CN110874516A - 一种基于有限元软件的机场道面轮胎加载模型建立方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于有限元软件的机场道面轮胎加载模型建立方法，包括：步骤1，建立机场道面模型，机场道面模型分为三层建筑，并且各层沥青混合料的组成互不相同形成三个结构层，即上层、中层和下层，其中机场道面模型中X轴方向为飞机行进方向，Y轴方向为机场道面横向，Z轴的负方向为深度方向；步骤2，选择材料模型并设置参数；步骤3，建立移动载荷为特征的轮胎荷载施加模型，其中所述轮胎为单轴单轮组、单轴双轮组或者双轴双轮组三种形式，并进一步施加轮胎充气胎压，以200km/h自由滚动，对此工况下轮胎进行稳态滚动分析获得三向轮胎力空间分布形式；步骤4，采用有限元软件实现轮胎力对机场道面的反复作用并进行力学分析。

Description

一种基于有限元软件的机场道面轮胎加载模型建立方法

技术领域

本发明涉及一种力学分析方法技术领域，特别是基于有限元软件的机场道面轮胎加载模型分析方法。

背景技术

在轮胎设计和分析中引入有限元法是轮胎技术发展的一个飞跃，近代的轮胎设计理论都以轮胎有限元分析为基础，例如最佳滚动轮廓RCOT理论、最佳张力控制TCOT理论，负荷时应变能最小化STEM理论、动态模拟最佳轮廓DSOC理论、动态稳定最佳化接地面DSOC-T理论、预应力轮廓PSP理论和周期性应力-应变优化CSSOT理论。随着计算机技术的飞速发展，以有限元法为核心的计算机辅助工程软件CAE软件在轮胎设计和分析中得到迅速应用，用于在计算机建立数字轮胎模型，模拟轮胎静态、动态过程及轮胎的实际状况，长期以来机场道面的力学行为分析多以静态垂向轮胎力作用下的路面结构为研究对象进行研究，在一定程度上揭示了路面结构的力学行为特征，然而实际的轮胎力是移动的三向荷载，将其简化为静态垂向轮胎力进行分析，难以准确反映路面力学行为的真实状态。现有技术中存在对非均布移动荷载作用下沥青路面的动力响应进行有限元分析，采用实测的垂向轮胎力对路面模型进行加载后分析不同运动状态下相关因素对路面响应的影响，分别建立轮胎-路面耦合模型，实现轮胎对路面的直接作用，并基于耦合模型进行路面的力学响应分析，然而由于轮胎是飞机与机场道面唯一发生直接作用的部件，其结构可靠性直接关系到车辆的安全性能，而轮胎的破坏失效力学特性计算和分析具有高度非线性特征，另一方面，机场道面是移动负载荷载重复作用下展示的路面力学行为，需要将路面结构设计从静态向动态转化，因此在没有建立移动轮胎力作用下合理的三维路面模型的基础上，有限元求解效率和分析精度作为两个对立的因素一直在轮胎加载模型的建立过程中难以调和。

发明内容

为了克服现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于有限元软件的机场道面轮胎加载模型建立方法，包括如下步骤：

步骤1，建立机场道面模型，所述机场道面模型分为三层建筑，并且各层沥青混合料的组成互不相同形成三个结构层，即上层、中层和下层，其中所述机场道面模型中X轴方向为飞机行进方向，Y轴方向为机场道面横向，Z轴的负方向为深度方向；

步骤2，选择材料模型并设置参数；

步骤3，建立移动载荷为特征的轮胎荷载施加模型，其中所述轮胎为单轴单轮组、单轴双轮组或者双轴双轮组三种形式，并进一步施加轮胎充气胎压，以200km/h自由滚动，对此工况下三种形式的轮胎进行稳态滚动分析获得三向轮胎力空间分布形式；

