飞机转弯滑行时半刚性基层沥青道面力学响应研究

【摘要】：转弯滑行是飞机地面操纵时侧向荷载最大的运动过程,转弯滑行过程中会对道面产生的包括拉、压、扭、剪等综合作用力,特别是会在沥青道面面层内部会产生较大的水平剪应力,使得沥青道面面层容易产生剪切破坏。加之新一代大型飞机(New Generation Large Aircraft,NGLA)如B777等的投入运营,其轴载重、轮压高、制动水平力大等特点,更是加剧了这种破坏现象。针对该问题,本文通过国内外相关技术调研与分析,基于转弯瞬心法,结合飞机转弯滑行时运动学和动力学理论,对飞机稳态转弯与非稳态转弯时总侧向荷载进行分析,并将起落架总侧向荷载转化为每个轮胎对沥青道面的有效侧向荷载。对现有机场道面设计时采用的轮胎-道面接触模型进行调研并分析,并从实际的轮胎-道面接触状态出发,建立一个尽可能接近实际的机轮-道面接触模型,包括机轮-道面接触印记分析与建立以及接触应力的大小。同时确定沥青道面三维结构有限元模型的参数,飞机转弯滑行荷载施加形式。在此基础上利用有限元分析软件Abaqus为平台建立起沥青道面三维有限元模型,分别从几何模型、边界条件、单元类型等方面,确定了适合机场沥青道面结构响应分析的三维有限元模型为30m×30m×10m(水平方向×水平方向×厚度方向),单元类型为C3D8R,边界条件为控制对应水平向的位移,模型底部约束所有位移。在建立的半刚性基层沥青道面结构三维有限元模型基础上,着重分析三轴双轮机型B777和复杂起落架构型A380两种机型在非均布三维荷载及均布荷载作用下,道面结构内部的力学响应。针对分析得到的力学响应规律,对飞机转弯滑行时半刚性基层沥青道面结构疲劳开裂等控制指标进行检验。半刚性层的疲劳开裂主要通过半刚性基层(底基层)层底水平拉应力控制,设计时采用容许应力法;道面轮辙主要通过沥青层的永久变形进行控制,设计时采用容许应力法;同时为了控制水平荷载作用下沥青路面的剪切破坏,以飞机侧向荷载作用下的沥青面层最大剪应力作为验算指标,对该验算指标采用容许应力法。结果表明:非均布三维荷载作用下,沥青道面发生剪切破坏、轮辙、底基层疲劳破坏的几率大大增加。因此飞机转弯滑行时,必须对半刚性基层沥青道面的疲劳开裂、轮辙以及底基层拉应力进行控制,以确保弯道处沥青道面不会发生剪切破坏。