一种飞机多轮荷载作用下沥青道面高温抗剪性能评价系统及方法

摘要

一种飞机多轮荷载作用下沥青道面高温抗剪性能评价系统及方法，本发明涉及飞机多轮荷载作用下沥青道面高温抗剪性能评价系统及方法。本发明的目的是要解决目前评价精度低的问题。飞机多轮荷载作用下沥青道面高温抗剪性能评价系统由底座平台(1)、贯入轴(2)、螺母(3)、升降杆(4)和荷载特征调节圆盘(5)组成；升降杆(4)一端与荷载特征调节圆盘(5)相连，另一端与材料试验机相连；荷载特征调节圆盘(5)上周向均匀设置4个通孔，贯入轴(2)的一端分别通过荷载特征调节圆盘(5)上周向均匀设置的4个通孔，分别用螺母(3)进行固定，贯入轴(2)的另一端分别固定在沥青混合料试件的上表面。本发明应用于沥青道面评价领域。

说明书

技术领域

本发明涉及飞机多轮荷载作用下沥青道面高温抗剪性能评价系统及方法。

背景技术

目前，机场沥青道面高温性能普遍采用公路工程领域的车辙试验进行评价，以公路设 计标准轴载0.7MPa，和单轮荷载作用形式作为高温性能的评价指标和方法。然而，近年 来，各大飞机制造厂商均致力于大型民用客机技术的研制，空客380、波音787等新一代 大飞机(NewGenerationLargeAircraft,NGLA)不断问世，为了承受新一代大飞机的巨大重 量，其起落架构型与以往的机型相比有较大差别，例如A380-800飞机，最大起飞重562 吨，主起落架由两侧起落架和中起落架组成，其中侧起落架各6个轮子，中起落架各4 个轮子，主起落架的轮子数目达20个，平均轮压达1.5MPa，由此可见，以公路工程荷载 特点为基础的沥青混合料高温性能评价方法难以体现飞机多轮重载特点，进而造成机场沥 青道面高温性能无法合理评价，阻碍了机场沥青道面材料设计的发展。

从结构形式及材料使用上，机场沥青道面与高等级公路类似，但机场沥青道面结构特 点使机场沥青跑道在实际应用过程中存在一些较高等级公路更为严重的问题，如跑道端部 及滑行等待、转弯位置的轮辙问题十分突出。机场道面轮辙的发生直接影响到机场的安全 运营——大大增加了飞机轮胎、涡轮发动机和机身破坏的可能性，也增大了飞机滑跑时偏 离轨道的概率。

剪切破坏是机场沥青道面加铺层在高温条件下出现的最主要破坏形式，因此，提出飞 机多轮荷载作用下沥青道面高温抗剪性能评价方法是十分必要和有意义的。

综上，目前机场沥青道面高温性能评价延用公路工程的相关评价方法，未考虑飞机多 轮荷载作用下沥青道面高温抗剪破坏，导致评价精度低，所以需针对沥青道面主导高温破 坏形式，提供一种飞机多轮荷载作用下沥青道面高温抗剪性能评价方法。

发明内容

本发明的目的是要解决目前机场沥青道面高温性能评价延用公路工程的相关评价方 法，未考虑飞机多轮荷载作用下沥青道面高温抗剪破坏，导致评价精度低的问题，而提供 一种飞机多轮荷载作用下沥青道面高温抗剪性能评价系统及方法。

上述的发明目的是通过以下技术方案实现的：

一种飞机多轮荷载作用下沥青道面高温抗剪性能评价系统，其特征在于，所述的飞机 多轮荷载作用下沥青道面高温抗剪性能评价系统由底座平台、贯入轴、螺母、升降杆和荷 载特征调节圆盘组成；

升降杆一端与荷载特征调节圆盘相连，另一端与材料试验机相连；贯入轴的一端分别 通过荷载特征调节圆盘上的4个通孔，分别用螺母将通过4个通孔的贯入轴进行固定，贯 入轴的另一端分别固定在沥青混合料试件的上表面，沥青混合料试件的下表面固定在底座 平台上。

