劉文芝,鄧月秋,何潔茹
(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 航空學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)
機(jī)場跑道是飛機(jī)載荷的主要承載區(qū)域,ICAO 規(guī)定,起飛重量超過5 700 kg 的飛機(jī),用飛機(jī)等級序號ACN 和道面等級序號PCN 的方法來確定飛機(jī)壓強(qiáng)和跑道強(qiáng)度間的關(guān)系;若PCN 大于ACN 值,則這類跑道可無限使用,特殊情況下,如果ACN 超過PCN 的5%~10%時,仍可使用,但跑道使用壽命會縮短[1]。
目前,根據(jù)承載機(jī)型的不同,機(jī)場跑道道面材料主要有剛性水泥混凝土和非剛性瀝青道面,采用哪種材料的道面,一方面取決于其承載強(qiáng)度,另一方面還需考慮其承載變形問題。雖然通航機(jī)場運行的飛機(jī)機(jī)型一般為中小型飛機(jī),但隨使用時間的推移,道面的裂紋、破損和局部沉降等問題依然存在,對飛機(jī)和人員的安全產(chǎn)生威脅。因此,在跑道承載機(jī)型一定的前提下,道面材料承載能力的影響問題,是保證飛行和機(jī)場運行安全的關(guān)鍵。
基于以上問題,本文以飛行區(qū)指標(biāo)Ⅱ為B 的通用航空機(jī)場跑道道面承載能力問題為算例,在A 類通航飛機(jī)總體設(shè)計[2]的基礎(chǔ)上,最大承載起飛重量為9 975 kg,考慮機(jī)輪間距以及機(jī)輪與道面間的摩擦,建立飛機(jī)與剛性和柔性兩種材料的道面摩擦接觸有限元計算模型;采用CAE 方法,直觀地分析了兩種材料的跑道道面,在飛機(jī)載荷作用下,不均勻下沉和承載能力問題。
結(jié)合MH/T 5004—2010《民用機(jī)場水泥混凝土道面設(shè)計規(guī)范》[3]設(shè)置道面結(jié)構(gòu)及相關(guān)參數(shù)。道面干燥時,機(jī)輪與道面間的靜摩擦因數(shù)為0.4~0.8,取0.6。
前起落架機(jī)輪與主起落架機(jī)輪分別與跑道表面接觸。根據(jù)機(jī)體和跑道參數(shù),建立飛機(jī)與道面摩擦接觸有限元計算模型,如圖1 所示。
圖1 飛機(jī)與道面摩擦接觸有限元計算模型
在飛機(jī)載荷作用下,水泥混凝土干燥道面的Z、X和Y 方向的應(yīng)力計算結(jié)果如圖2-圖4 所示。
圖2 Z 方向的應(yīng)力
圖3 X 方向的應(yīng)力
圖4 Y 方向的應(yīng)力
由圖2-圖4 可知,在飛機(jī)最大重量載荷作用下,后主起落架機(jī)輪對道面的壓力大于前起落架機(jī)輪的壓力。Z、X 和Y 方向的應(yīng)力極值分別為2.16、1.44 和1.49 MPa;在垂直跑道面的Z 方向,應(yīng)力最大,產(chǎn)生在機(jī)輪作用面的中心位置。由于摩擦的存在,X 和Y 方向的應(yīng)力極值,分別產(chǎn)生在機(jī)輪壓縮變形趨勢方向。
對于飛行區(qū)指標(biāo)Ⅱ為B 的機(jī)場,滿足水泥混凝土道面4.5 MPa 的強(qiáng)度要求。因此,該水泥混凝土道面,滿足強(qiáng)度要求。
1.3.1 沉降區(qū)域
在飛機(jī)載荷作用下,水泥混凝土干燥道面的Z、X 和Y 方向的變形作用區(qū)域的計算結(jié)果,如圖5-圖7 所示。
圖5 Z 方向的變形作用區(qū)域
圖6 X 方向的變形作用區(qū)域