步骤4，采用有限元软件的用户子程序实现轮胎力对机场道面的反复作用并进行力学分析。

优选的，所述步骤2所述道面采用蠕变模型描述其中沥青混合料的力学行为，将t时刻沥青混合料的总应变A(t)分解为弹性应变A(te)和非弹性应变A(tin)，其中非弹性应变A(tin)包括塑性应变A(tinp)和蠕应变A(tine)。

优选的，所述步骤2的道面模拟包括：1)假设在飞机起落架轮胎荷载作用下，沥青混合料尚未进入屈服阶段，则A(tinp)＝0，A(t)＝A(te)+A(tin) (1)，其中A(te)与时间无关，A(tin)是时间t、温度T和应力B的函数；2)假设在飞机起落架荷载作用下，沥青混合料处于主蠕变区，在温度固定的条件下，A(tin)＝f(t,B)＝C(Bⁿt^m+1)/m+1 (2)，其中A,m，n均为材料的蠕变参数，将公式(2)对时间微分就可以获得用于恒定负载下的蠕变分析的蠕变应变率：

dA(tin)/dt＝CBⁿt^m+1 (3)

以及用于非恒定负载下的蠕变分析的与时间无关的应变硬化率公式，即

dA(tin)/dt＝CBⁿ[(m+1)A(tin)]^m+1/(m+1) (4)

式(4)中的蠕变应变率与应力和如变量的累积量相关，与时间无关。

优选的，所述步骤2所述材料为线弹性本构关系的材料，其中上层、中层、下层、基层、底基层的厚度分别为4cm、6cm、10cm、36cm、20cm，上层、中层、下层、基层、底基层和路基的模量分别为530、440、710、1600、800和40MPa，泊松比分别为0.45、0.40、0.35、0.35、0.20以及0.40。上层、中层、下层的C选择0.00002，0.00004和0.000002。

优选的，所述步骤3的所述胎压为：1.45Mpa和1.69Mpa。

优选的，实施所述步骤3之前还包括：使用双重Stress-In-Motion系统进行了轮胎应力测量，所述双重Stress-In-Motion有两个SIM垫组件，每个测量公称面积为750×357毫米，单个垫组件的SIM Mk IV测量系统包含1041个检测钉，其中由21个线性阵列排布的应变仪一起进行检测，这些仪表化的检测销被安排在SIM垫外侧，其余的作为支撑来测试轮胎的印迹，这些别针成圆锥形，50毫米高，被固定到45毫米厚的硬钢基板上，测试钉将测量到的作用力通过除以作用面积，将其转化为应力，每条花纹都有多个测试钉来测量其接触应力，通对每一个测量钉合力的加权平均来计算出每一个花纹和每一种情况下的单一曲线来表征每一个力的分布，即：

α―花纹所承受的施加荷载的比例，对于目前使用的各种类型的飞机轮胎，α＝0.28，0.11或0.22；

P-应变仪表读数，即获得的作用力；l-应力作用范围的长度；b-应力作用范围的宽度；x-花纹的长度，n-检测起效的别针个数；

假定最大接触应力在接触长度的中点，则n可以算成：

σmax对于目前使用的各种类型的飞机轮胎，取值为充气压力的1.1倍或2.2倍。

优选的，所述步骤4包括：垂向接触力通过DLOAD加载，水平向接触力通过UTRACLOAD加载，轮胎力关于X轴对称，每个加载过程中，轮胎力沿X轴正方向在路表移动，在X方向沿路面边界0.5m以内以轮胎力加载区域，轮胎力由路面左侧以200km/h的速度匀速运动到右侧完成一次加载，耗时t1，轮胎力加载结束后，仿真仍持续一段时间t2，使得道面材料变形充分恢复，单词加载过程的时间长度T＝t1+t2，综合考虑秋节效率以及实际轮胎的加载时间间隔，确定T＝1s。

