机场跑道安全阻滞系统及其计算机动态仿真的方法

摘要

本发明机场跑道安全阻滞系统，跑道一端或两端设有引导区和阻滞区，阻滞区设有1－3％增量的微小向上纵坡，包括土基上的基础层、中部的阻滞层和上部的保护层，阻滞层由密度为300－500Kg/m3、强度为0.3－0.8MPa且强度沿纵向呈由弱到强递变分布的砼构成，阻滞区设有用于对系统内湿度、温度进行监测和调节的监控装置。本发明还给出了对该系统进行计算机动态仿真的方法，其有益的效果是：由于防止飞机因滑出跑道而造成伤害事故，它成为航空港必备的应急救援地面设备并可推广到军用机场及公路应急救援。该仿真方法可方便快捷地确定阻滞距离和阻滞材料参数，得到构成安全阻滞系统的方案。

说明书

技术领域

本发明涉及土木工程和计算机应用技术领域，特别涉及一种机场跑道安全阻滞系统及其计算机动态仿真的方法。

背景技术

在机场包括军用机场及公路建设工程中，应急救援是一个极其重要的问题。目前，由于机械故障、驾驶员操作失误或偶然不良气候条件影响，飞机在着陆中使滑出跑道的情况缕缕发生，造成飞机的破坏及乘员的伤害。公路工程中出现的类似问题更加严重，事故频繁恶劣。应急救援已经迫在眉捷。应急救援应有效地防止因飞机或车辆滑出跑道或路面而将飞机或车辆安全平稳地阻滞下来，这一课题要求航空港和公路系统必须备有应急救援的地面设备。

发明内容

本发明的目的是克服上述的缺陷，提供一种质量可靠，可以有效地防止飞机滑出跑道的机场跑道安全阻滞系统，同时提供一种用于确定阻滞距离和阻滞材料参数的方便快捷的计算机动态仿真的方法。

为达到上述目的，本发明机场跑道安全阻滞系统，包括跑道及其道肩、与所述跑道一端或两端向外延伸相连的引导区和阻滞区，所述引导区和阻滞区与所述跑道及其道肩同宽，所述引导区长度为50-60米，并设有引导区和进入阻滞区的标志；所述阻滞区长度为100-120米，并设有1-3％增量的纵坡，由密度为300-500Kg/m3、强度为0.3-0.8MPa且强度沿纵向呈由弱到强递变分布的砼构成；所述阻滞区所在的空间内设有用于对系统内湿度、温度进行监测和调节的监控装置。

本发明机场跑道安全阻滞系统，其中所述阻滞区包括土基上的基础层、中部的阻滞层和上部的保护层，其中所述阻滞层厚度为50-70cm，由平面尺寸为1m×1m、厚度为20-80cm的砼预制块堆砌而成，所述砼预制块间用胶结材料密封；所述保护层为2-3cm，所述保护层由水泥砂浆构成。

本发明机场跑道安全阻滞系统，其中所述水泥砂浆中掺有聚乙稀纤维。

本发明机场跑道安全阻滞系统，其中所述的砼为泡沫砼或纤维加强的轻质砼。

本发明的另一目的是提供一种用于上述机场跑道安全阻滞系统的计算机动态仿真的方法。

为达到上述目的，本发明计算机动态仿真的方法，该方法采用计算机动态仿真系统确定阻滞距离以及构成阻滞区的砼的密度和强度，所述计算机动态仿真系统的程序执行如下步骤：

1)启动；

2)建立材料性能数据库和有限元结果数据库，其中，材料性能数据库至少包括在不同的工作环境下，针对不同的阻滞材料密度给出的弹性模量、泊松比、断裂极限、阻尼系数的材料性能试验结果；有限元结果数据库至少包括在不同的工作环境和不同阻滞材料配方情况下，针对不同类型的飞机给出的破坏模式、耗散能量密度及起落架最大等效应力；

3)输入飞机初始状态参数；

4)确定坡阻力和时间步长，并从材料性能数据库和有限元结果数据库中提取材料阻尼参数；

5)按照动力学方程的递推公式进行动力学迭代计算：

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其中M、C和K分别为系统的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵；s_n、z_n和a_n分别为t时刻的位移、速度和加速度；α和δ为与稳定性相关的参数；

