■王建武,李 楊,陳 平,何 波
■1.空軍勤務(wù)學(xué)院學(xué)院一大隊(duì),江蘇 徐州 221000;2.空防一處,北京 100000;3.南京軍區(qū)空軍后勤部機(jī)場營房處,江蘇 南京 210018
隨著當(dāng)前以建設(shè)滿足多機(jī)種、大容量等使用要求的綜合保障基地的提出,機(jī)場道面的設(shè)計工作面臨著更加嚴(yán)峻的考驗(yàn)。機(jī)場水泥混凝土道面作為我軍機(jī)場的最主要的依托,其結(jié)構(gòu)設(shè)計理論及方法也應(yīng)與時俱進(jìn)。臨界荷位是指,在機(jī)場道面結(jié)構(gòu)設(shè)計中,水泥混凝土道面結(jié)構(gòu)內(nèi)部在機(jī)輪荷載作用下,荷載應(yīng)力所產(chǎn)生的疲勞損耗為最大的輪載作用位置。臨界荷位作為機(jī)場水泥混凝土道面設(shè)計的重要指標(biāo),其選取對于設(shè)計滿足多機(jī)種、高飛行架次的綜合保障基地的機(jī)場道面結(jié)構(gòu)、提高其使用性能及壽命至關(guān)重要。本文通過ANSYS 軟件,研究重載交通下不同荷載作用在道面板的不同位置時板底拉應(yīng)力的分布規(guī)律,進(jìn)而確定機(jī)場重載交通水泥混凝土道面的臨界荷位。
有限元法,即有限元分析,是一種用于求解微分方程組或積分方程組數(shù)值解的數(shù)值技術(shù),其求解數(shù)理方程的一種數(shù)值計算方法,是解決工程問題的一種強(qiáng)有力的計算工具,應(yīng)用較為廣泛,涉及彈性力學(xué)、塑性力學(xué)、動力學(xué)以及穩(wěn)定性問題等范疇[1]。擬通過ANSYS 軟件進(jìn)行分析,分析時一般經(jīng)過以下三個步驟:(1)模型的建立;(2)加載求解;(3)輸出分析的結(jié)果。在PREP7 模塊中,通過參數(shù)的定義,模型的建立以及網(wǎng)格的劃分,以得到實(shí)體單元網(wǎng)格模型;在SOLUTION 模塊中,根據(jù)施加的荷載及所求的響應(yīng)定義分析的類型,設(shè)置對應(yīng)的分析選項(xiàng),施加荷載及邊界條件等;在POST1 和POST26 模塊中,獲取結(jié)果并實(shí)時顯示,最終選擇以圖形或數(shù)據(jù)列表的形式進(jìn)行輸出。
建模之前,考慮到有限元模型與道面實(shí)體模型之間的差異,有必要對各結(jié)構(gòu)層作如下基本假設(shè):(1)各層材料為均勻、連續(xù)、各向同性彈性體,以彈性模量和泊松比表征其彈性性質(zhì);(2)各結(jié)構(gòu)層之間的接觸面假定為完全連續(xù),層間為連續(xù)接觸;(3)應(yīng)力計算時,各層材料的彈性模量、泊松比等參數(shù)不隨外界條件變化而改變;(4)不計各結(jié)構(gòu)層自重的影響[2]。
(1)定義材料的實(shí)常數(shù):本模型中有水泥混凝土道面、基層、壓實(shí)土基等幾種不同參數(shù)的材料,分別定義它們的彈性模量、泊松比、密度,具體參數(shù)見1。其中,面層:h1=0.25m,E1=36000MPa,μ1=0.15,ρ1=2400kg/m3;基層:h2=0.40m,E2=300MPa,μ2=0.25,ρ2=2100kg/m3;土基:h3=10m,E3=80MPa,μ3=0.35,ρ3=1800kg/m3。
(2)幾何模型:根據(jù)實(shí)際受力情況,只建立一塊機(jī)場水泥混凝土面層(尺寸為5m ×5m)進(jìn)行研究,為了準(zhǔn)確模擬,基層、壓實(shí)土基的長寬分別為面層的2 倍。