优选的，所述步骤4所述轮胎力对机场道面的反复作用形成矩形轮印，轮胎印记的长宽比通常设定为1.452。

优选的，所述矩形轮印长度和宽度分别为a和b，计算方法如(5)所示，其中L可按公式(6)计算：

其中，L表示组合轮印假定的长度，A表示组合轮印的面积，L的计算公式为公式(6)：

本发明的有益效果：

对于复杂移动的飞机轮胎力作用于机场道面的有限元模拟非常有效，道面的黏弹性力学行为分析精度高，其中应变硬化率关系式中的蠕变应变率与时间无关，而移动轮胎力属于非恒定载荷，因此在路面模型中沥青混合料的如变法采用了两种关系式联合分析，在轮胎力反复作用下，机场道面内部的应力分布区域均匀，中层面承受较大的拉伸和压缩应力，此外，在分析过程中还获得了轮胎工作参数相同的条件下，双轴组轮胎会比单轴组轮胎形式产生更大的残余形变，破坏效应显著，为机场道面和起落架轮胎选型的匹配提供了参考依据。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。本发明的目标及特征考虑到如下结合附图的描述将更加明显，附图中：

附图1为根据现有技术的轮胎中央花纹接触应力示意图；

附图2为根据本发明实施例的轮胎接触印记示意图；

附图3为根据本发明实施例的矩形轮印和组合型轮印示意图；

附图4为根据本发明实施例的A380-800机轮接触面积假设；

附图5(a)-(d)分别为根据本发明实施例的B737-800机轮接触面积假设图、B767-400ER机轮接触面积假设、B777-300ER机轮接触面以及B747-400机轮接触面积假设；

附图6为根据本发明实施例的子午线轮胎接触示意图；

附图7为根据本发明实施例的轮胎测试结果示意图；

附图8为根据本发明实施例的轮胎竖向应力分布图；

附图9为根据本发明实施例的基于有限元软件的机场道面轮胎加载模型建立方法。

具体实施方式

本发明实施例的实施以轮胎--路面接触应力和模型研究为基础，主要集中在以下几个方面：

(1)轮胎-路面接触应力研究

轮胎荷载是路面响应的最主要的激励，但传统的设计方法都缺乏方法去模拟实际的轮胎接触应力。一般地，轮胎荷载被认为是均布分布在一个圆形区域内，但这种方法会低估了路面的响应。D Beer等利用Stress-In-Motion(SIM)系统对轮胎-路面接触应力进行了研究，结果表明：两者之间的接触应力分布并不均匀，而且应力的区域更接近与矩形。因此，在力学-经验指导法的关键在于如何能够精确的测量出应变。许多的研究者都强调轮胎接触应力的重要性，因为其能对路面响应有着显著地影响。很多的试验及国内外相关研究均显示，轮胎与路面接触时，其形状趋近于矩形，且随着荷载的不断增加，其矩形化也越来越明显。同时，接触区域内的竖向应力的大小也与荷载的大小有着直接的关系，呈现一个很明显的非均匀分布的特征。实验测量结果表明，当对路面表面施加轮胎荷载时，将会在纵向、横向和纵向三个方向产生接触应力。Al-Qadi等轮胎速度极低的情况下(近乎静止)测定了双轮胎的中央花纹上的接触应力，其结果如图1所示，其基于有限元分析得到了三向复杂轮胎力的空间分布。在这种情况下，横向与纵向接触应力一般为最大垂直接触应力的11～34％。垂直压缩接触应力和横向接触应力沿纵向接触方向形状类似，呈“凸”形，而纵向接触应力沿接触方向变化明显，大致为两个光滑连接的抛物线。因此，这种不规则性对路面或者道面结构的力学响应会有很大的影响。定义轮胎接触应力的两个主要参数是施加的荷载以及充气压力。充气压力能够明显的影响路面响应，特别是路面疲劳寿命。另一项研究在假定接触应力均布分布的情况下发现当沥青混凝土面层的厚度小于50mm时，拉应变将会被严重低估，仅仅只有非均布分布接触应力作用下拉应变的一半。非均布分布的接触应力会在AC层底部产生最高的纵向应变，然而圆形分布的荷载产生最小的应变。因此，在模拟实际轮胎加载的情况下，必须考虑轮胎接触应力的非均布分布的特性。另外，研究者发现加载大小和轮胎充气压力确定着路面最大响应的位置，三维接触应力会产生很大的拉伸应变梯度。特别是接近路面表面时，横向接触应力被认为是产生拉应力的一个最主要的因素，横向接触应力对路面响应至关重要，特别在轮胎-路面接触区域，其跟top-down裂缝和表面剪切流均有关联，甚至横向拉应力可以达到竖向接触应力的50％，因此考虑轮胎-路面接触区域的三维应力状态，会对路面行为有一个更精确和更好的理解。

