機(jī)場(chǎng)剛性道面結(jié)構(gòu)動(dòng)力行為感知、模擬與表達(dá)

飛機(jī)滑跑、降落、轉(zhuǎn)彎和剎車過(guò)程中產(chǎn)生的地面動(dòng)力荷載必然引發(fā)道面板的復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，進(jìn)而導(dǎo)致不同部位道面疲勞損傷的差異，而新一代大型飛機(jī)的高速跑滑特性和復(fù)雜操控狀態(tài)進(jìn)一步加劇了問(wèn)題的復(fù)雜性。課題依托浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)四跑道工程，提出了機(jī)場(chǎng)剛性道面結(jié)構(gòu)動(dòng)力行為現(xiàn)場(chǎng)感知方法，構(gòu)建了不停航條件下道面結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)綜合感知系統(tǒng)。利用現(xiàn)場(chǎng)感知數(shù)據(jù)，對(duì)彎沉測(cè)試荷載和飛機(jī)荷載作用下的道面結(jié)構(gòu)響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行了分析。此外，通過(guò)對(duì)輪跡偏移實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，給出了飛機(jī)輪跡空間概率分布函數(shù)和參數(shù)。利用虛擬樣機(jī)技術(shù)，借助ADAMS/aircraft建立了A320、A330和A380全機(jī)模型，并且利用虛擬試驗(yàn)臺(tái)和Fortran子程序?qū)︼w機(jī)滑跑、降落、轉(zhuǎn)彎和剎車4種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行了仿真分析和規(guī)律表達(dá)，明確了飛機(jī)地面動(dòng)力荷載譜和動(dòng)載系數(shù)。利用ABAQUS建立了機(jī)場(chǎng)剛性道面結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)分析三維有限元模型，并利用現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行了驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上，利用虛擬樣機(jī)仿真結(jié)果和有限元模型對(duì)飛機(jī)地面運(yùn)動(dòng)狀態(tài)效應(yīng)、接縫傳荷效應(yīng)、多輪疊加效應(yīng)進(jìn)行了分析和表達(dá)。最后，利用有限元模型，構(gòu)建了道面結(jié)構(gòu)響應(yīng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)并給出了多維差值算法，通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)了道面結(jié)構(gòu)響應(yīng)影響面的構(gòu)建，該影響面可廣泛用于道面板應(yīng)力響應(yīng)譜及響應(yīng)峰值的計(jì)算。課題共計(jì)發(fā)表論文7篇，申請(qǐng)發(fā)明專利1項(xiàng)，申請(qǐng)軟件著作權(quán)1項(xiàng)，培養(yǎng)博士后1名，博士研究生2名，碩士研究生4名。

機(jī)場(chǎng)剛性道面的力學(xué)行為和使用壽命對(duì)疲勞應(yīng)力水平十分敏感。新一代大型飛機(jī)的復(fù)雜起落架構(gòu)型和荷載強(qiáng)化了對(duì)道面的動(dòng)力作用，道面不平整度的激振效應(yīng)增強(qiáng)了道面的動(dòng)力響應(yīng)，從而使現(xiàn)有基于靜力學(xué)的剛性道面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)方法面臨挑戰(zhàn)，其改進(jìn)的基礎(chǔ)則是對(duì)道面動(dòng)力行為的準(zhǔn)確掌握和科學(xué)表達(dá)。項(xiàng)目依托浦東國(guó)際機(jī)場(chǎng)四跑道工程，研發(fā)不停航條件下道面結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)綜合感知系統(tǒng)，現(xiàn)場(chǎng)感知不同條件下剛性道面真實(shí)的力學(xué)響應(yīng)量。運(yùn)用虛擬樣機(jī)技術(shù)構(gòu)建高精度飛機(jī)整機(jī)仿真模型，以提取作用于道面的動(dòng)態(tài)荷載激勵(lì)函數(shù)；進(jìn)一步考慮道面接縫條件和地基阻尼特性，建立并利用現(xiàn)場(chǎng)感知數(shù)據(jù)驗(yàn)證剛性道面結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析三維數(shù)值模型；系統(tǒng)模擬典型剛性道面結(jié)構(gòu)對(duì)各種飛機(jī)作用的力學(xué)響應(yīng)，揭示機(jī)場(chǎng)剛性道面結(jié)構(gòu)動(dòng)力行為的特征和規(guī)律。面向道面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)與壽命預(yù)估，提出道面結(jié)構(gòu)動(dòng)力行為的多模態(tài)表達(dá)方式與參數(shù)。從而為構(gòu)建剛性道面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)新方法提供理論和數(shù)據(jù)。