一种飞机多轮荷载作用下沥青道面高温抗剪性能评价方法具体是按照以下步骤进行 的：

步骤一、将待测试的沥青混合料试件进行干燥至恒重；

步骤二、将步骤一干燥至恒重后的沥青混合料试件放入达到试验温度的控温箱中恒温 4-8小时，使沥青混合料试件内部温度达到试验温度；

其中，试验温度是预先设置的；

步骤三、根据测试机型轮径比和轴径比确定荷载特征调节圆盘上4个通孔的位置，将 4根贯入轴的一端分别插入荷载特征调节圆盘上4个通孔的位置，并运用螺母将4根贯入 轴分别固定在荷载特征调节圆盘上；升降杆一端与荷载特征调节圆盘相连，另一端与MTS 或UTM相连，MTS为材料试验机，UTM为万能试验机；

步骤四、根据测试机型轮径比和轴径比确定校准垫片圆心位置及直径，制作校准垫片 及校准垫片的四个通孔；将校准垫片放到恒温后的沥青混合料试件的上表面，沥青混合料 试件的上表面边缘与校准垫片的边缘对准，贯入轴另一端对准校准垫片的四个通孔，撤下 校准垫片，恒温后的沥青混合料试件的下表面固定在底座平台上；

步骤五、启动MTS或UTM，通过MTS或UTM带动升降杆运动对沥青混合料试件 施加力，直至沥青混合料试件破坏，记录贯入深度-贯入荷载曲线；

步骤六、将步骤五获得的贯入深度-贯入荷载曲线中的贯入深度-贯入荷载除以4根贯 入轴与沥青混合料试件上表面的总接触面积，获得4根贯入轴作用时的贯入深度-贯入荷 载曲线；

计算贯入深度-贯入荷载曲线中弹性拐点到破坏拐点间的弹性工作段线段斜率，并以 此指标作为评价多轮荷载作用下沥青道面高温抗剪切破坏的指标。

发明效果

采用本发明的一种飞机多轮荷载作用下沥青道面高温抗剪性能评价系统及方法，是在 传统沥青混合料单轴贯入试验基础上，考虑飞机多轮荷载的叠加效应而开发的一种室内小 型评价系统和方法，其可合理、准确评估机场沥青道面在飞机多轮荷载作用下的高温抗剪 切性能，可用于机场沥青混合料高温抗剪切性能的评价，也将为公路工程沥青路面多轮叠 加荷载作用下性能的准确评估奠定基础。由实施例2中图9可以看出，采用本发明试验方 法，即四点贯入试验得到的贯入强度为4.1MPa，而传统的未考虑多轮荷载叠加作用得到的 贯入强度则为8.3MPa，单轴贯入试验与四点贯入试验结果的显著差异体现了飞机多轮荷载 叠加作用对沥青道面的影响。因此，采用本试验方法评价沥青道面在飞机多轮荷载作用下 的沥青道面高温抗剪能力更合理，评价精度可提高51％，解决了以往以公路沥青路面评价 方法导致的评价准确率低的问题，对于改善目前机场沥青道面高温性能评价方法匮乏的现 状具有重要的经济效益和社会意义。

附图说明

图1为测试装置示意图，x为x轴，y为y轴，z为z轴；

图2为测试装置示意图；

图3为荷载特征调节圆盘示意图，A380为空中客车A380型飞机的简写，B777为美 国波音公司波音777型飞机的简写，单位为mm；

图4为A380机型校准垫片示意图，x为x轴，y为y轴；

图5为测试装置实物图；

图6为AC20沥青混合料贯入深度-贯入应力曲线图

图7为贯入试验过程中集料倾角的变化图；

图8为轮辙试验过程中集料倾角的变化图；

图9为试件开裂方向示意图；

图10为试件Mises应力叠加云图，S，mises应力是一种基于屈服准则的等效应力， Avg：75％为在计算软件输出文件中对节点计算的设置，可忽略。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1、图2和图5说明本实施方式，一种飞机多轮荷载作用下 沥青道面高温抗剪性能评价系统，其特征在于，所述的飞机多轮荷载作用下沥青道面高温 抗剪性能评价系统由底座平台1、贯入轴2、螺母3、升降杆4和荷载特征调节圆盘5组成；