目前，国内外对于新一代大型飞机轮胎与道面的接触应力的研究较少。与汽车轮胎相比，飞机起落架轮胎胎压更大，所承受的轮载也越大。在飞机自身巨大重量的作用下，由于凸出的胎侧产生的弯曲应力，会使轮胎外侧花纹产生巨大的竖向接触应力，而中心花纹处的胎压大致等于轮胎充气压力。现场测试也发现，与加载的荷载有关，外侧花纹的竖向接触应力可达充气压力的1.5-3倍。

(2)轮胎-道面接触模型研究

飞机荷载作用在道面结构上时，属于动态荷载，且受到诸多因素如时间、空间及道面结构表面特性等影响，因此无法对其进行一个准确的定义。往往在实际应用过程当中会对其进行简化以便更好地用于计算与分析。起落架轮胎与道面间的接触区域受到许多因素的影响，加载大小，轮胎的类型以及充气压力都可以影响到轮印的形状和大小。在目前的机场道面设计方法中，采用的轮胎-道面接触印记包括了圆形、椭圆形、矩形和组合型(半圆与矩形的组合)。我国民航沥青道面设计规范、美国FAA的CBR法等都将起落架机轮-道面间的接触区域假设成圆形。我国民用机场沥青混凝土道面设计规范里，圆形轮印的接触面积如公式(1.1)，

按式(1.2)计算单轮轮印等圆面积半径r₀。

当荷载均匀分布在圆形区域内时，在圆柱体坐标里使用汉克尔积分变换和提出控制方程是非常方便的，但是，受到荷载大小、充气压力的影响，实际的轮胎印记并非圆形，也非均匀分布。非均布分布的接触应力会在沥青路面AC层底部产生最大的纵向应变，然而圆形均匀分布的荷载则产生最小的应变。因此，采用圆形印记并不准确。

一般地，椭圆形单轮接触面积的计算方法为将其面积等同于圆形均匀分布荷载的面积，且长边是较短边的1.6倍，计算公式如(1.3)～(1.5)。在美国FAA的LEDFAA和COMFAA里计算分析通行覆盖率的时候就是即用的此种椭圆形单轮假印记。

A＝abπ＝πr² (1.3)

m＝b/a＝1/1.6＝0.625 (1.4)

通过对轮胎施加不同的荷载发现，轮胎-路面接触区域更加接近矩形，如图2所示。因此，矩形区域相对圆形区域和椭圆形区域来说，更加接近道面-轮胎实际接触情况。

采用矩形和两个半圆组合接触区域的多用于水泥混凝土道面设计，如我国、美国等国家，形状如图3所示，组合轮印假定轮印长为L，宽为0.6L，按公式(1.6)计算。

图3中的面积按照公式(1.1)进行计算，矩形轮印的长度和宽度计算方法如公式(1.7)，其中L可按公式(1.6)计算。

在利用有限元软件进行分析时，往往为了方便单元划分，都用矩形来替代轮印。有限元法能够较精确地模拟轮胎-路面间的应力实际分布形状，但是其计算精度主要取决于网格的划分以及使用者的经验。