6)输出飞机状态参数增量，更新飞机状态参数并判断飞机是否完全阻滞：如果没有完全阻滞，继续按照上述递推公式迭代计算；

7)确定阻滞距离，并判断是否满足设计要求：如果是，确定设计方案，执行步骤8；如果否，更新材料和调整阻尼，修改设计，返回步骤4；

8)结束。

本发明计算机动态仿真的方法，其中所述飞机初始状态参数至少包括飞机质量M₀、进入速度V₀和起落架、胎压各参数。

本发明计算机动态仿真的方法，其中所述步骤6中输出的飞机状态参数增量至少包括位置增量ΔS_i、减速增量ΔV_i和耗能增量ΔU_i。

本发明计算机动态仿真的方法，其中所述步骤5中动力学迭代计算至少包括对飞机状态参数中

位置：S_i+1＝S_i+ΔS_i

速度：V_i+1＝V_i-ΔV_i

和动能：U_i+1＝U_i-ΔU_i

各参数的迭代计算。

本发明机场跑道安全阻滞系统的有益效果是：当飞机由于机械故障、驾驶员操作失误或偶然不良气候条件影响使飞机滑出跑道时，能将飞机安全平稳地阻滞下来，防止因飞机滑出跑道而造成伤害事故，它成为航空港必备的应急救援地面设备并可推广到军用机场及公路应急救援。由于采用计算机动态仿真的方法，可方便快捷地确定阻滞距离和阻滞材料参数，从而得到安全阻滞系统的构成和阻滞材料的强度、密度沿纵向变化的方案。

下面将结合实施例子，并参照附图对本发明进行较为详细地说明。

附图说明

图1是本发明机场跑道安全阻滞系统结构示意图；

图2是图1的断面示意图；

图3是本发明机场跑道安全阻滞系统中阻滞区的断面示意图；

图4是本发明中计算机动态仿真系统的流程图。

具体实施方式

参照图1，本发明机场跑道安全阻滞系统，包括跑道1及其道肩4，跑道1一端或两端依次延伸相连有引导区2和阻滞区3，引导区2和阻滞区3与跑道1及其道肩4同宽。引导区2长度为50-60米，并设有引导区和进入阻滞区的标志，飞机进入此区域驾驶员明确意识到既将引入阻滞区3。

参照图2，阻滞区3长度为100-120米，并设有1-3％增量的微小向上纵坡，以利于飞机减速。阻滞区3由密度为300-500Kg/m³、强度为0.3-0.8MPa且强度沿纵向呈由弱到强递变分布的砼构成，它采用易于破坏的低强度、低密度的砼，可为泡沫砼，也可为纤维加强的轻质砼，依机场主降飞机种类及当地材料情况选定。

参照图3，阻滞区3包括土基34上的基础层33、中部的阻滞层32和上部的保护层31。其中，基础层33与正规跑道基础层相类似，强度、厚度、材料均接近。阻滞层32为易碎的低强度、低密度砼构成，飞机上去之后该层随之被压坏，并形成对飞机继续前进的阻尼作用，此层是本系统的核心构造物。阻滞层32厚度为50-70cm，依该机场主降飞机种、轮胎型式依计算选定。阻滞层32由平面尺寸为1m×1m、厚度为20-80cm的砼预制块堆砌而成。砼预制块间用胶结材料密封。为防止周围大气环境及飞机发动机气流对阻滞层发生破坏作用而加铺的保护层31的厚度为2-3cm，由水泥砂浆构成，水泥砂浆层中可加入聚乙稀纤维。

阻滞区32所在的空间内还设有监控装置，设计监控装置是为了保障阻滞系统的工作稳定，对系统内湿度、温度进行监测和调节的需要。

参照图4，本发明机场跑道安全阻滞系统中采用专用计算机程序进行安全阻滞系统平面尺寸及阻滞材料参数进行计算机动态仿真，该方法有如下步骤：

步骤1，启动；

步骤2，建立材料性能数据库和有限元结果数据库，其中，材料性能数据库至少包括在不同的工作环境下，针对不同的阻滞材料密度给出的弹性模量、泊松比、断裂极限、阻尼系数的材料性能试验结果；有限元结果数据库至少包括在不同的工作环境和不同阻滞材料配方情况下，针对不同类型的飞机给出的破坏模式、耗散能量密度及起落架最大等效应力；

