CN104568568B - 一种多点激振式飞机荷载模型试验装置及其应用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种新型的飞机荷载模型试验装置，特别涉及研究飞机跑道实时动力响应和长期运营沉降规律的试验研究。采用多点激振加载方式，可以模拟预测飞机降落、平滑、起飞等不同状况对道路的影响，可以完成飞机跑道的静载荷模拟试验，起降载荷动态模拟试验和平滑往复疲劳试验，为飞机跑道建设提供支撑。同时，该试验装置还可以用于建筑结构的力学性能试验。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型的飞机荷载模型试验装置，用以研究飞机跑道实时动力响应和长期运营沉降规律的模型试验装置。
背景技术
在本发明之前，针对飞机跑道动力响应和沉降规律的试验研究中，以一般的交通荷载来替代飞机荷载进行室内土体单元动力模型试验，以及对已有跑道设计方案进行验证是较为常见的方法。室内土体单元动力模型试验主要在动三轴仪、空心圆柱扭转仪等设备上进行。这些试验的研究对象都是土样，通过分析土样单元体的动力特性，间接研究飞机跑道路基在飞机荷载作用下的力学特性及变形规律。这种试验手段较为间接，试验条件较为理想，与飞机跑道路基的实际受力情况有所不同，这造成了试验研究结果与实测结果有较大差别。且上述试验研究大多为一般性交通荷载的模拟，如高速铁路、公路等，其荷载形式无法反映飞机荷载的低频、高幅特性，也无法反映飞机起降架轮载间的叠加作用，起降的冲击作用及加减速的影响。现场试验研究方面，由于飞机运行安全方面的要求，无法在运行期间的飞机跑道上设置试验仪器，对飞机跑道路基的动应力变化及沉降变形进行实时监测。目前的现场试验停留在跑道设计施工方案的验证阶段，研究对象为正在修建尚未运行的跑道，多进行静载及地基处理试验，为跑道的设计、施工提供参数，无法获得飞机跑道运行期间全方位、全过程的工作性状资料，也就不能对其动力响应和长期沉降规律做出准确深入的分析。
总之，对于考虑脉冲特性合理模拟飞机荷载的试验研究很少，尤其是缺乏考虑飞机降落、滑行及起飞等不同荷载状况对土体中动应力、动应变发展过程的影响研究，然而这恰恰是研究飞机荷载作用下飞机跑道实时动力响应和长期运营沉降规律，预测飞机跑道服役性能，为飞机跑道设计建设提供科学依据的关键所在。
发明内容
本发明的目的就在于克服上述缺陷，开发一种新型的飞机荷载模型试验装置，用于研究飞机跑道实时动力响应和长期运营沉降规律的模型试验装置，同时可应用于建筑结构的力学性能试验。
本发明的技术方案是：
一种多点激振式飞机荷载模型试验装置，用以研究飞机跑道实时动力响应和长期沉降规律，采用等比例缩小的模型模拟真实的飞机荷载和飞机跑道。通过计算机控制系统输入荷载参数，控制电液伺服作动器提供多点激振荷载，荷载形式采用更为接近飞机真实荷载的脉冲型荷载，通过电液伺服作动器末端安装的真实飞机轮毂传递到下方跑道模型上，在跑道一端设置动态位移监测仪实时测量跑道路基的位移、加速度及振动情况，在轮轨下方跑道面层中埋置力传感器测量由轮毂提供给跑道的力的大小，在路基中预埋土压力盒测量路基中的动应力大小及分布情况。
优选的，混凝土墙体与混凝土底板形成的飞机跑道模型槽构成了实验装置的下部基础结构，飞机跑道模型槽中依据真实的飞机跑道按照比例铺设路面层、路基以及地基土体，墙体限制路面层、路基以及地基土体的侧向位移，混凝土底板提供底部支撑，框架竖梁、框架纵梁和框架横梁相连构成了试验装置的上部支撑体系，电液伺服作动器安装在框架纵梁下面，计算机控制系统控制提供荷载参数，由电液伺服油源提供动力，控制电液伺服作动器产生相应的荷载，通过直接连接的真实飞机轮胎传递到跑道路面层上，混凝土墙体上安装横向支架，在跑道一端设置动态位移监测仪，路面层、路基以及地基土体内埋有土压力盒。