2、模型选取

受到荷载大小、充气压力的影响，实际的轮胎印记并非圆形和矩形，也非均匀分布，因此建立一个与实际尽可能相符合的荷载模型，便成了有限元分析的关键。但目前，国内外并没有针对飞机起落架轮胎-道面接触印记的详细研究，也无实测数据。

在研究多轮荷载叠加效应时，轮胎印记的长宽比通常设定为1.452，如下表1所示给出了一些机型的轮印具体参数，现有技术的有限元模拟分析中，仍是将接触面积假定为矩形，接触应力等同于轮胎充气压力，但其分析过程中提出的轮胎-道面接触印记，可以作为参考。

表1主起落架参数

现有技术针对A380两种胎压(1.45Mpa和1.69Mpa)，利用有限元技术对NAPTF的高胎压测试进行了模拟。在其有限元模拟分析中，将接触面积假定为条纹状，接触应力沿纵向方向上为正弦分布，条纹间的沟槽，取为10mm，下表2即为接触模型相关参数。

表2接触应力分布及接触面积

选取单轴双轮构型的B737-800、双轴双轮构型的B767-400ER和三轴双轮构型的B777-300ER作为分析对象；复杂起落架飞机选取A380-800与B747-400作为分析对象。利用上述分析，结合所分析机型的起落架布置参数，给出将要分析的机型的接触印记参数，见下表3所示。单轮轮印被假定为条纹状，其长宽比为1.452，花纹槽均为10mm。

表3机轮接触面积假设

以A380起落架轮胎为例，每个轮胎由5条520mm的花纹组成，每条花纹的具体尺寸参数见下表4和图4所示，各机型轮印面积如下图5(a)-(d)所示。

表4 A380-800机轮接触面积假设

3、轮胎加载新模型

对飞机轮胎进行了力学测试，其测试结果均表明：(1)对子午线轮胎，加载时轮胎-道面接触宽度相对稳定，只在接触长度上发生变化，形状始终保持圆柱形来以到达力学平衡，如图6所示。(2)对轮胎内部竖向应力分析可知，最大的竖向应力均出现在两侧花纹处，如图7所示。附图8为不同条件下测试的轮胎内部竖向应力分布图，可以清楚的看到，两侧花纹内部的竖向应力明显高于中间花纹的竖向应力，甚至超过了充气压力的2倍。因此，在进行有限元模拟的时候，需结合实际情况，在不同的花纹里建立不同大小的轮胎-道面竖向应力模型。

本实施例中，使用双重Stress-In-Motion(SIM)系统进行了测量。设备有两个SIM垫组件，每个测量公称面积为750×357毫米，单个垫组件的SIM Mk IV测量系统包含1041个检测钉，其中由21个线性阵列排布的应变仪一起进行检测。这些仪表化的检测销被安排在SIM垫外侧，其余的作为支撑来测试轮胎的印迹。这些别针成圆锥形，50毫米高，被固定到45毫米厚的硬钢基板上。

测试钉将测量到的作用力通过除以作用面积，将其转化为应力。每条花纹都有多个测试钉来测量其接触应力。推导出一个包含每个测量钉荷载变化的表达式是不切实际的。通过对每一个测量钉合力的加权平均来计算出每一个花纹和每一种情况下的单一曲线来表征每一个力的分布，即：

α―花纹所承受的施加荷载的比例，对花纹1和5来说，α＝0.28；对花纹2和4来说，α＝0.11；对花纹3来说，α＝0.22。

假定最大接触应力在接触长度的中点，则n可以算成：

σmax对于花纹2,3和4来说，为充气压力的1.1倍，对于1和5来说为2.2倍。其最终计算结果列入下表5-9。

表2 A380-800各花纹应力函数

表3 B747-400各花纹应力函数

表4 B777-300ER各花纹应力函数

表5 B767-400ER各花纹应力函数

表6 B737-800各花纹应力函数

参见图9，基于有限元软件的机场道面轮胎加载模型建立方法，包括如下步骤：

步骤1，建立机场道面模型，机场道面模型分为三层建筑，并且各层沥青混合料的组成互不相同形成三个结构层，即上层、中层和下层，其中机场道面模型中X轴方向为飞机行进方向，Y轴方向为机场道面横向，Z轴的负方向为深度方向；