步骤3，输入飞机初始状态参数，这些参数至少包括飞机质量M₀、进入速度V₀和起落架、胎压各参数；

步骤4，确定坡阻力和时间步长，并从材料性能数据库和有限元结果数据库中提取材料阻尼参数；

步骤5，按照动力学方程的递推公式进行动力学迭代计算：

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其中M、C和K分别为系统的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵；s_n、v_n和a_n分别为t时刻的位移、速度和加速度；α和δ为与稳定性相关的参数。迭代计算至少包括对飞机状态参数中

位置：S_i+1＝S_i+ΔS_i

速度：V_i+1＝V_i-ΔV_i

和动能：U_i+1＝U_i-ΔU_i

各参数的迭代计算。

步骤6，输出飞机状态参数增量，更新飞机状态参数并判断飞机是否完全阻滞：如果没有完全阻滞，继续按照上述递推公式迭代计算；其输出的飞机状态参数增量至少包括位置增量ΔS_i、减速增量ΔV_i和耗能增量ΔU_i。

步骤7，确定阻滞距离，并判断是否满足设计要求：如果是，确定设计方案，执行步骤8；如果否，更新材料和调整阻尼，修改设计，返回步骤4；

步骤8，结束。

下面，给出本发明机场跑道安全阻滞系统及其计算机动态仿真方法的实施例，实施例在建立材料性能数据库和有限元结果数据库的条件下启动计算机动态仿真系统。

实施例一：

首先，确定机场主降飞机的种类及其轮胎型式，得到飞机初始状态参数。

机型：B-737-200；飞机着陆重量：475.63KN；起落架个数：2；主起落架荷载分配系数：0.935；主起落架构型：双轮；主起落架轮胎压力：1.15MPa；阻滞区坡度：向上1％；飞机进入阻滞区速度80节；预定阻滞距离35米。

然后，输入以上数据于程序，确定程序中时间步长Δt＝0.2sec，运行程序后得到计算输出结果：阻滞材料模态阻尼比为1.21，并由实验室得到的实验曲线查得阻滞材料密度D＝350kg/m³，以此确定阻滞材料。

机场跑道已知宽度为60米，设计阻滞区的尺寸如下：长100米，宽60米，高0.5米。

依上述密度设计多种强度由弱到强递变的泡沫混凝土配合比，确定砼的构成为厚度50cm，其中阻滞层厚度为48cm，保护层为2cm。制成平面尺寸为1m×1m的砼预块。

进行施工，砼预制块间用胶结材料密封，保护层由水泥砂浆构成。在阻滞区安装用于对系统内湿度、温度进行监测和调节的监控装置。

实施例二：

主降机型：A-310-300；飞机着陆重量：1206.21KN；起落架个数：2；主起落架荷载分配系数：0.942；主起落架构型：双轴双轮；主起落架轮胎压力：1.37MPa；阻滞区坡度：向上1％；飞机进入阻滞区速度70节；预定阻滞距离45米。

然后，输入以上数据于程序，确定程序中时间步长Δt＝0.2sec，运行程序后得到计算输出结果：阻滞材料模态阻尼比为1.65，并由实验室得到的实验曲线查得阻滞材料密度D＝400kg/m³，以此确定阻滞材料。

机场跑道已知宽度为75米，设计阻滞区的尺寸如下：长120米，宽75米，高0.6米。

依上述密度设计多种强度由弱到强递变的泡沫混凝土配合比，确定砼的构成为厚度60cm，其中阻滞层厚度为57cm，保护层为3cm。制成平面尺寸为1m×1m的砼预块。

进行施工，砼预制块间用胶结材料密封，保护层由水泥砂浆构成。在引导区和阻滞区安装用于对系统内湿度、温度进行监测和调节的监控装置。

采用本发明机场跑道安全阻滞系统，当飞机由于机械故障、驾驶员操作失误或偶然不良气候条件影响使飞机滑出跑道时，可以使飞机安全平稳地阻滞下来，防止因飞机滑出跑道而造成飞机及乘员的破坏和伤害。它是航空港必备的应急救援地面设备，也可推广到军用机场及公路应急救援。