优选的，采用电液伺服作动器产生的低频、高幅脉冲型荷载模拟真实的飞机荷载，具体表现为作用时间短，冲击力强，具有明显波峰，较大应力幅值的动荷载，加载不小于2MPa，加载频率0.01Hz，脉冲频率不小于20Hz。
优选的，设置的动态位移监测仪基于立体视觉摄影原理、数码摄像机技术、以及数字图像相关方法，采用非接触式三维全场位移与应变测试技术，记录加载过程中飞机跑道模型路基与基础的动力响应，位移量程0.1mm，加速度量程50m/s2，实时监测跑道路基的位移、加速度及振动情况。
本发明的优点在于采用等比例缩小的模型模拟真实的飞机起降荷载和飞机跑道，试验方式更为直接，试验结果更为直观；采用连续的激振荷载模拟飞机降落、平滑及起飞等不同工况，更为符合飞机跑道服役的实际情况；采用更为接近飞机真实荷载形式的低频、高幅脉冲型荷载代替循环荷载，飞机跑道路基的受力状况更为合理；采用真实的飞机轮毂将荷载传到跑道面层中，荷载传递形式更为真实；预设位移监测仪、应力传感器，可以实时测量试验过程中路基位移、动应力的分布和变化规律，分析飞机跑道的服役性能，为我国的飞机跑道建设科学依据。
同时，本试验装置中所配置的加载框架、作动器、液压油源和控制系统还可以作为独立的建筑结构试验系统，用于建筑结构的力学性能试验。
附图说明
图1——本发明装置横向示意图。
图2——本发明装置纵向示意图。
图3——本发明装置平面示意图
图4——脉冲型飞机荷载示意图。
具体实施方式
如图1、图2所示，混凝土墙体1与混凝土底板2形成的飞机跑道模型槽构成了实验装置的下部基础结构，飞机跑道模型槽中依据真实的飞机跑道按照比例铺设路面层3、路基4以及地基土体5，墙体1限制路面层3、路基4以及地基土体5的侧向位移，混凝土底板2提供底部支撑，框架竖梁6、框架纵梁7和框架横梁8相连构成了试验装置的上部支撑体系，电液伺服作动器10安装在框架纵梁7下面，计算机控制系统11控制提供荷载参数，由电液伺服油源12提供动力，控制电液伺服作动器10产生相应的荷载，通过直接连接的真实飞机轮胎9传递到跑道路面层3上，混凝土墙体1上安装横向支架，在跑道一端设置动态位移监测仪，路面层3、路基4以及地基土体5内埋有土压力盒14。
进行飞机荷载试验时，由计算机控制系统11输入脉冲型荷载的参数值，电液伺服油源12提供动力，控制电液伺服作动器10产生相应的荷载，该荷载通过飞机轮胎9作用到路面层3，并依次传到路基4和地基土体5中。每次施加荷载后，动态位移监测仪13实时测量跑道路基的位移、加速度及振动情况，由土压力盒14测定跑道中相应位置的动应力，测得的各项数据直接由计算机控制系统11采集并存储。通过计算机控制系统11的控制反复施加荷载研究飞机荷载长期作用下飞机跑道的动力响应和沉降规律。
进行建筑结构实验时，结构模型安置在由混凝土墙体1与混凝土底板2构成的模型槽中，框架竖梁6、框架纵梁7和框架横梁8改作为典型的结构试验平面加载框架，计算机控制系统11输入荷载参数，电液伺服油源12提供动力，控制电液伺服作动器10进行单通道静态加载、单通道动态加载、多通道同步/异步加载等多种加载方式，完成梁、柱、墙、框架和节点等典型结构的力学性能试验，动态位移监测仪13可监测结构的变形位移情况。
一些装置的尺寸和功能要求