步骤2，选择材料模型并设置参数；

步骤3，建立移动载荷为特征的轮胎荷载施加模型，其中轮胎为单轴单轮组、单轴双轮组或者双轴双轮组三种形式，并进一步施加轮胎充气胎压，以200km/h自由滚动，对此工况下三种形式的轮胎进行稳态滚动分析获得三向轮胎力空间分布形式；

步骤4，采用有限元软件的用户子程序实现轮胎力对机场道面的反复作用并进行力学分析。

步骤2道面采用蠕变模型描述其中沥青混合料的力学行为，将t时刻沥青混合料的总应变A(t)分解为弹性应变A(te)和非弹性应变A(tin)，其中非弹性应变A(tin)包括塑性应变A(tinp)和蠕应变A(tine)。

步骤2的道面模拟包括：1)假设在飞机起落架轮胎荷载作用下，沥青混合料尚未进入屈服阶段，则A(tinp)＝0，A(t)＝A(te)+A(tin) (1)，其中A(te)与时间无关，A(tin)是时间t、温度T和应力B的函数；2)假设在飞机起落架荷载作用下，沥青混合料处于主蠕变区，在温度固定的条件下，A(tin)＝f(t,B)＝C(Bⁿt^m+1)/m+1 (2)，其中A,m，n均为材料的蠕变参数，将公式(2)对时间微分就可以获得用于恒定负载下的蠕变分析的蠕变应变率：

dA(tin)/dt＝CBⁿt^m+1 (3)

以及用于非恒定负载下的蠕变分析的与时间无关的应变硬化率公式，即

dA(tin)/dt＝CBⁿ[(m+1)A(tin)]^m+1/(m+1) (4)

式(4)中的蠕变应变率与应力和如变量的累积量相关，与时间无关。

步骤2材料为线弹性本构关系的材料，其中上层、中层、下层、基层、底基层的厚度分别为4cm、6cm、10cm、36cm、20cm，上层、中层、下层、基层、底基层和路基的模量分别为530、440、710、1600、800和40MPa，泊松比分别为0.45、0.40、0.35、0.35、0.20以及0.40。上层、中层、下层的C选择0.00002，0.00004和0.000002。

步骤3的胎压为：1.45Mpa和1.69Mpa。

实施步骤3之前还包括：使用双重Stress-In-Motion系统进行了轮胎应力测量，双重Stress-In-Motion有两个SIM垫组件，每个测量公称面积为750×357毫米，单个垫组件的SIM MkIV测量系统包含1041个检测钉，其中由21个线性阵列排布的应变仪一起进行检测，这些仪表化的检测销被安排在SIM垫外侧，其余的作为支撑来测试轮胎的印迹，这些别针成圆锥形，50毫米高，被固定到45毫米厚的硬钢基板上，测试钉将测量到的作用力通过除以作用面积，将其转化为应力，每条花纹都有多个测试钉来测量其接触应力，通对每一个测量钉合力的加权平均来计算出每一个花纹和每一种情况下的单一曲线来表征每一个力的分布，即：

