摘要：为了研究新一代大型飞机作用下水泥道面力学响应多轮叠加效应，本文选择了B777-300、A380-800两种机型和三类水泥道面结构，采用ABAQUS软件构建了三维有限元分析模型，重点分析了横缝板边中、纵缝板边中、板角和板中四个荷位板底弯拉应力的多轮叠加效应。结果表明，新一代大型飞机作用下水泥道面板底弯拉应力多轮叠加效应显著；且轮载越重、主起落架的轮距愈小、水泥道面基础刚度越小，多轮的叠加效应越显著；此外，对于水泥道面板板底弯拉应力，多轮叠加效应从大到小的荷位依次为板中、横缝板边中、纵缝板边中和板角，即荷载作用位置越靠近板中则多轮叠加效应越显著。
关键词：新一代大型飞机；水泥道面。板底弯拉应力。多轮叠加引言
多轮叠加效应指由于起落架轮胎数量的增多导致道面应力、应变或位移较单轮荷载作用下增大或减小的现象0。近年来，以B777系列和A380系列为代表的新一代大型飞机（New Generation Large Aircraft，NGLA）已广泛应用于民航运输。NGLA起落架的构型复杂、覆盖范围广、轴载重、轮压高、制动产生的水平力大0，在这种起落架作用之下，道面力学响应的多轮叠加效应愈加显著。水泥道面是我国机场主导道面类型，为飞机起飞、降落、滑行等运行提供载体，因此研究NGLA作用下水泥道面力学响应的多轮叠加效应现实意义重大。
目前，针对道面力学响应分析，国内外研究较多的采用有限元分析的方法。美国联邦航空管理局(Federal Aviation Administration，FAA)推出的道面设计软件FAARFIELD是以有限元分析为基础的0，凌建明等0采用有限元分析的方法研究了大型军用飞机多轮荷载作用下水泥混凝土道面的结构响应，周正峰等0基于ABAQUS软件构建了机场刚性道面结构有限元分析模型，李巧生等0运用三维有限元分析方法建立了大型特种飞机荷载作用下水泥道面 结构设计方法。此外，张宏等0建立了机场沥青道面结构三维有限元模，研究了复杂起落架飞机A380 荷载作用下沥青道面多轮叠加效应。
综上，基于现有的研究，本文选择了B777-300、A380-800两种新一代大型飞机和三类水泥道面结构，采用ABAQUS软件构建了三维有限元分析模型，重点分析了横缝板边中、纵缝板边中、板角和板中四个荷位板底弯拉应力的多轮叠加效应，成果可为进一步研究新一代大型飞机作用下水泥道面的力学响应多轮叠加效应奠定基础
1新一代大型飞机代表机型及荷载参数
广泛使用的NGLA主要包括B777系列和A380系列，本文选取B777-300和A380-800为代表机型，并选择三轴双轮主起落架作为多轮叠加效应分析荷载，两种机型的三轴双轮主起落架构型如图1。两种代表机型的荷载参数如表1所示。
图1 新一代大型飞机代表机型主起落架构型示意图（单位：m）
表1 新一代大型飞机代表机型荷载参数
表3 道面结构层参数及其取值
2.2模型构建与验证
2.2.1模型构建
本文选择通用有限元软件ABAQUS构建水泥道面结构力学响应三维有限元分析模型，模型如图2所示。
（b）侧视图
图2 水泥道面三维有限元分析模型（单位：m）
其中，水泥道面板平面尺寸为5m×5m，采用9块板模型，中间板为待分析板块；水泥道面板和基层假定为各向同性线弹性材料，地基为winkler地基，采用foundation单元模拟；接缝采用弹簧单元模拟，按照接缝传荷能力的“等效面积”方法0，将接缝总刚度分配到各个节点上，以此在各节点设置相应刚度的弹簧单元，实现接缝传荷的模拟，本文取接缝传荷系数为90%，换算的弹簧单位刚度为8791.8MN/m2；面层和基层间横向采用不连续接触，并用摩擦系数表征，本文取摩擦系数为2.0，竖向为硬接触；道面板和基层四周边界条件为x轴和y轴方向位移为零；道面板和基层采用六面体单元，单元类型为C3D20R0，待分析板块单元尺寸为10 cm，其他板块、上基层和下基层单元尺寸为20 cm；在有限元分析中为了单元划分方便一般把轮印假定成矩形，参考规范0中的计算方法得到有限元计算中的轮印长度和宽度。