(1)模型基座长宽高为15×8×5m，模型槽长宽高为10×4×4.5m，侧向混凝土墙体厚不小于2m，底板厚不小于0.5m；
(2)液压千斤顶动态加载不小于100kN，脉冲频率不小于20Hz；
(3)土压力盒，量程0.1-3MPa；
(4)应力传感器，量程100kN。
本发明的保护范围并不仅仅局限于本实施方式的描述。
Claims (2)
1.一种多点激振式飞机荷载模型试验装置，用于研究飞机跑道实时动力响应和长期运营沉降规律，采用等比例缩小的模型模拟真实的飞机荷载和飞机跑道，通过计算机控制电液伺服作动器提供连续的多点激振荷载以模拟飞机起降、滑行的不同工况，荷载形式采用更为接近飞机真实荷载的低频、高幅脉冲型荷载，通过电液伺服作动器末端安装的真实飞机轮胎传递到下方跑道模型上，在真实飞机轮胎下方跑道面层中设置力传感器测量由轮毂提供给跑道的力的大小，在跑道一端设置动态位移监测仪实时测量跑道路基的位移、加速度及振动情况，在路基中预埋土压力盒测量路基中的动应力大小；
采用电液伺服作动器产生的低频、高幅脉冲型荷载模拟真实的飞机荷载，具体表现为作用时间短，冲击力强，具有明显波峰，较大应力幅值的动荷载，加载不小于2MPa，加载频率0.01Hz，脉冲频率不小于20Hz；
设置的动态位移监测仪基于立体视觉摄影原理、数码摄像机技术、以及数字图像相关方法，采用非接触式三维全场位移与应变测试技术，记录加载过程中飞机跑道模型路基与基础的动力响应，位移测量精度0.1mm，加速度量程50m/s2，实时监测跑道路基的位移、加速度及振动情况；混凝土墙体与混凝土底板形成的飞机跑道模型槽构成了实验装置的下部基础结构，飞机跑道模型槽中依据真实的飞机跑道按照比例铺设路面层、路基以及地基土体，墙体限制路面层、路基以及地基土体的侧向位移，混凝土底板提供底部支撑，框架竖梁、框架纵梁和框架横梁相连构成了试验装置的上部支撑体系，电液伺服作动器安装在框架纵梁下面，计算机控制系统控制提供荷载参数，由电液伺服油源提供动力，控制电液伺服作动器产生相应的荷载，通过直接连接的真实飞机轮胎传递到跑道路面层上，在跑道一端的混凝土墙体上安装横向支架，横向支架上设置动态位移监测仪，路面层、路基以及地基土体内埋有土压力盒。
2.一种研究机场跑道实时动力响应和长期运营沉降规律的模型试验方法，其特征在于：采用权利要求1所述的试验装置，具体是混凝土墙体与混凝土底板形成的飞机跑道模型槽构成了实验装置的下部基础结构，飞机跑道模型槽中依据真实的飞机跑道按照比例铺设路面层、路基以及地基土体，墙体限制路面层、路基以及地基土体的侧向位移，混凝土底板提供底部支撑，框架竖梁、框架纵梁和框架横梁相连构成了试验装置的上部支撑体系，电液伺服作动器安装在框架纵梁下面，计算机控制系统控制提供荷载参数，由电液伺服油源提供动力，控制电液伺服作动器产生相应的荷载，通过直接连接的真实飞机轮胎传递到跑道路面层上，在跑道一端的混凝土墙体上安装横向支架，横向支架上设置动态位移监测仪，路面层、路基以及地基土体内埋有土压力盒；
正式进行飞机荷载试验时，由计算机控制系统输入脉冲型荷载的参数值，电液伺服油源提供动力，控制电液伺服作动器产生相应的荷载，该荷载通过真实飞机轮胎作用到路面层，并依次传到路基和地基土体中，每次施加荷载后，动态位移监测仪实时测量跑道路基的位移、加速度及振动情况，由土压力盒测定跑道中相应位置的动应力，测得的各项数据直接由计算机控制系统采集并存储，通过计算机控制系统的控制反复施加荷载研究飞机荷载长期作用下机场跑道的动力响应和沉降规律。
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