CN101603285A - 一种跑道拦阻系统及其拦阻性能的预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种跑道拦阻系统，是在跑道一端或两端铺设拦阻区，该拦阻区由密度为200～500Kg/m³，强度为0.1～0.8MPa的泡沫水泥构成，宽度与跑道宽度相同。本发明给出了适用于测试泡沫水泥性能的方法以及配套的反演方案，包括测试静态力学性能的准静态加载技术和测试动态力学性能的动态加载技术，并最终确定材料本构参数的反演算法。这些方法可以有效确定泡沫水泥的性能，为其工程使用提供依据。本发明还给出了对该系统进行拦阻性能预测方法，该方法可方便快捷地确定拦阻距离等拦阻参数，得到构成拦阻系统的方案，避免由于飞机滑出跑道而造成伤害事故。

Description

一种跑道拦阻系统及其拦阻性能的预测方法

技术领域

本发明涉及一种跑道拦阻系统及其拦阻性能的预测方法。

背景技术

目前，由于机组原因、天气、机场等诸多因素，飞机滑出跑道的事故时常发生，造成了飞机的破坏及人员的生命损失。而且对于现有存在条件限制的机场，例如安全跑道长度受周边环境的限制而不能达到安全长度，存在很大的安全隐患。为了防止飞机冲出跑道，保障人机安全，对这些机场增加跑道拦阻系统以提高机场安全系数，是机场建设的大势所趋。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种防止飞机冲出跑道，保障人机安全的跑道拦阻系统，本发明的另一目的在于提供一种上述跑道拦阻系统的拦阻性能的预测方法，该方法可方便快捷地确定拦阻距离等拦阻参数，判断合理拦阻系统方案，避免由于飞机滑出跑道而造成伤害事故。

为实现上述目的，本发明一种跑道拦阻系统，在跑道一端或两端铺设拦阻区，该拦阻区由密度为200～500Kg/m³，强度为0.1～0.8MPa的泡沫水泥构成。

进一步，所述拦阻区的宽度与跑道宽度相同。

进一步，所述拦阻区包括拦阻层和设置在拦阻层上部的保护层，其中所述拦阻层厚度为10～80厘米，由平面尺寸为1平方米、厚度为6～80厘米泡沫水泥预制块堆砌而成，所述泡沫水泥预制块间用胶结材料密封；所述保护层为2～3厘米。

进一步，所述保护层由水泥砂浆构成。

一种上述跑道拦阻系统的拦阻性能的预测方法，具体为：

1)通过单轴压缩试验确定拦阻材料的弹性模量E₁、泊松比v和初始屈服强度σ_c ⁰；

2)通过贯入试验确定拦阻材料的压溃特性，得到压入深度h-压头接触应力p_m曲线；

3)经过量纲分析和简化后，确定反演关系式：

$\left(\frac{p_m}{E_1}\right)=c{\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_c^0}{E_1}\right)}^{a1}{\left(e_d\right)}^{a2}{\left(\frac{E_2}{E_1}\right)}^{a3}$

其中c，a1，a2，a3为系数，由大量有限元模拟贯入试验数据确定；

4)导入飞机起落架与材料相互作用有限元结果数据库，数据库中包括不同的飞机轮胎与不同的拦阻材料的相互作用结果；

5)输入飞机参数；

6)输入飞机滑行初始状态参数；

7)求解动力学方程，得到飞机状态参量增量，确定拦阻距离。

进一步，所述步骤5)中飞机参数至少包括飞机质量、飞机重心、前后起落架距离和起落架、轮胎几何参数。

进一步，所述步骤6)中飞机滑行初始状态参数包括初始滑行速度、当地重力加速度。

本发明一种跑道拦阻系统，可有效防止飞机冲出跑道，尽量避免飞机在滑行过程中发生碰撞事故，保障了人机安全。其给出了适用于测试泡沫水泥性能的方法以及配套的反演方案，包括测试静态力学性能的准静态加载技术和测试动态力学性能的动态加载技术，并最终确定材料本构参数的反演算法。这些方法可以有效确定泡沫水泥的性能，为其工程使用提供依据。本发明还给出了对该系统进行拦阻性能预测方法，该方法可方便快捷地确定拦阻距离等拦阻参数，得到构成拦阻系统的方案，避免由于飞机滑出跑道而造成伤害事故。

