劉文芝,鄧月秋,何潔茹
(內蒙古工業大學 航空學院,內蒙古 呼和浩特 010051)
機場跑道是飛機載荷的主要承載區域,ICAO 規定,起飛重量超過5 700 kg 的飛機,用飛機等級序號ACN 和道面等級序號PCN 的方法來確定飛機壓強和跑道強度間的關系;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,根據承載機型的不同,機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度,另一方面還需考慮其承載變形問題。雖然通航機場運行的飛機機型一般為中小型飛機,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,對飛機和人員的安全產生威脅。因此,在跑道承載機型一定的前提下,道面材料承載能力的影響問題,是保證飛行和機場運行安全的關鍵。
基于以上問題,本文以飛行區指標Ⅱ為B 的通用航空機場跑道道面承載能力問題為算例,在A 類通航飛機總體設計[2]的基礎上,最大承載起飛重量為9 975 kg,考慮機輪間距以及機輪與道面間的摩擦,建立飛機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,在飛機載荷作用下,不均勻下沉和承載能力問題。
結合MH/T 5004—2010《民用機場水泥混凝土道面設計規范》[3]設置道面結構及相關參數。道面干燥時,機輪與道面間的靜摩擦因數為0.4~0.8,取0.6。
前起落架機輪與主起落架機輪分別與跑道表面接觸。根據機體和跑道參數,建立飛機與道面摩擦接觸有限元計算模型,如圖1 所示。
圖1 飛機與道面摩擦接觸有限元計算模型
在飛機載荷作用下,水泥混凝土干燥道面的Z、X和Y 方向的應力計算結果如圖2-圖4 所示。
圖2 Z 方向的應力
圖3 X 方向的應力
圖4 Y 方向的應力
由圖2-圖4 可知,在飛機最大重量載荷作用下,后主起落架機輪對道面的壓力大于前起落架機輪的壓力。Z、X 和Y 方向的應力極值分別為2.16、1.44 和1.49 MPa;在垂直跑道面的Z 方向,應力最大,產生在機輪作用面的中心位置。由于摩擦的存在,X 和Y 方向的應力極值,分別產生在機輪壓縮變形趨勢方向。
對于飛行區指標Ⅱ為B 的機場,滿足水泥混凝土道面4.5 MPa 的強度要求。因此,該水泥混凝土道面,滿足強度要求。
1.3.1 沉降區域
在飛機載荷作用下,水泥混凝土干燥道面的Z、X 和Y 方向的變形作用區域的計算結果,如圖5-圖7 所示。
圖5 Z 方向的變形作用區域
圖6 X 方向的變形作用區域
由圖5-圖7 可知,在飛機載荷作用下,水泥混凝土干燥道面沿垂向Z 方向主要向深度方向延伸;在機輪變形和機體載荷共同作用下,沿道面寬度X 方向,道面變形有一定擴展;而沿道面長度Y 方向,道面變形擴展最為嚴重,前起落架和主起落架的作用下,變形區域級別連通。因此,跑道道面如果出現強度不足,其裂紋主要向長度方向擴展。
1.3.2 沉降量
在飛機載荷作用下,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,同時強度滿足要求,因此,正常承載情況下,不會有微裂紋的產生;道面第二層會受機體載荷一定程度的影響,其余層強度支撐作用很好。
結合MH/T 5010—2017《民用機場瀝青道面設計規范》[4]設置道面結構及相關參數。道面干燥時,機輪與道面間的靜摩擦因數為0.4~0.8,取0.7。
在飛機載荷作用下,瀝青混凝土干燥道面的Z、X和Y 方向的應力計算結果,如圖11-圖13 所示。
圖11 Z 方向的應力
圖12 X 方向的應力
圖13 Y 方向的應力
由圖10-圖13 可知,與水泥混凝土道面相比,在飛機載荷作用下,瀝青混凝土的較軟的材料和較大的變形,使得在飛機最大重量載荷作用下,Z、X 和Y 方向的應力極值分布并不相同;由于瀝青道面較軟,且層數多,三個方向的應力極值逐漸減??;垂直道面的Z 方向,前起落架和主起落架機輪對道面承載能力影響皆大,最大應力為0.131 MPa,滿足道面材料0.44 MPa 許用應力要求。
在飛機載荷作用下,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,其余層強度支撐作用很好。
對飛行區指標Ⅱ為B 的通航機場,以水泥混凝土道面和瀝青道面為算例,建立了飛機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度和不均勻下沉的情況,用CAE 方法進行了對比分析,簡單直觀易于理解;計算中未考慮地區環境溫度、濕度以及飛機著陸沖擊力等對跑道道面材料性能的影響。計算結果表明,在靜載荷作用下,水泥混凝土干燥道面主要失效形式是強度,而瀝青混凝土道面的主要失效形式是變形。