动。

由于受洋流和波浪的扰动影响，即便是具有动力驱动模块也很难在海上保持精确的位置和姿态。

图材料属性设置

图定义交叉变载荷类型

图设置损伤因子

静力分析的计算由不包括惯性和阻尼效应的载荷作用于结构或部件上引起的位移，应力，应变和力。

固定不变的载荷和响应是一种假定；

即假定载荷和结构的响应随时间的变化非常缓慢。

静力分析所施加的载荷包括：

外部施加的作用力和压力、稳态的惯性力、位移载荷、温度载荷。

结构静力分析既可以是线性的也可以是非线性的。

非线性静力分析包括所有的非线性类型：

大变形，塑性，蠕变，应力刚化，接触（间隙）单元，超弹性单元等。

选择菜单路径【MainMenu】>

【GeneralPostproc】>

【ElementTable】>

【DefineTable】，弹出“ElementTableData”对话框，单击【Add】按钮，，在弹出窗口的【Lab】选项后的文本框中输入“MOMENT_I”，定义单元I节点的弯矩，在【Item，Comp】选项后的左下拉框选中“Bysequencenum”，然后在右边的下拉列表框中选择“SMISC,”，接着在其下面的文本框中将内容补充为“SMISC,5”，单击【Apply】按钮，继续在【Lab】选项后的文本框中输入“MOMENT_J”，定义单元J节点的弯矩，在【Item，Comp】选项后的左下拉框选中“Bysequencenum”，然后在右边的下拉列表框中选择“SMISC,”，接着在其下面的文本框中将内容补充为“SMISC,11”，单击【Apply】按钮。

继续定义单元的等效应力，弹出窗口的【Lab】选项后的文本框中输入“STRESS_I”，定义单元I节点等效应力，在【Item，Comp】选项后的左下拉框选中“Bysequencenum”，然后在右边的下拉列表框中选择“NMISC,”，接着在其下面的文本框中将内容补充为“NMISC,15”，单击【Apply】按钮，继续在【Lab】选项后的文本框中输入“STRESS_J”，定义单元J节点的等效应力，在【Item，Comp】选项后的左下拉框选中“Bysequencenum”，然后在右边的下拉列表框中选择“NMISC,”，接着在其下面的文本框中将内容补充为“NMISC,55”，单击【OK】按钮退出。

【6】按照上述操作方法可以得出以下结果：

作用在X轴方向上的作用力为：

1000000N（100万牛）30000000N（3000万牛）。

其变形情况如下：

图3.9连接器X轴方向上为100万牛时受力变形

图3.10连接器X轴方向上为3000万牛时受力变形

表3.1连接器X方向受力变形和刚度

100万牛

3000万牛时

最大变形（m）

4.4×

10^（-5）

1.5×

10^（-3）

刚度（N/m）

1.65×

10^10

1.7×

10^（10）

作用在Y轴方向上的作用力为：

1000000N（100万牛）,30000000N（3000万牛）。

图3.11连接器Y轴方向受力为100万牛时受力变形

图3.12连接器在Y轴方向受力3000万牛时受力变形

表3.2连接器Y方向的受力变形和刚度

3000万牛

6.82×

2.46×

1.31×

1.32×

作用在Z轴方向上的作用力为：

图3.13连接器在z轴方向受力100万牛时的变形

图3.14连接器在Z轴方向受力3000万牛时受力变形

表3.3连接器Z方向的受力变形和刚度

5.9×

1.73×

1.53×

1.59×

4飞行甲板的总体设计

4.1概述

在建造浮式机场的时候，不光要考虑甲板的连接方式，甲板的材料选择，还有许多要考虑的问题，比如说斜角甲板的角度设计、上层建筑形式、上层建筑主尺度设计、飞机升降机形式、飞机升降机主尺度等问题。

为了使浮式机场得到更好的建造，本章主要研究海上浮式机场总体设计时需要注意的几点问题。

4.2斜角甲板角度设计问题

浮式机场的降落跑道应该设计成斜角形式，因为这样可以避免飞机降落时阻拦失败而造成飞机冲向停在机场上的机群中或冲进海里。

斜角甲板如果设计合理的，不仅可以为飞机提供安全的阻拦，而且可以使飞机在阻拦失败时保证飞机安全复飞，所以斜角甲板的角度α的确定对于浮式机场的建造意义重大并且斜角甲板的角度α在很大一部分程度上可以决定飞行甲板的特点。

斜角甲板的角度α是指海上浮式机场的降落跑道中心线与主甲板的夹角。

国际上并没有规定这个角度具体是多少，但是一般认为8度到10度比较适宜，但是α在6度到13度都能较好的完成任务。

总的来说，α的角度越大，飞机着陆所受到的侧风较大，可能导致飞机着陆失败；

α角度较小时，对于飞机着陆有利，但是对于飞机的复飞又不利影响。

【7】如果斜角甲板角度α的设计的比较大时可以使飞行甲板面积增大这样也会随之影响飞行甲板的宽度，增加建造困难。

图4.1斜角甲板倾斜角度α的基本定义

图滑跃起飞式甲板模型

斜角甲板的角度α设计时应考虑以下问题：

（1）安全