考虑飞机制动力的机场沥青道面力学响应分析

针对飞机在降落制动过程中所产生的制动力对道面结构产生显著影响,并借助ABAQUS三维有限元软件,建立了柔性道面结构和半刚性道面结构有限元模型,分析在常用的民用飞机和新一代大型飞机荷载作用下,考虑水平制动力作用时对道面结构产生的力学响应.同时分析了以B777-300ER、A380-800为代表的新一代大型飞机,在考虑不同的水平制动力、土基模量、面-基层接触状况条件下时对道面力学响应的影响.计算结果表明:考虑制动力后,面层最大拉应力出现在道面表面;水平制动力超过0.5倍单轮荷载后,使得面层内部的拉应力急剧增大;层间的不良接触对半刚性道面结构影响较大,当面-基层的接触系数大于0.5后,对面层内部的最大剪应力和面层底部的拉应力影响不显著.     

材料非线性对沥青道面结构力学响应的影响

借助三维有限元软件,建立半刚性基层沥青道面和柔性基层沥青道面结构模型,分析了B737,B767,B777飞机荷载作用下,土基材料非线性、粒料材料非线性、土基和粒料材料均为非线性三种情况时对道面结构力学响应的影响.结果表明,在三类不同起落架荷载作用下,随着轮载的增加,材料非线性对道面结构力学响应的影响逐渐增加,土基非线性对两种道面结构的力学响应影响不明显.半刚性基层沥青道面结构,粒料非线性与土基和粒料均为非线性时对道面表面弯沉和土基顶面竖向压应变影响不显著,但对沥青面层底部的拉应变和半刚性基层底部的拉应力影响较为明显.柔性基层沥青道面结构,粒料非线性对表面弯沉的影响不显著,但对土基顶面竖向压应变影响较大,土基和粒料均为非线性时对沥青面层底部拉应变的影响明显.     

冲击荷载作用下机场刚性道面动力响应与影响因素分析

机场刚性道面受飞机着陆冲击荷载的影响较大。为研究机场刚性道面在飞机着陆瞬态冲击荷载作用下的动力响应,基于主起落架单自由度振动系统,用半波正弦曲线模拟冲击荷载,采用有限元分析的方法研究了B737-800机型在粗暴着陆条件下机场道面的动力响应,并分析了道面板在不同冲击速度及不同道面结构参数下动力响应变化规律。结果表明:单自由度振动系统能很好的表征垂直速度与法向加速度的关系;道面板产生最大应力的临界荷位处于板纵缝中部;冲击荷载作用时间内道面弯沉影响深度持续增加,绝大部分由土基承担;循环冲击作用下,板底弯沉随冲击荷载作用次数的增加而增加,作用100次后增幅明显减小;板底弯沉与板底峰值应力均随垂直速度的增加而增加,相比面层模量,面层厚度对板底弯沉的影响显著,板底峰值应力随面层模量的增大而增大,但随面层厚度的增加呈先减小后增大趋势。     

大型飞机荷载作用下SEA道面结构响应分析

利用Bisar及ANASYS建立新型环氧沥青混凝土道面(SEA)结构模型,通过分析A380-800飞机主起落架构造及多项荷载参数,对飞机荷载作用下SEA机场道面面层应力、应变及弯沉等结构响应进行分析,并拟合Bisar三阶差值三维弯沉图。结果表明,A380飞机荷载作用在SEA道面上时,A380飞机主起落架前六轮主要承受载荷,应力应变分布较为均匀,出现双峰值现象;后四轮纵向应力应变较横向大,易出现应力集中现象。大型飞机荷载作用于SEA环氧沥青混凝土道面弯沉值较小,相比普通SAA沥青道面,SEA沥青混凝土道面具有较好的路面力学效应。     

考虑温度荷载的机场沥青道面复杂应力状态研究及性能评估

飞机在跑道上进行低速滑行转弯时,对道面同时作用竖向力与水平推力,同时温度也是影响机场沥青道面结构特性的主要因素之一。在此道面区域有竖向力、水平力和温度共同作用,从而加重了沥青道面的损坏并影响其运行安全。针对此问题,利用有限元软件ABAQUS建立机场沥青道面结构的温度场分析模型及温度与复杂荷载耦合分析模型,分析东北和华北地区不同气候条件下道面结构内部温度场的变化规律。华北、东北地区气候条件下,随着道面结构深度的增加,温度变化由剧烈趋于平缓,较之跑道表面其下每层最高温度不断延后;进而开展跑道转弯区和直线区复杂应力与温度耦合作用下沥青道面结构内部应力状态及变形规律分析。分析表明,在转弯区和直线区道面中面层底部剪应力大于上面层底部及下面层底部,面层竖向应力随深度衰减;随着荷载作用次数的增加,竖向变形量与剪切强度前期增加较快,尤其是在道面出现中等损坏之前增加最快,中等损坏后直到严重损坏两者增加均变缓。进一步,设计模型试验模拟沥青道面在复杂应力与温度耦合作用下的受力状态,获得道面结构剪切强度及其变形规律,与上述数值分析结果相一致。在上述数值分析和试验研究基础上,提出基于道面结构应力和变形的道面性能评估量化指标。     