附图说明

图1为一般多孔材料单轴压缩试验曲线图；

图2为多孔材料屈服面图；

图3为贯入试验示意图；

图4为贯入试验数据举例图；

图5为反演过程示意图；

图6为轮胎-多孔水泥材料相互作用有限元计算模型；

图7为拦阻过程仿真部分界面图；

图8为拦阻效果图。

具体实施方式

如图1至图8所示，本发明一种跑道拦阻系统，是在跑道一端或两端铺设拦阻区，该拦阻区由密度为200～500Kg/m³，强度为0.1～0.8MPa的泡沫水泥构成，宽度与跑道宽度相同。拦阻区包括拦阻层和设置在拦阻层上部的保护层，其中所述拦阻层厚度为10～80厘米，由平面尺寸为1平方米、厚度为6～80厘米泡沫水泥预制块堆砌而成，所述泡沫水泥预制块间用胶结材料密封；所述保护层为2～3厘米，由水泥砂浆构成。

本发明还给出了对该系统进行拦阻性能预测的方法，该方法可方便快捷地确定拦阻距离等拦阻参数，得到构成拦阻系统的方案，避免由于飞机滑出跑道而造成伤害事故。

为达到上述目的，首先需要拦阻材料的本体结构参数。拦阻材料泡沫水泥的本体结构模型是典型的三段式本构关系，单轴压缩曲线可以分为弹性段、坍塌段和密实段。弹性阶段符合胡克定律，由弹性模量和泊松比决定，之后阶段满足屈服准则：

$F=\sqrt{q^2+{\mathrm{\α}}^2{(p-p_0)}^2}-B=0,$

和流动准则：

$p_c\left({\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{vol}}^{\mathrm{pl}}\right)=\frac{{\mathrm{\σ}}_c\left({\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{axial}}^{\mathrm{pl}}\right)[{\mathrm{\σ}}_c\left({\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{axial}}^{\mathrm{pl}}\right)(\frac{1}{{\mathrm{\α}}^2}+\frac{1}{9})+\frac{p_t}{3}]}{p_t+\frac{{\mathrm{\σ}}_c\left({\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{axial}}^{\mathrm{pl}}\right)}{3}}$

其中 $p=-\frac{1}{3}\mathrm{\σ}:I,$ $q=\sqrt{\frac{3}{2}{\mathrm{\σ}}^{\′}:{\mathrm{\σ}}^{\′}},$ 下标“c”代表压缩，“t”代表拉伸，σ_c(ε_axial ^pl)是单轴压缩状态下材料的屈服强度，其余参数意义见附图。这个屈服准则是个椭圆方程，需要三个参数确定材料特性，可以选取 $k=\frac{{\mathrm{\σ}}_c^0}{p_c^0},$ $k_t=\frac{p_t}{p_c^0}$ 和单轴压缩数据，其中个参数上标“0”表示初始屈服状态。由于目前无法实现静水压缩试验和静水拉伸试验，所以无法直接测量出p_t，p_c ⁰，另外泡沫水泥的单轴压缩试验由于材料会在压缩过程中坍塌崩落，也无法给出整个三段式数据，只能确定第一段，所以这些参数需要通过其他手段得到。

为了确定这些具体材料参数，本发明给出了适用于测试泡沫水泥性能的方法以及配套的反演方案，包括测试静态力学性能的准静态加载技术和测试动态力学性能的动态加载技术，并最终确定材料本构参数的反演算法。这些方法可以有效确定泡沫水泥的性能，为其工程使用提供依据。

1.通过单轴压缩试验确定材料的弹性模量E₁、泊松比v和初始屈服强度σ_c ⁰。试验使用材料试验机，试样使用半径为50mm，高度为50mm的泡沫水泥圆柱体，加载速率取1.5mm/min。经多组试验，可以确定泡沫水泥的弹性模量、泊松比和初始破坏强度等参数；