升降杆4一端与荷载特征调节圆盘5相连，另一端与材料试验机相连；贯入轴2的一 端分别通过荷载特征调节圆盘5上的4个通孔，分别用螺母3将通过4个通孔的贯入轴2 进行固定，贯入轴2的另一端分别固定在沥青混合料试件的上表面，沥青混合料试件的下 表面固定在底座平台1上；所述多轮为大于等于1小于等于12，所述高温为大于等于75℃ 小于等于80℃。

荷载特征调节圆盘上的通孔，可实现不同飞机机型轮距/轴距的准确模拟：其中上下 最外四个圆孔模拟A380飞机轮径比和轴径比而得到的孔位，上下内侧四个圆孔模拟B777 飞机轮径比和轴径比而得到的孔位，上下左右的长条型圆孔可模拟任意轮径比/轴径比飞 机的起落架荷载，如图3。材料试验机(MTS)内的底座平台用于放置和固定试件，以开展 试验；

具体实施方式二、本实施方式与具体实施方式一不同的是，所述贯入轴2与沥青混合 料试件的上表面之间分别设置直径为30mm的圆形橡胶片。

具体实施方式三、本实施方式与具体实施方式一或二不同的是，所述荷载特征调节圆 盘5上周向均匀设置4个通孔。

具体实施方式四、一种飞机多轮荷载作用下沥青道面高温抗剪性能评价方法，其特征 在于，一种飞机多轮荷载作用下沥青道面高温抗剪性能评价方法具体是按照以下步骤进行 的：

步骤一、将待测试的沥青混合料试件进行干燥至恒重，沥青混合料由机场沥青道面用 沥青混合料按工程要求比例拌制而成；

步骤二、将步骤一干燥至恒重后的沥青混合料试件放入达到试验温度的控温箱中恒温 4-8小时，使沥青混合料试件内部温度达到试验温度；

其中，试验温度是预先设置的；

步骤三、根据测试机型轮径比和轴径比确定荷载特征调节圆盘5上4个通孔的位置(在 实际使用过程中，需要技术人员首先明确不同机型的轮径比和轴径比；依据确定的轮径比 和轴径比，在荷载调节圆盘上量取相应的位置，并安装贯入轴)，将4根贯入轴2的一端 分别插入荷载特征调节圆盘5上4个通孔的位置，并运用螺母3将4根贯入轴2分别固定 在荷载特征调节圆盘5上；升降杆4一端与荷载特征调节圆盘5相连，另一端与MTS或 UTM相连，MTS为材料试验机，UTM为万能试验机(UniversalTestingMachine)；

步骤四、根据测试机型轮径比和轴径比确定校准垫片圆心位置及直径，制作校准垫片 及校准垫片的四个通孔(校准垫片采用硬纸张裁剪而成)(在实际使用过程中，需要技术 人员首先明确不同机型的轮径比和轴径比；依据确定的轮径比和轴径比，在校准垫片上量 取相应的位置，即校准垫片的四孔)；将校准垫片放到恒温后的沥青混合料试件的上表面， 沥青混合料试件的上表面边缘与校准垫片的边缘对准，贯入轴2另一端对准校准垫片的四 个通孔，撤下校准垫片，恒温后的沥青混合料试件的下表面固定在底座平台1上；

步骤五、启动MTS或UTM，通过MTS或UTM带动升降杆4运动对沥青混合料试 件施加力，直至沥青混合料试件破坏，记录贯入深度-贯入荷载曲线；

步骤六、将步骤五获得的贯入深度-贯入荷载曲线中的贯入深度-贯入荷载除以4根贯 入轴2与沥青混合料试件上表面的总接触面积，获得4根贯入轴2作用时的贯入深度-贯 入荷载曲线；