高胎压下机场环氧沥青道面结构动力响应分析

新一代飞机(B787和A350/380)轮胎充气压力普遍达到了1.5 MPa,这进一步加剧了重载高胎压对沥青道面结构响应的影响,而热固性环氧沥青混合料因其优异的力学性能成为重载高胎压条件下的理想选择.基于ABAQUS建立了考虑竖向接触应力不均匀分布的机场环氧沥青道面结构动力响应三维有限元模型,并利用现场足尺加速加载试验结果对模型进行了验证.在此基础上,就接触应力分布、轮胎充气压力大小、温度场分布和道面结构材料特性等因素对道面结构响应的影响进行了分析.结果表明:不均匀接触应力增大了道面结构响应量;重载高胎压条件下,从减少车辙和开裂的角度而言,环氧沥青铺装材料较沥清玛蹄脂混合料具有更好的适用性,但要注意防止中、下面层的塑性变形累积和环氧沥青层底的弯拉疲劳开裂.     

环氧沥青道面高温足尺加速加载动力响应

利用MLS66加速加载试验系统对某军用机场试验段2种典型的环氧沥青道面进行足尺加速加载试验.考虑到高温环境影响,将道面加热至60℃,研究2种道面的环氧沥青面层以及沥青混凝土下卧层的动力响应特性.环氧沥青面层响应在加载初期均为拉压交替变化,而加载后期半刚性基层道面以拉应变为主,复合道面以压应变为主;沥青混凝土层均以压应变为主.通过响应结果分析可知,在高温条件下受沥青黏弹性和流变性影响,道面的力学行为和状态随加载次数的增加发生变化;不同力学响应导致环氧沥青道面结构高温条件破坏机理不同,因而设计控制指标亦不同,复合道面控制压应变,半刚性基层道面控制拉应变.     

非均匀地基在矩形移动荷载作用下的动力响应

利用半解析法研究矩形移动荷载作用下非均匀地基的动力响应问题.基于双向Fourier级数展开技术,建立矩形移动荷载作用下非均匀地基的动力计算模型,其中考虑地基剪切模量为随深度任意变化的连续函数.经过理论推导,给出非均匀地基在矩形移动荷载作用下地基中位移级数形式的解析解答.通过数值算例分析并讨论地基非均匀参数、荷载移动速度以及地基表面的剪切模量等对地基力学响应的影响规律.从数值计算结果看,表面土体的剪切模量越大、非均匀程度越大、移动荷载速度越小,都会使土体中各点的竖向位移减小.     

飞机荷载作用下机场跑道地基土附加应力分析

基于轴对称荷载作用下层状弹性理论得到了垂直圆形均布荷载作用下分层地基的解析解,并编写了相应的计算程序,分析了道面刚度对地基附加应力的影响以及单轮及多轮荷载作用下地基土附加应力分布。结果表明：道面结构层刚度对浅层地基附加应力大小影响较大,随深度增大其影响逐渐减小;多轮荷载作用下地基土附加应力会发生叠加,飞机荷载的横向影响范围约为中线两侧15 m。此分析方法可为跑道的沉降及基础设计提供参考。     

飞机滑行荷载对机场道面的随机振动效应分析

为了保障机场跑道的安全和使用性能,掌握飞机荷载作用于机场道面的机理和机场跑道的损伤失效模式。将机场道面结构视为弹性层状地基上的半无限板,采用振动理论,建立飞机-道面结构的耦合振动分析模型,对飞机滑行荷载所产生的振动作用力进行了计算,并对道面-基础结构在飞机滑行荷载作用下的工况进行了随机振动响应分析。分析结果表明飞机滑行振动荷载中高频作用力更容易引起道面结构的振动,随着频率的增大,振动能量也在不断增加,道面板弯沉值显示出高频振动为主的特性;并且道面结构在飞机-道面耦合作用荷载下产生的弯拉应力在低频附近出现峰值,随着频率的增大,其弯拉应力不再增加,道面结构的弯拉应力主要反映出低频振动特性,道面板弯拉应力出现极限值时,道面板部分出现开裂,开裂部分退出工作状态,其弯拉应力对于高频振动力的响应也随之减小。     