2.2.2模型验证
以Ⅰ类道面结构为分析对象，参照规范0方法，计算B777-300三轴双轮起落架荷载作用在纵缝板边时道面板底弯拉应力σe，σe为无限大板板边板底弯拉应力，结果为3.568Mpa。采用本文构建的有限元模型计算，计算的受荷板板底弯拉应力σe1为2.397Mpa，非受荷板板底弯拉应力σe2为1.069MPa，则相同道面结构下，无限大板的板边弯拉应力为σe1+σe20，结果为3.466Mpa。本文有限元模型计算结果比规范计算结果小2.5%，在可接受范围内，表明本文构建的有限元模型有效。
3结果分析和讨论
板底弯拉应力是水泥道面设计的主要参数，本文以道面板底弯拉应力为分析对象研究水泥道面力学响应多轮叠加效应。采用构建的有限元分析模型，分别分析B777-300（或A380-800）三轴双轮主起落架中的单轮荷载和六轮荷载共同作用下道面板底最大弯拉应力，共四个计算荷位：横缝板边中、纵缝板边中、板角和板中，如图3所示。
图3 多轮叠加效应分析计算荷位
（A-横缝板边中；B-纵缝板边中；C-板角；D-板中）
3.1计算结果分析
B777-300和A380-800作用在三类道面结构上的计算结果分别如表4和表5所示。
表4 B777-300三轴双轮起落架与单轮的板底最大弯拉应力计算结果
表5 A380-800三轴双轮起落架与单轮的板底最大弯拉应力计算结果
根据计算结果，计算多轮荷载作用下板底最大弯拉应力和单轮荷载作用下板底最大弯拉应力的比即应力比δ，以δ分析多轮叠加效应，结果如图4和图5。
图5 A380-800三轴双轮起落架与单轮的板底最大弯拉应力比
图4和图5表明，三轴双轮荷载作用下道面结构的板底最大弯拉应力值大于单轮荷载作用下的弯拉应力响应值，可见飞机的相邻轮载之间产生了应力部分叠加，并且多轮叠加现象明显。
图4和图5亦表明，不同的道面结构类型对多轮叠加的响应程度各不相同，不同荷位处，Ⅰ类道面的叠加效应最小，Ⅲ类道面的叠加效应最大，说明道面基础刚度越大，多轮的叠加效应越不明显，且两种代表机型的结果一致；此外，荷载作用位置不同对多轮叠加的响应程度也各不相同，不同作用位置的叠加效应从大到小依次为板中、横缝板边中、纵缝板边中和板角，荷载作用位置越靠近板中则叠加效应越大。对比两种代表机型作用下应力比，发现在同一道面结构和同一荷位下，B777-300轮载的多轮叠加效应比A380-800显著，这与两种机型的轮载大小和起落架轮距差异有关，轮载越重、起落架的轮距愈小则多轮叠加效果愈明显。
3.2讨论
由上分析可见，新一代大型飞机在水泥道面上的多轮叠加效应显著，受起落架构型、轮载大小、飞机荷载作用位置和基层刚度等多方面因素影响，这种多轮的叠加效应在道面力学响应分析中给予足够的重视。同时，随着更多类型大型飞机的出现，多轴多轮的复杂起落架将进一步导致道面力学响应的复杂化，应结合数值分析方法开展广泛研究，以满足道面设计的需要。
4结论
本文以水泥道面板底弯拉应力为分析对象，选择了三类道面结构，研究了B777-300和A380-800两种新一代大型飞机作用下道面的多轮叠加效应，结论如下：
（1）新一代大型飞机作用下水泥道面板底弯拉应力多轮叠加效应显著；
（2）水泥道面基础刚度越小，多轮的叠加效应越显著；
（3）多轮叠加效应从大到小依次为板中、横缝板边中、纵缝板边中和板角，即荷载作用位置越靠近板中则多轮叠加效应越显著；
（4）轮载越重、主起落架的轮距愈小则多轮叠加效应愈显著。
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论文作者:杨山
论文发表刊物:《防护工程》2018年第27期
论文发表时间:2018/12/25
标签：荷载论文; 应力论文; 起落架论文; 效应论文; 水泥论文; 双轮论文; 新一代论文; 《防护工程》2018年第27期论文;