飞机多轮荷载作用下沥青道面高温变形叠加效应研究

摘要

飞机多轮起落架通过道面某一点时，多轮荷载就会在道面内部产生应力干涉和叠加现象，然而，机场沥青混合料高温性能的评价通常沿用公路工程的试验方法，无法考虑飞机起落架多轮荷载叠加和干涉对沥青道面高温变形的影响。这种不合理的材料评价导致机场沥青道面在高温条件下极易发生轮辙损坏，影响机场的安全运营。鉴于此，本文在充分分析机场沥青道面多轮荷载下道面力学响应叠加特性的基础上，研究飞机多轮荷载作用下沥青混合料高温变形叠加效应评价方法，进而对多轮荷载下沥青混合料高温破坏叠加效应、影响因素等问题开展研究，从而为科学合理地评价机场沥青道面材料的抗轮辙性能提供依据。
　　基于光纤光栅传感技术和局域网技术在机场道面建立机场沥青道面结构信息无线传输实时监测系统，获取了飞机荷载作用位置、飞机滑跑速度、沥青道面温度、沥青道面应力应变响应时程及荷载叠加特性等信息。依据监测信息基于ABAQUS软件建立了机场沥青道面道面粘弹性-非均布移动荷载有限元模型，通过现场监测结果对模型进行验证。提取了6处代表性位置的应力和应变沿沥青面层深度的分布曲线，结果表明，在多轮荷载包围区域内部，剪应力和剪应变叠加减小，水平向正应力叠加增大，三向正应变增大；在多轮荷载包围区域外侧，剪应力和剪应变叠加增大，水平向正应力和正应变叠加增大。可以判断得出，多轮荷载作用下荷载包围区域内部易于发生隆起变形，荷载包围区域外侧更易发生剪切破坏。确定4轮荷载作为多轮叠加效应的分析对象。
　　针对飞机多轮荷载引起的道面力学响应叠加特点，开发了可反映该力学特点的四点贯入剪切试验夹具和试验方法，基于ABAQUS软件建立了四点贯入剪切试验模型，对关键点处的应力应变分析表明，四点贯入剪切试验具有飞机多轮荷载下沥青道面的力学分布特征。通过对不同高径比的模型进行计算，确定了试件的合理尺寸。采用工业CT技术，对四点贯入剪切试验过程中试件的集料倾角变化规律与车辙试验的集料倾角变化规律进行比对，发现二者具有相似的变化趋势，从变形特性上验证了试验方法的可行性。将四点贯入剪切试验的破坏模式与单轴贯入剪切标准试验的破坏模式进行了对比分析，且通过排除试件发生压缩破坏试验，证明了四点贯入剪切试验反映剪切破坏的有效性。
　　采用四点贯入剪切试验和单轴贯入剪切试验对比分析荷载叠加作用对贯入剪切试验指标的影响。同时采用四点贯入剪切疲劳试验和单轴贯入剪切疲劳试验比对，分析荷载叠加作用对沥青混合料粘弹性参数的影响，采用五元件损伤耦合模型分析四点贯入剪切疲劳试验对沥青混合料蠕变损伤的影响。贯入剪切试验指标的变化、粘弹性参数的变化和损伤曲线均表明，荷载叠加作用加大了沥青混合料发生高温变形破坏的可能性。通过对8种沥青混合料得出的贯入强度、抗剪强度、贯入荷载增长率、剪切疲劳寿命和损伤因子的单因素方差分析和与动稳定度的灰关联分析，表明贯入荷载增长率是评价荷载叠加下混合料高温变形的敏感性指标，且与动稳定度的关联性最好，基于该指标提出考虑多轮叠加效应动稳定度DS*的试验流程。
　　依托贯入荷载增长率指标对多轮荷载作用下沥青混合料高温变形叠加效应的影响因素进行了分析，采用正交试验设计分析了叠加效应的主导影响因素及显著的影响因素，基于离散元方法分析了主要影响因素的作用机理。结果表明，级配及骨架结构是影响高温变形叠加效应的主导影响因素，离散元计算结果表明，骨架结构沥青混合料的剪应力叠加增大效应更强，引起的破坏更大。
　　基于相似性理论开发了适用于评价飞机多轮荷载下沥青混合料轮辙变形的多轮轮辙仪。采用ABAQUS软件建模分析了试验轮的布排方式、试件的合理尺寸等关键问题，基于光纤光栅传感技术建立了试件压实监测方法，提出了分层压实工艺。通过仪器标定，确定了多轮轮辙仪的控制参数。通过试件内部埋设的光纤光栅传感器传出信息证明了试件内部应力叠加的存在性。通过对沥青混合料轮辙变形实测，验证了上述试验结论。

目录

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 课题来源及主要研究内容

第2章 机场沥青道面力学响应监测与模拟分析

2.1 监测道面概况

2.2 机场沥青道面无线传输监测系统建立

2.3 机场沥青道面监测结果分析

2.4 机场沥青道面数值模拟计算

2.5 本章小结

第3章 飞机多轮荷载下混合料贯入剪切试验方法开发

3.1 四点贯入剪切试验方法设计

3.2 夹具开发及力学计算结果验证

3.3 变形特性验证

3.4 四点贯入剪切试验的破坏模式分析

3.5 本章小结

第4章 基于贯入试验的混合料高温变形叠加效应研究

4.1 原材料性质及配合比设计

4.2 基于贯入剪切试验的叠加效应分析

4.3 基于剪切疲劳试验的叠加效应分析

4.4 高温变形叠加效应评价指标分析

4.5 本章小结

第5章 沥青混合料高温变形叠加效应影响因素研究

5.1 叠加效应影响因素分析

5.2 叠加效应主导因素分析

5.3 叠加效应主导因素的作用机理

5.4 本章小结

第6章 基于多轮轮辙试验的高温变形叠加效应验证

6.1 基于相似性原理的多轮轮辙仪设计

6.2 多轮轮辙仪试件压实控制方法

6.3 多轮轮辙试验参数确定

6.4 力学响应叠加效应

6.5 轮辙叠加效应验证

6.6本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢

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