机场道面力学响应关键参数研究文献综述

 2023-08-14 11:09:08
  1. 文献综述(或调研报告):

目前国内在路面力学响应分析方面已积累的大量的研究经验与研究成果,机场道面力学响应研究方法主要包括足尺试验和有限元分析两种,数值模拟目前在机场道面领域得到了一定程度的应用,但研究方向主要集中于民航机场沥青混凝土道面,在水泥混凝土道面研究仍有限,促使道路研究者对此方向开展了深入研究。

  1. 足尺试验

足尺试验是指TW试验路进行了结构性能试验和评价。通过分析试验路弯沉变化及动态模量,对路面整体承载能力进行了分析和评价;通过裂缝观察及结构性能评价对方案进行比较分析。美国联邦航空局( FAA,Federal Aviation Administration)在国家机场道面试验室( NAPTF,National Airport Pavement Test Facility)开展大量道面力学响应的足尺试验研究[1]具体方法是通过模拟的飞机起落架作用在道面上,由埋置在道面中的传感器来测试道面的变形、应变等。例如,利用 NAPTF足尺试验,Gopalakrishnan 和 Thompson 研究了飞机动态荷载作用下沥青混凝土面层的应变响应,结果表明B77三轴双轮荷载作用和 B747双轴双轮荷载作用下的沥青面层底纵向拉应变基本相同[2]。

  1. 数值模拟

数值模拟也叫计算机模拟。依靠电子计算机,结合有限元或有限容积的概念,通过数值计算和图像显示的方法,达到对工程问题和物理问题乃至自然界各类问题研究的目的。

2.1数值模拟在机场沥青混凝土道面的应用

刘文[3]在第六章道面力学响应分析中采用的是FLAC3D数值模拟应用软件,虽然与笔者要采用的abaqus不用,但是他的建模过程和指标分析还是有借鉴之处。他以A380为典型客机建立了大型飞机复杂起落架多轮荷载作用下道面结构的三维数值模拟模型,对于柔性基层道面结构,他选择土基顶面竖向应变、基层底面水平应变、面层底面水平应变的变化进行了多轮组合作用分析,对于半刚性基层道面结构,他通过观察土基顶面竖向压变、底基层底面水平拉应力、面层底面水平应变多轮组合作用分析得出,与简单起落架相比,复杂起落架的轮子数目多,轮间距较小,相互作用效应显著,分析中必须考虑多轮之间和多个起落架之间的叠加效应对道面结构的影响。将飞机全部轮载作用于道面,从而更加准确地反映道面在大型飞机作用下的应力和变形规律。

与刘文[3]相似的是,曾靖[4]同样选择A380作为计算飞机,借助于大型有限元软件abaqus构建机场跑道道面结构的三维有限元模型,但与刘文不同的是曾靖不仅仅分析了多轮荷载组合作用下的作用规律,同时将单轮组单独作用下的道面作用规律,然后两相比较,得出在客机A380的多个车轮的共同作用下,路面结构将在每个车轮的载荷下产生机械响应的峰值,从而在空间范围内表现出多峰效应。表面挠曲在车轮的位置达到峰值,并且最大值出现在中间车轮上。在每个分割路径下,道路挠度值随着车轮数量的增加而增加。由于存在4轮组合,因此10轮和20轮的6轮组合的挠度值具有叠加效果;沥青表面层底部的侧向应变沿着分裂路径在拉伸和压缩之间交替变化。由于4个或6个轮子单独作用,它们处于负载区域之外。在各种组合下,生成的拉伸应变区域的存在会改变最大拉伸应变的位置;基层底部的侧向应变主要表现为拉伸应变,在四轮载荷区域附近也出现载荷效应叠加现象。

相比于曾靖和刘文单一的选择一种类型的起落架进行分析,刘持有,蒋小伟,朱立国[5]则是分析了不同构型起落架荷载作用下机场柔性道面的动力响应规律,同样是基于有限元分析方法,利用 abaqus软件构建了机场柔性道面有限元模型,模拟了不同构型起落架动态荷载作用,并通过 NAPTF足尺试验数据验证了模型的有效性;并且,针对机场柔性道面动力响应,重点分析了不同构型起落架动态荷载作用下柔性道面面层底拉应变、 面层顶剪应变以及轮载对面层底拉应变和面层顶剪应变的影响,但是对于不同类型起落架的作用规律叙述不够详细只是简单讲述了一些结果,并未做具体分析。

游庆龙、李京洲、罗志刚、赵胜前、马靖莲[6]建立了复合路面结构的有限元模型,并考虑了临界荷载的布置,选取了三种类型的飞机作为计算机型来分析复合道面的力学响应。他们以沥青混凝土加铺层层底和旧水泥混凝土层底的力学响应为参数,得到了极值及其位置,并且观察发现极值多出现在靠近水泥混凝土板纵,横边缘一侧的轮胎底部。

2.2数值模拟在机场沥青混凝土道面的应用

水泥混凝土道面,翁兴中、寇雅楠、颜祥程[7]研究了飞机滑行下机场混凝土路面板的动力响应。他们提出了一种能使用静力分析来处理移动荷载的方法,用作用在道面板上的静载乘以动载系数来表示移动荷载作用下道面的受力特征。应用半解析元法,建立了粘弹性层状地基上四边自由的矩形道面板的力学计算模型;对飞机滑行时对道面板作用的荷载进行了研究计算了飞机滑行作用下道面板的响应。这种以静力替代动力的分析方法值得借鉴,并省去了不少麻烦。

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