α―花纹所承受的施加荷载的比例，对于目前使用的各种类型的飞机轮胎，α＝0.28，0.11或0.22；

P-应变仪表读数，即获得的作用力；l-应力作用范围的长度；b-应力作用范围的宽度；x-花纹的长度，n-检测起效的别针个数；

假定最大接触应力在接触长度的中点，则n可以算成：

σmax对于目前使用的各种类型的飞机轮胎，取值为充气压力的1.1倍或2.2倍。

步骤4包括：垂向接触力通过DLOAD加载，水平向接触力通过UTRACLOAD加载，轮胎力关于X轴对称，每个加载过程中，轮胎力沿X轴正方向在路表移动，在X方向沿路面边界0.5m以内以轮胎力加载区域，轮胎力由路面左侧以200km/h的速度匀速运动到右侧完成一次加载，耗时t1，轮胎力加载结束后，仿真仍持续一段时间t2，使得道面材料变形充分恢复，单词加载过程的时间长度T＝t1+t2，综合考虑秋节效率以及实际轮胎的加载时间间隔，确定T＝1s。

步骤4轮胎力对机场道面的反复作用形成矩形轮印，轮胎印记的长宽比通常设定为1.452。

优选的，矩形轮印长度和宽度分别为a和b，计算方法如(5)所示，其中L可按公式(6)计算：

其中，L表示组合轮印假定的长度，A表示组合轮印的面积，L的计算公式为公式(6)：

本实施例的实施对于复杂移动的飞机轮胎力作用于机场道面的有限元模拟非常有效，道面的黏弹性力学行为分析精度高，其中应变硬化率关系式中的蠕变应变率与时间无关，而移动轮胎力属于非恒定载荷，因此在路面模型中沥青混合料的如变法采用了两种关系式联合分析，在轮胎力反复作用下，机场道面内部的应力分布区域均匀，中层面承受较大的拉伸和压缩应力，此外，在分析过程中还获得了轮胎工作参数相同的条件下，双轴组轮胎会比单轴组轮胎形式产生更大的残余形变，破坏效应显著，为机场道面和起落架轮胎选型的匹配提供了参考依据。

虽然本发明已经参考特定的说明性实施例进行了描述，但是不会受到这些实施例的限定而仅仅受到附加权利要求的限定。本领域技术人员应当理解可以在不偏离本发明的保护范围和精神的情况下对本发明的实施例能够进行改动和修改。

Claims (9)

1.一种基于有限元软件的机场道面轮胎加载模型建立方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1，建立机场道面模型，所述机场道面模型分为三层建筑，并且各层沥青混合料的组成互不相同形成三个结构层，即上层、中层和下层，其中所述机场道面模型中X轴方向为飞机行进方向，Y轴方向为机场道面横向，Z轴的负方向为深度方向；

步骤2，选择材料模型并设置参数；

步骤3，建立移动载荷为特征的轮胎荷载施加模型，其中所述轮胎为单轴单轮组、单轴双轮组或者双轴双轮组三种形式，并进一步施加轮胎充气胎压，以200km/h自由滚动，对此工况下三种形式的轮胎进行稳态滚动分析获得三向轮胎力空间分布形式；

步骤4，采用有限元软件的用户子程序实现轮胎力对机场道面的反复作用并进行力学分析。

2.根据权利要求1所述的一种基于有限元软件的机场道面轮胎加载模型建立方法，其特征在于所述步骤2所述道面采用蠕变模型描述其中沥青混合料的力学行为，将t时刻沥青混合料的总应变A(t)分解为弹性应变A(te)和非弹性应变A(tin)，其中非弹性应变A(tin)包括塑性应变A(tinp)和蠕应变A(tine)。

3.根据权利要求2所述的一种基于有限元软件的机场道面轮胎加载模型建立方法，其特征在于所述步骤2的道面模拟包括：1)假设在飞机起落架轮胎荷载作用下，沥青混合料尚未进入屈服阶段，则A(tinp)＝0，A(t)＝A(te)+A(tin)(1)，其中A(te)与时间无关，A(tin)是时间t、温度T和应力B的函数；2)假设在飞机起落架荷载作用下，沥青混合料处于主蠕变区，在温度固定的条件下，A(tin)＝f(t,B)＝C(Bⁿt^m+1)/m+1(2)，其中A,m，n均为材料的蠕变参数，将公式(2)对时间微分就可以获得用于恒定负载下的蠕变分析的蠕变应变率：

dA(tin)/dt＝CBⁿt^m+1 (3)