2.做贯入试验得到材料的压溃特性(见附图)。试验使用材料试验机，试样使用边长为300mm泡沫水泥立方体，加载速率取25mm/s，其中贯入使用的是半径为25mm的圆柱形压头，压入深度为试件高度的80％，贯入试验可以得到压入深度h-压头接触应力p_m曲线。霍布金森压杆试验测试泡沫水泥的动态力学性能，使用压杆直径不小于50mm。计算机数值试验是使用有限元方法模拟上述贯入试验。应用上述所得数据，结合量纲分析手段，给出了反演材料参数的公式，使用此公式，可以得到材料三段式本构关系中的其它本构参数。

3.建立贯入压溃特性与本构参数关联的反演方案。

3.1量纲分析： $\frac{p_m}{E_1}=\mathrm{\Π}(k,k_t,\frac{{\mathrm{\σ}}_c^0}{E_1},v,\frac{a}{h},\frac{h}{D},\frac{E_2}{E_1},e_d,\frac{E_3}{E_1}),$ 其中E₁、E₂和E₃分别是三段式单轴压缩曲线(简化认为由三条线段组成)的三段模量，e_d是第二段应力应变曲线应变跨度，a是压头半径，D是试样尺寸，其余参数说明见前。

3.2参数敏感性分析及量纲式简化：由于涉及参数较多，而试验手段相对匮乏，所以通过有限元计算考察各参数的重要性，优先保留敏感参数。其中v、D、a为常值不变。建立贯入试验的有限元模型，分别改变k，k_t，

e_d，

固定其它值。通过观察有限元模拟所得各组贯入特性曲线，可知

e_d相对来说更可敏感，要重点考察，其它参数选先择合理值已简化以后计算。

3.3反演关系式的确定：在给定深度下(压入10％和70％)，分别建立如下形式的反演关系式

$\left(\frac{p_m}{E_1}\right)=c{\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_c^0}{E_1}\right)}^{a1}{\left(e_d\right)}^{a2}{\left(\frac{E_2}{E_1}\right)}^{a3}$

其中c，a1，a2，a3为系数，由大量有限元模拟贯入试验数据确定。

例如，确定a1时，固定e_d，

取一组6个

值，分别进行贯入试验模拟，得到6条贯入曲线，取压入10％时的6个点，作对数图

所得斜率即为a1，同理可得压入70％时的a1。改变一次e_d，

一组6个值不变，可以得到1对新的a1，共改变4次e_d，

得到4对a1，取平均值，得到压入10％和70％时的两个a1。

同理，可以确定a2，a3和c，其中c由对数图截距确定。

最终得到的反演式为

$\left\{\begin{array}{c}\left(\frac{p_m}{E_1}\right)=0.000816{\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_c^0}{E_1}\right)}^{0.2799}{\left(\frac{E_2}{E_1}\right)}^{0.7233}{\left(e_d\right)}^{-0.6743},\mathrm{penetrate}10\%\\ \left(\frac{p_m}{E_1}\right)=0.000432{\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_c^0}{E_1}\right)}^{0.6217}{\left(\frac{E_2}{E_1}\right)}^{0.4270}{\left(e_d\right)}^{0.1408},\mathrm{penetrate}70\%\end{array}\right.$

有了上述关系便可以确定E₂和e_d，因为其它参数已经试验确定：单轴压缩试验确定σ_c ⁰，E₁，贯入试验确定p_m。

至此，就可以使用之前确定的本构参数进行飞机轮胎、拦阻材料相互作用有限元模拟，建立结果数据库，有限元模拟的是飞机轮胎与泡沫水泥材料的相互作用。飞机轮胎包括各种常用机型的前后起落架轮胎，泡沫水泥材料包括不同本构参数的泡沫水泥，而且选取了多种拦阻材料厚度，最终存入数据库的主要数据是接触面水平力与竖向力之比。

还要建立飞机参数数据库，主要包括飞机质量、飞机重心与前后起落架距离、轮胎几何参数等等。

在有了上述数据库后，设置初始运行参数，如滑行速度、当地重力加速度，就可以求解飞机滑行的动力学方程，输出飞机滑行状态参量，确定拦阻距离。求解过程与数据库等打包成一个仿真程序，提供了人机交流界面，使评估材料拦阻效果的工作变得方便而直观，通用性强。