(3)有限元模型的建立:在有限元建立的過程中為了兼顧計算的準(zhǔn)確性和計算效率,在靠近新混凝土板的部分建立較密網(wǎng)絡(luò),遠(yuǎn)離部分建立較為稀疏的網(wǎng)絡(luò)。
綜合保障基地中的重載交通情況較為復(fù)雜,其所保障的機(jī)型種類較多,在此不便一一陳述、分析。本文擬采用× ×、× ×以及× ×三種機(jī)型分別代表殲擊機(jī)、轟炸機(jī)和運(yùn)輸機(jī),作為綜合保障基地中重載交通的代表機(jī)型進(jìn)行臨界荷位的研究,其部分參數(shù)見表1。本文中,主要考慮單個機(jī)輪的動荷載作用下,機(jī)場水泥混凝土道面的臨界荷位。
表1 重載交通若干機(jī)型飛機(jī)部分參數(shù)表
為最終確定臨界荷位,結(jié)合應(yīng)力云圖,分別選擇板中部、縱縫邊緣以及橫縫邊緣三個方向(說明如圖1 所示)作為對象,分析不同荷位時,板底拉應(yīng)力的變化情況,以確定臨界荷位的位置。根據(jù)對稱性,擬選取板的左下角四分之一板進(jìn)行研究,如圖1 中黑色陰影部分所示,分別收集三個方向不同位置點(diǎn)的板底彎拉應(yīng)力值進(jìn)行分析,見表2。
圖1 臨界荷位示意圖
表2 板底部分位置拉應(yīng)力
通過表2,可以明顯得出以下結(jié)論:(1)當(dāng)機(jī)輪荷載沿板縱縫中垂線(y=2.5m)由板縱縫邊緣中點(diǎn)(x=0)向板中部(x=2.5m)移動時,板底拉應(yīng)力呈減小趨勢,板縱縫邊緣中部時最大,在板中部時最小;(2)當(dāng)機(jī)輪荷載作用于橫縫邊緣(y=0)時,板底拉應(yīng)力明顯小于機(jī)輪荷載作用在板縱縫中垂線處時的應(yīng)力,在機(jī)輪荷載作用于板角隅處時的應(yīng)力比作用于板縱縫邊緣中部時的應(yīng)力小;(3)當(dāng)機(jī)輪荷載從板角(x=0,y=0)沿縱縫邊緣(y=0)向中部(y=2.5m)移動時,板底拉應(yīng)力呈增大趨勢,在縱縫邊緣中部時(x=0,y=2.5m)達(dá)到最大;(4)在機(jī)輪荷載作用于板的不同位置中,當(dāng)作用于板縱縫邊緣中部時,板底拉應(yīng)力達(dá)到最大值,且該點(diǎn)處于板底縱縫邊緣中部;(5)當(dāng)不同的機(jī)輪荷載作用于同一位置時,機(jī)輪荷載越大,其所對應(yīng)的板底拉應(yīng)力也越大。
綜上所述,當(dāng)輪載作用于板縱縫邊緣中部時(圖1 中的黑色圓),板底產(chǎn)生的拉應(yīng)力最大,是機(jī)場重載交通水泥混凝土道面的臨界荷位。
本文通過ANSYS,建立機(jī)場重載交通下水泥混凝土道面層狀結(jié)構(gòu)模型,選取常見幾種飛機(jī)作為代表機(jī)型,取其單輪動荷載,分別施加在四分之一道面板的不同位置,重點(diǎn)研究在不同荷載作用下,板底的不同位置處拉應(yīng)力的分布情況。通過分析,發(fā)現(xiàn):相同機(jī)輪荷載作用在道面的不同位置時,最大板底拉應(yīng)力出現(xiàn)在板縱縫邊緣中部位置;不同的機(jī)輪荷載作用在板縱縫邊緣中部時,荷載值越大,其對應(yīng)的板底拉應(yīng)力也就越大。綜上,機(jī)場重載交通下,水泥混凝土道面的臨界荷位處于板底縱縫邊緣中部。
[1]何國本,陳天宇,王洋.ANSYS 土木工程應(yīng)用實(shí)例(第三版)[M].中國水利水電出版社,2011.
[2]劉翔翔.連續(xù)配筋混凝土道面結(jié)構(gòu)研究[D]:徐州:空軍勤務(wù)學(xué)院,2014.