以及用于非恒定负载下的蠕变分析的与时间无关的应变硬化率公式，即

dA(tin)/dt＝CBⁿ[(m+1)A(tin)]^m+1/(m+1) (4)

式(4)中的蠕变应变率与应力和如变量的累积量相关，与时间无关。

4.根据权利要求1所述的一种基于有限元软件的机场道面轮胎加载模型建立方法，其特征在于所述步骤2所述材料为线弹性本构关系的材料，其中上层、中层、下层、基层、底基层的厚度分别为4cm、6cm、10cm、36cm、20cm，上层、中层、下层、基层、底基层和路基的模量分别为530、440、710、1600、800和40MPa，泊松比分别为0.45、0.40、0.35、0.35、0.20以及0.40。上层、中层、下层的C选择0.00002，0.00004和0.000002。

5.根据权利要求1所述的一种基于有限元软件的机场道面轮胎加载模型建立方法，其特征在于所述步骤3的所述胎压为：1.45Mpa和1.69Mpa。

6.根据权利要求1所述的一种基于有限元软件的机场道面轮胎加载模型建立方法，其特征在于实施所述步骤3之前还包括：使用双重Stress-In-Motion系统进行了轮胎应力测量，所述双重Stress-In-Motion有两个SIM垫组件，每个测量公称面积为750×357毫米，单个垫组件的SIM Mk IV测量系统包含1041个检测钉，其中由21个线性阵列排布的应变仪一起进行检测，这些仪表化的检测销被安排在SIM垫外侧，其余的作为支撑来测试轮胎的印迹，这些别针成圆锥形，50毫米高，被固定到45毫米厚的硬钢基板上，测试钉将测量到的作用力通过除以作用面积，将其转化为应力，每条花纹都有多个测试钉来测量其接触应力，通对每一个测量钉合力的加权平均来计算出每一个花纹和每一种情况下的单一曲线来表征每一个力的分布，即：

α―花纹所承受的施加荷载的比例，对于目前使用的各种类型的飞机轮胎，α＝0.28，0.11或0.22；

P-应变仪表读数，即获得的作用力；l-应力作用范围的长度；b-应力作用范围的宽度；x-花纹的长度，n-检测起效的别针个数；

假定最大接触应力在接触长度的中点，则n可以算成：

σmax对于目前使用的各种类型的飞机轮胎，取值为充气压力的1.1倍或2.2倍。

7.根据权利要求1所述的一种基于有限元软件的机场道面轮胎加载模型建立方法，其特征在于所述步骤4包括：垂向接触力通过DLOAD加载，水平向接触力通过UTRACLOAD加载，轮胎力关于X轴对称，每个加载过程中，轮胎力沿X轴正方向在路表移动，在X方向沿路面边界0.5m以内以轮胎力加载区域，轮胎力由路面左侧以200km/h的速度匀速运动到右侧完成一次加载，耗时t1，轮胎力加载结束后，仿真仍持续一段时间t2，使得道面材料变形充分恢复，单词加载过程的时间长度T＝t1+t2，综合考虑秋节效率以及实际轮胎的加载时间间隔，确定T＝1s。

8.根据权利要求7所述的一种基于有限元软件的机场道面轮胎加载模型建立方法，其特征在于所述步骤4所述轮胎力对机场道面的反复作用形成矩形轮印，轮胎印记的长宽比通常设定为1.452。

9.根据权利要求8所述的一种基于有限元软件的机场道面轮胎加载模型建立方法，其特征在于所述矩形轮印长度和宽度分别为a和b，计算方法如(5)所示，其中L可按公式(6)计算：

其中，L表示组合轮印假定的长度，A表示组合轮印的面积，L的计算公式为公式(6)：

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