实施例一

材料的贯入试验曲线见附图，结合其他测试手段，并应用反演公式，得到材料的本构参数为：弹性模量160MPa，初始破坏强度0.16MPa，坍塌段强度0.17MPa，坍塌段长度＝1.79。拦阻材料铺设厚度为46cm，长度为200米，之前坡度2％。

飞机采用波音727机型，飞机质量61吨，前起落架至重心距离14.65米，主起落架至重心距离1.58米。飞机初始滑行速度为26米/秒，当地重力加速度为1g。运行程序后得到拦阻距离为145米。

实施例二

材料的贯入试验曲线见附图，结合其他测试手段，并应用反演公式，得到材料的本构参数为：弹性模量160MPa，初始破坏强度0.16MPa，坍塌段强度0.17MPa，坍塌段长度＝1.79。拦阻材料铺设厚度为46cm，长度为200米，之前坡度2％。

飞机采用波音727机型，飞机质量61吨，前起落架至重心距离14.65米，主起落架至重心距离1.58米。飞机初始滑行速度为31米/秒，当地重力加速度为1g。运行程序后得到拦阻距离为183米。

实施例三

材料的贯入试验曲线见附图，结合其他测试手段，并应用反演公式，得到材料的本构参数为：弹性模量160MPa，初始破坏强度0.16MPa，坍塌段强度0.17MPa，坍塌段长度＝1.79。拦阻材料铺设厚度为46cm，长度为12m，前后坡度各为±2％。

飞机采用波音727机型，飞机质量61吨，前起落架至重心距离14.65米，主起落架至重心距离1.58米。飞机初始滑行速度为26米/秒，当地重力加速度为1g。运行程序后得到飞机驶出拦阻材料后速度为15米/秒。

Claims (7)

1、一种跑道拦阻系统，其特征在于，该拦阻系统是在跑道一端或两端铺设拦阻区，该拦阻区由密度为200～500Kg/m³，强度为0.1～0.8MPa的泡沫水泥构成。

2、如权利要求1所述的跑道拦阻系统，其特征在于，所述拦阻区的宽度与跑道宽度相同。。

3、如权利要求1所述的跑道拦阻系统，其特征在于，所述拦阻区包括拦阻层和设置在拦阻层上部的保护层，其中所述拦阻层厚度为10～80厘米，由平面尺寸为1平方米、厚度为6～80厘米泡沫水泥预制块堆砌而成，所述泡沫水泥预制块间用胶结材料密封；所述保护层为2～3厘米。

4、如权利要求3所述的跑道拦阻系统，其特征在于，所述保护层由水泥砂浆构成。

5、一种上述跑道拦阻系统的拦阻性能的预测方法，具体为：

1)通过单轴压缩试验确定拦阻材料的弹性模量E₁、泊松比v和初始屈服强度σ_c ⁰；

2)通过贯入试验确定拦阻材料的压溃特性，得到压入深度h-压头接触应力p_m曲线；

3)经过量纲分析和简化后，确定反演关系式：

$\left(\frac{p_m}{E_1}\right)=c{\left(\frac{{\mathrm{\σ}}_c^0}{E_1}\right)}^{a1}{\left(e_d\right)}^{a2}{\left(\frac{E_2}{E_1}\right)}^{a3}$

其中c，a1，a2，a3为系数，由大量有限元模拟贯入试验数据确定；

4)导入飞机起落架与材料相互作用有限元结果数据库，数据库中包括不同的飞机轮胎与不同的拦阻材料的相互作用结果；

5)输入飞机参数；

6)输入飞机滑行初始状态参数；

7)求解动力学方程，得到飞机状态参量增量，确定拦阻距离。

6、如权利要求5所述的拦阻性能的预测方法，其特征在于，所述步骤5)中飞机参数至少包括飞机质量、飞机重心、前后起落架距离和起落架、轮胎几何参数。

7、如权利要求5所述的拦阻性能的预测方法，其特征在于，所述步骤6)中飞机滑行初始状态参数包括初始滑行速度、当地重力加速度。

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