基于渐近均匀化理论的加筋土路基在交通荷载作用下的动力响应分析

通过渐近均匀化方法将加筋土路基等效成单一弹性参数的材料,再利用An-sys建立加筋土路基的三维有限元模型.用移动恒载来模拟交通荷载,研究加筋土路基在该荷载作用下的动力响应.具体研究了不同代表测点的等效Mises应力、竖向位移、竖向加速度的时程曲线变化规律,以及随着单轮轮载值、行车速度、距路基表面深度改变而变化的规律.     

青藏高寒高海拔地区宽幅公路沥青路面力学响应

为深入研究青藏高寒高海拔地区宽幅公路沥青路面力学响应,以指导该区域宽幅公路沥青路面结构设计、路基填挖形式及高度选择。将基于欧拉描述的大变形固结理论应用于冻土融化固结分析,研究融沉作用下路基高度、路面结构形式、宽度、厚度及模量对宽幅公路沥青路面力学响应的影响规律,并基于多目标规划理念,提出以沥青层底拉应变及路表差异沉降量综合最小为目标的力学响应综合评价指标P,用以评价路面综合力学响应。结果表明:柔性基层沥青路面沥青层底拉应变随路表差异沉降量呈先增大后减小的变化规律,倒装式、半刚性及复合式基层沥青路面、半刚性底基层层底拉应力则随其呈线性增大趋势;融沉作用下,ATB-25层底横向拉应变小于不考虑冻土融沉作用时;年均气温为-3.5℃、-4.5℃时,半刚性底基层横向拉应力显著大于不考虑冻土融沉作用时;P均值随路面宽度增大而增大,且22.5m时增大最显著;填方路基P均值随填方高度增大先减小后增大,高度为1m时最大,2m时最小,此后逐渐增大;挖方路基P均值随挖方高度增大而增大,高度为1m时最小,2m时显著增大。从路面力学响应角度,建议多年冻土区宽幅公路应尽量减小路面宽度,不宜大于17.5m;路基填方高度不宜小于2m,挖方高度宜为1m以下;对于年均气温-3.5℃、-4.5℃地区,路面结构形式宜选取柔性基层沥青路面。     

多轮荷载作用下的高模量沥青道面力学响应特性

飞机起落架多轮荷载作用下,道面内部应力应变等力学响应将产生叠加与干涉。本文针对高模量沥青机场道面,通过ABAQUS有限元软件开展道面结构力学响应计算,分析飞机多轮荷载对道面力学响应敏感性,研究高模量沥青混合料在机场道面中的应用效果。结果表明：在飞机主起落架的六轮荷载作用下,道面结构层中产生的应力与路表弯沉的峰值最大,且道面的疲劳寿命最小,在进行道面结构计算与材料组成设计时,应以六轮荷载作为最不利荷载工况;机轮荷载分布的对称性越强,结构内应力与路表弯沉的峰值点位置越靠近荷载包围区域中心;沥青道面变形有一定的时间滞后,卸载后路表弯沉不能立即恢复并存在残余变形,且主起落架轮数越多,滞后时间越长,保留的残余变形越大;中面层采用的高模量沥青混合料可降低道面各层拉应力、压应力、剪应力的应力水平,进而有效地减少机场沥青道面轮辙与疲劳开裂。     

机场柔性道面结构的飞机当量单轮荷载

通过引入机场柔性道面结构的飞机当量单轮荷载系数ζ和旁邻轮影响系数φ;明确了当量单轮荷载的概念和计算公式。分别基于结构层层底弯拉应力、应变和土基顶面压应变设计指标,分析了主起落架构型分别为双轮、双轴双轮和三轴双轮的飞机当量单轮荷载系数ζ随机场道面结构参数的变化规律。研究表明:计算沥青面层层底弯拉应变,刚性、半刚性基层层底弯拉应力的当量单轮荷载系数ζ时仅考虑计一根(或一排)轴载的影响;计算土基顶面压应变的ζ时可计入所有旁邻轮的影响。最后,给出了基于结构层层底弯拉应力、应变和土基顶面压应变的40余种飞机的当量单轮荷载系数ζ的近似回归公式。     

不平整激励下机场道面和公路路面

针对目前我国机场道面平整度评价主要沿用高速公路标准体系,提出一种机场道面和公路路面平整度评价的建模与分析方法.建立飞机和汽车动力学模型,选取飞机和汽车竖向加速度响应作为评价指标,提出基于Matlab/Simulink模块仿真分析的流程.以代表机型和车型作为试验对象,在不平整铺面激励下考查竖向加速度响应的差异;并解析运行速度、组成构造、前后轮距、质量分配系数、振动元件、质量和转动惯量等因素对飞机和汽车动力学响应差异的影响程度.最后,根据波音公司疲劳标准,反算机场道面国际平整度指数(IRI)与3 m直尺下最大间隙的标准值,提取机场道面管理的重要的决策参数.     