由圖5-圖7 可知,在飛機(jī)載荷作用下,水泥混凝土干燥道面沿垂向Z 方向主要向深度方向延伸;在機(jī)輪變形和機(jī)體載荷共同作用下,沿道面寬度X 方向,道面變形有一定擴(kuò)展;而沿道面長度Y 方向,道面變形擴(kuò)展最為嚴(yán)重,前起落架和主起落架的作用下,變形區(qū)域級別連通。因此,跑道道面如果出現(xiàn)強(qiáng)度不足,其裂紋主要向長度方向擴(kuò)展。
1.3.2 沉降量
在飛機(jī)載荷作用下,水泥混凝土干燥道面的Z、X和Y 方向的沉降情況的計算結(jié)果,放大后的顯示,如圖8-圖10 所示。
圖8 Z 方向的沉降
圖9 X 方向的沉降
圖10 Y 方向的沉降
由圖8-圖10 可知,在飛機(jī)載荷作用下,水泥混凝土干燥道面沿Z、X 和Y 方向沉降極值分別為0.164×10-5、0.223×10-6和0.189×10-6mm;最大沉降變形產(chǎn)生在垂直道面的Z 方向。
水泥混凝土干燥道面,跑道三個方向的沉降很小,同時強(qiáng)度滿足要求,因此,正常承載情況下,不會有微裂紋的產(chǎn)生;道面第二層會受機(jī)體載荷一定程度的影響,其余層強(qiáng)度支撐作用很好。
結(jié)合MH/T 5010—2017《民用機(jī)場瀝青道面設(shè)計規(guī)范》[4]設(shè)置道面結(jié)構(gòu)及相關(guān)參數(shù)。道面干燥時,機(jī)輪與道面間的靜摩擦因數(shù)為0.4~0.8,取0.7。
在飛機(jī)載荷作用下,瀝青混凝土干燥道面的Z、X和Y 方向的應(yīng)力計算結(jié)果,如圖11-圖13 所示。
圖11 Z 方向的應(yīng)力
圖12 X 方向的應(yīng)力
圖13 Y 方向的應(yīng)力
由圖10-圖13 可知,與水泥混凝土道面相比,在飛機(jī)載荷作用下,瀝青混凝土的較軟的材料和較大的變形,使得在飛機(jī)最大重量載荷作用下,Z、X 和Y 方向的應(yīng)力極值分布并不相同;由于瀝青道面較軟,且層數(shù)多,三個方向的應(yīng)力極值逐漸減??;垂直道面的Z 方向,前起落架和主起落架機(jī)輪對道面承載能力影響皆大,最大應(yīng)力為0.131 MPa,滿足道面材料0.44 MPa 許用應(yīng)力要求。
在飛機(jī)載荷作用下,瀝青混凝土干燥道面的Z、X和Y 方向的變形和沉降計算結(jié)果,放大顯示,如圖14-圖16 所示。
圖14 Z 方向沉降
圖15 X 方向沉降
圖16 Y 方向沉降
由圖14-圖16 可知,在飛機(jī)載荷作用下,與水泥混凝土干燥道面相比,瀝青混凝土沿Z、X 和Y 方向的沉降大于水泥混凝土道面,其變形極值分別為0.296×10-4、0.318×10-5和0.348×10-5mm;最大沉降變形產(chǎn)生在垂直道面的Z 方向。
與水泥混凝土道面相比,瀝青道面的最大沉降是其18.048 倍;其沉降深度影響和變形范圍更大,其余層強(qiáng)度支撐作用很好。
對飛行區(qū)指標(biāo)Ⅱ為B 的通航機(jī)場,以水泥混凝土道面和瀝青道面為算例,建立了飛機(jī)與道面間的摩擦接觸有限元計算模型,對兩種材料跑道道面的強(qiáng)度和不均勻下沉的情況,用CAE 方法進(jìn)行了對比分析,簡單直觀易于理解;計算中未考慮地區(qū)環(huán)境溫度、濕度以及飛機(jī)著陸沖擊力等對跑道道面材料性能的影響。計算結(jié)果表明,在靜載荷作用下,水泥混凝土干燥道面主要失效形式是強(qiáng)度,而瀝青混凝土道面的主要失效形式是變形。