機(jī)場(chǎng)復(fù)合道面兼具優(yōu)秀的承載能力和功能性能，是剛性跑道加鋪改造的主流形式。為解決“經(jīng)驗(yàn)法”存在的不足，推進(jìn)復(fù)合道面“力學(xué)-經(jīng)驗(yàn)法”的發(fā)展，急需研究復(fù)合道面結(jié)構(gòu)行為及其相關(guān)理論。為此，本課題修建了復(fù)合道面足尺試驗(yàn)場(chǎng)，在國(guó)內(nèi)首次開展了復(fù)合道面足尺加速加載試驗(yàn)，結(jié)合成都雙流機(jī)場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段，實(shí)測(cè)了復(fù)合道面在不同溫度、不同層間粘結(jié)強(qiáng)度以及不同荷載級(jí)位下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，并揭示了復(fù)合道面的輪轍起因和發(fā)展規(guī)律。隨后，基于足尺試驗(yàn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)建立和驗(yàn)證了復(fù)合道面三維有限元精細(xì)化模型，分析了飛機(jī)勻速滑行、減速制動(dòng)、轉(zhuǎn)彎、降落著陸等多運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下典型復(fù)合道面的結(jié)構(gòu)空間響應(yīng)規(guī)律。研制了復(fù)合道面反射裂縫試驗(yàn)儀，建立并驗(yàn)證了一套全新的反射裂縫試驗(yàn)方法。系統(tǒng)總結(jié)了復(fù)合道面的損壞模式，基于現(xiàn)場(chǎng)和數(shù)值仿真計(jì)算結(jié)果，建立了復(fù)合道面結(jié)構(gòu)行為的即時(shí)表達(dá)模型，構(gòu)建或標(biāo)定了復(fù)合道面結(jié)構(gòu)行為的演變方程。在此基礎(chǔ)上，提出了復(fù)合道面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)多指標(biāo)體系的指導(dǎo)原則，確定了復(fù)合道面“力學(xué)-經(jīng)驗(yàn)法”的指標(biāo)體系。最后，提出了復(fù)合道面結(jié)構(gòu)損傷非線性分時(shí)疊加原理，建立了機(jī)場(chǎng)復(fù)合道面“力學(xué)-經(jīng)驗(yàn)法”的設(shè)計(jì)流程。 2100433B

機(jī)場(chǎng)復(fù)合道面兼具優(yōu)秀的承載能力和功能性能，是跑道加鋪的主流形式，也是長(zhǎng)壽命道面的研發(fā)方向。傳統(tǒng)“經(jīng)驗(yàn)法”難以控制復(fù)合道面的多種損壞，無(wú)法適應(yīng)大型飛機(jī)的多輪動(dòng)態(tài)、高胎壓、大水平力荷載作用，“力學(xué)—經(jīng)驗(yàn)”設(shè)計(jì)法正成為研究熱點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)，其核心是復(fù)合道面結(jié)構(gòu)行為及其相關(guān)理論。本項(xiàng)目面向機(jī)場(chǎng)復(fù)合道面，研究包括微觀損傷、中/小尺度變形與開裂、足尺結(jié)構(gòu)響應(yīng)的多尺度試驗(yàn)方法；考慮復(fù)合道面幾何、材料和接觸非線性以及大型飛機(jī)多輪動(dòng)態(tài)荷載與溫度的耦合作用，構(gòu)建復(fù)合道面三維有限元精細(xì)模型，并實(shí)證校驗(yàn)；實(shí)施多尺度試驗(yàn)和精細(xì)化仿真，揭示飛機(jī)荷載與溫度耦合作用下復(fù)合道面的空間結(jié)構(gòu)響應(yīng)規(guī)律，分析建立其結(jié)構(gòu)行為的即時(shí)表達(dá)模型和演變方程；以此為基礎(chǔ)，研究道面損傷非線性分時(shí)疊加原理，提出復(fù)合道面結(jié)構(gòu)多指標(biāo)“力學(xué)—經(jīng)驗(yàn)”設(shè)計(jì)方法。從而解決復(fù)合道面結(jié)構(gòu)行為模擬、解析、表達(dá)和預(yù)估等科學(xué)問(wèn)題，并為大規(guī)模機(jī)場(chǎng)復(fù)合道面建設(shè)提供技術(shù)支持。

柔性機(jī)場(chǎng)道面，道面剛度較小，抗彎拉強(qiáng)度較低，主要靠抗壓、抗剪強(qiáng)度來(lái)承受飛機(jī)荷載作用的機(jī)場(chǎng)道面。通常指面層為瀝青混凝土的機(jī)場(chǎng)道面。