飞机滑行荷载对机场道面的随机振动效应分析#$NL 魏保立1,2郭成超2崔璨2

为了保障机场跑道的安全和使用性能,掌握飞机荷载作用于机场道面的机理和机场跑道的损伤失效模式。将机场道面结构视为弹性层状地基上的半无限板,采用振动理论,建立飞机-道面结构的耦合振动分析模型,对飞机滑行荷载所产生的振动作用力进行了计算,并对道面-基础结构在飞机滑行荷载作用下的工况进行了随机振动响应分析。分析结果表明飞机滑行振动荷载中高频作用力更容易引起道面结构的振动,随着频率的增大,振动能量也在不断增加,道面板弯沉值显示出高频振动为主的特性;并且道面结构在飞机-道面耦合作用荷载下产生的弯拉应力在低频附近出现峰值,随着频率的增大,其弯拉应力不再增加,道面结构的弯拉应力主要反映出低频振动特性,道面板弯拉应力出现极限值时,道面板部分出现开裂,开裂部分退出工作状态,其弯拉应力对于高频振动力的响应也随之减小。     

飞机水平荷载作用下水泥混凝土道面结构响应

针对飞机在起飞状态和着陆滑跑时对水泥混凝土道面结构产生较大的水平荷载,采用ANSYS软件建立足尺9块道面板三维有限元分析模型,研究了2种典型飞机起飞时轮载作用于6种荷载位置时道面结构的力学响应,并分析了着陆时水平力系数对道面结构响应的影响.结果表明:起飞时,2种机型对道面结构的应力峰值分别变化了0.12MPa和0.05 MPa;道面板应力峰值与水平荷载呈线性变化,仅在单轮主起落架作用在荷位1时呈非线性关系;轮载作用于板中和纵缝板边时,水平荷载对道面板应力影响较小;轮载作用于板角和横缝中部时,道面板应力峰值同水平荷载方向有关.     

基于板底脱空的水泥混凝土道面结构理论分析

地基的不均匀沉降将使水泥混凝土道面处于不利受力状态,当板下产生脱空时,板在自重作用下将产生相当于恒载的附加应力,影响道面结构的疲劳寿命.针对盾构穿越机场水泥混凝土道面导致板底脱空的现象,构建了自重作用下水泥混凝土道面板底脱空的力学模型,并利用板壳力学有关理论推演了面层板的应力和挠度公式     

飞机轮载作用下机场复合式道面结构力学分析

以三维有限元分析模型为平台,考虑旧水泥混凝土道面接缝的传荷能力,建立了复合式道面结构有限元模型,考虑临界荷位的布置,获取了B737-300,B767-300ER和B777-300ER等3种机型飞机的荷载作用下复合式道面结构各层的力学响应,计算了力学响应的极大值及其出现的位置.结果表明:复合式道面结构的临界荷位为纵缝边缘中部,多轴起落架荷载作用下,复合式道面结构力学响应表现为多应力峰值模式,随轴数增多,力学响应增加显著,轮轴之间叠加效应明显.3种机型飞机荷载作用下沥青混凝土加铺层底,旧水泥混凝土层底的力学响应的极值位置多出现在靠近纵横边缘一侧的轮胎底部.     

不平整激励下机场道面和公路路面平整度评价综合分析

针对目前我国机场道面平整度评价主要沿用高速公路标准体系,提出一种机场道面和公路路面平整度评价的建模与分析方法.建立飞机和汽车动力学模型,选取飞机和汽车竖向加速度响应作为评价指标,提出基于Matlab/Simulink模块仿真分析的流程.以代表机型和车型作为试验对象,在不平整铺面激励下考查竖向加速度响应的差异;并解析运行速度、组成构造、前后轮距、质量分配系数、振动元件、质量和转动惯量等因素对飞机和汽车动力学响应差异的影响程度.最后,根据波音公司疲劳标准,反算机场道面国际平整度指数(IRI)与3m直尺下最大间隙的标准值,提取机场道面管理的重要的决策参数.