计算贯入深度-贯入荷载曲线中弹性拐点到破坏拐点间的弹性工作段线段斜率，并以 此指标作为评价多轮荷载作用下沥青道面高温抗剪切破坏的指标；

所述多轮为大于等于1小于等于12，所述高温为大于等于75℃小于等于80℃。

实施例1：

a.基于飞机荷载相似性原理与加载过程的边界效应，结合室内沥青混合料成型尺寸的 能力，确定试验用沥青混合料试件尺寸为直径×高＝150mm×85mm；加载贯入柱的直径为 20mm。

b.试验前将试件置入MTS的恒温室中，60℃恒温4h以上；

c.制作模拟机型的校准垫片，如图4，校准垫片可采用硬纸张裁剪而成，垫片为直径 150mm的圆盘，上有以模拟机型轮径比和轴径比圆心位置的直径为30mm的圆孔。

d.将装置安装到MTS试验机上，将试件放到夹具下方，试件的顶面边缘与校准垫片 的边缘对准，装置的贯入轴四脚与准校准圆片的四孔对应，取下校准垫片进行试验；

e.试验荷载加载为应变控制模式，频率为1mm/min；

f.试验中，通过贯入轴对沥青混合料试件进行贯入试验，至试件破坏；绘制试件加载 -破坏全过程的贯入深度-贯入应力曲线，以贯入荷载增长率作为指标评价，评价用于机场 的沥青混合料高温抗剪性能。图6为AC20沥青混合料贯入深度-贯入应力曲线图。

实施例2：

为验证本发明所开发方法的材料变形特征与实际机场沥青道面永久变形的相关关系， 采用轮辙试验与本发明所提出方法的细观变形特征进行对比分析；

具体过程如下：

(1)按质量分数称取31份的10-20mm集料，21份的5-10mm集料，11份的3-5mm集 料，28份的0-3mm集料，4份的矿粉，及5份沥青制备沥青混合料试件；

(2)采用旋转压实成型方法成型直径×高＝150mm×85mm的沥青混合料试件，用于本发 明所提出的飞机多轮荷载作用下沥青道面高温抗剪性能测试装置的分析；

(3)采用轮碾成型法成型长×宽×高＝300mm×300mm×50mm的试件，用于模拟车轮荷载 作用下沥青混合料的变形特征。

(4)在60℃条件下，分别开展相应的试验；通过工业CT观测两种试验方法间的集料 倾角变化情况，据此对比评价本发明所开发方法的材料变形特征与实际机场沥青道面永久 变形的相关性。

图7为采用本发明提出的飞机多轮荷载作用下沥青道面高温抗剪性能测试方法试验 前后集料倾角的变化规律；图7为采用车辙试验方法试验前后集料倾角的变化规律。

对比图7与图8，两种作用方式下，沥青混合料集料倾角都主要由60°～90°倾角向 40°～60°转变，其中车辙作用下，集料20°～40°集料倾角也向小偏角转移，而贯入剪切时， 0°～20°集料倾角也向20°～60°偏角转移，总体来说，本发明所述试验中集料小倾角和大倾 角均向中间倾角转移，车辙试验也有类似的趋势，40°～60°集料倾角概率保持了绝对增加， 而60°～90°的集料倾角的概率保持了绝对减少。说明，对于试件截面集料倾角一方面向稳 定方向发展，一方面也发生了倾角的增大，这个特点是相似的。因此，可以说明本发明所 开发方法的材料变形特征与实际机场沥青道面永久变形的变形特征具有良好的相似性，可 用于飞机多轮荷载作用下沥青道面高温性能的评价。

贯入剪切试验后试件的开裂方向如图9所示，可以看出试件的开裂方向为加载点的连 接方向，这与图10中理论模型计算得到的试件内部Mises应力叠加方向是一致的，说明 了试验过程中试件开裂机理。