基于ANSYS 的機(jī)場重載交通水泥混凝土道面臨界荷位確定

■王建武，李 楊，陳 平，何 波

■1.空軍勤務(wù)學(xué)院學(xué)院一大隊，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。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。

1 有限元法及ANSYS 簡介

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，施加荷載及邊界條件等;在POST1 和POST26 模塊中，獲取結(jié)果并實時顯示，最終選擇以圖形或數(shù)據(jù)列表的形式進(jìn)行輸出。

2 機(jī)場重載交通水泥混凝土道面臨界荷位的確定

2.1 幾點假設(shè)

建模之前，考慮到有限元模型與道面實體模型之間的差異，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］。

2.2 確定參數(shù)及建立模型

(1)定義材料的實常數(shù):本模型中有水泥混凝土道面、基層、壓實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)。

2.3 機(jī)場重載交通道面荷載的確定

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

2.4 結(jié)果分析

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(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。

3 結(jié)語

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.