CN114858327B - 一种基于土压力计的飞机轮迹识别方法 - Google Patents

一种基于土压力计的飞机轮迹识别方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于土压力计的飞机轮迹识别方法，该识别方法包括以下步骤，将若干个土压力计以分布式排列方式埋设于机场跑道的地层内；将各土压力计的输出端通过数据线相连，并通过数据线将土压力计的输出信号传输至计算机终端；形成双参数地基薄板模型，通过土压力值代替挠度来判断识别飞机载荷的作用位置；本发明通过在机场跑道内埋设土压力计，通过将飞机降落时对跑道的压力转化为挠度，从侧面反映出机场跑道的运营状况，避免跑道运营过程中的各种安全隐患；土压力计与计算机终端相连，可以实现机场跑道土压力值监测数据的连续采集和即时传输，实现跑道内部结构变化的可视化。

Description

一种基于土压力计的飞机轮迹识别方法
技术领域
本发明涉及机场工程试验技术领域，尤其涉及一种基于土压力计的飞机轮迹识别方法。
背景技术
随着我国机场建设的发展，其建设规模不断扩大，机场运营过程中各种监测数据的重要性也在不断提高。而飞机轮迹是机场跑道正常运行过程中重要的监测数据。一般来说，降落时飞机鼻轮需沿着跑道中线行驶，若出现轮迹偏移，则可能出现冲出跑道的情况。因此通过轮迹的监测，可以判断飞机的运营情况，避免该类事故的发生。但是，由于飞机降落过程过于短暂，无法通过常规的监测手段直接获得，目前尚无测试飞机降落过程中位置的有效方法，无法对其进行较为有效的反馈。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述现有飞机轮迹识别存在的问题，提出了本发明。
因此，本发明目的是提供一种基于土压力计的飞机轮迹识别方法，其目的在于解决现有技术中没有针对飞机降落轮迹的监测方法，进而用于判断飞机及机场跑道的运营状况。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种基于土压力计的飞机轮迹识别方法，该识别方法包括以下步骤，将若干个土压力计以分布式排列方式埋设于机场跑道的地层内；将各土压力计的输出端通过数据线相连，并通过数据线将土压力计的输出信号传输至计算机终端；形成双参数地基薄板模型，通过土压力值代替挠度来判断识别飞机载荷的作用位置。
作为本发明所述基于土压力计的飞机轮迹识别方法的一种优选方案，其中：所述土压力计沿着机场跑道的纵向并排布置，且排数不少于3，每排并列布设不少于3个土压力计。
作为本发明所述基于土压力计的飞机轮迹识别方法的一种优选方案，其中：所述地层包括跑道面层和跑道基层，所述土压力计装设在跑道面层和跑道基层之间，且埋设于跑道基层的部分大于埋设在跑道面层的部分。
作为本发明所述基于土压力计的飞机轮迹识别方法的一种优选方案，其中：每排两外侧的土压力计位置距离机场跑道纵向延伸面两侧的距离为50cm，位于机场跑道延伸面最外侧的一排土压力计距离机场跑道边缘为100cm。
作为本发明所述基于土压力计的飞机轮迹识别方法的一种优选方案，其中：所述土压力计安装在放置槽内，所述放置槽开设在跑道基层和跑道面层内，其槽宽20cm，槽深为10cm。
作为本发明所述基于土压力计的飞机轮迹识别方法的一种优选方案，其中：保持安装后的各土压力计的安装高度相同，与各土压力计对应相连的数据线从跑道基层顶面引出，之后通过浇筑混凝土使土压力计完全包裹在跑道地层内。
作为本发明所述基于土压力计的飞机轮迹识别方法的一种优选方案，其中：所述双参数地基薄板模型的数据模型如下：
其中，双参数地基薄板的微分方程为：
Figure BDA0003546853930000021
四边简支的边界条件为：
w|x＝0＝w|x＝L＝w|y＝0＝w|y＝B＝0
其中，D表示为飞机跑道面板弯曲刚度，w(x，y)表示为挠度，k1、k2为双参数地基模型的地基表征参数，q(x，y)表示为外荷载、L表示为飞机跑道面板的长，B表示为飞机跑道面板的宽。
作为本发明所述基于土压力计的飞机轮迹识别方法的一种优选方案，其中：所述数据模型处理过程如下：
将挠度w(x，y)分离为两个三角函数的乘积，即：
Figure BDA0003546853930000022
当m和n为整数时，边界条件均可以满足，当薄板在在任意点(x0，y0)受集中力P作用时，将式(2)带入式(1)，解得Amn：
Figure BDA0003546853930000023
其中：m表示为挠度展开的级数项，取1、3、5···，n表示为挠度展开的级数项，取1、3、5···，L表示为飞机跑道面板的长，B表示为飞机跑道面板的宽，P表示为飞机集中荷载的大小，x0表示为集中荷载作用位置横坐标， y0表示为集中荷载作用位置纵坐标，D表示为飞机跑道面板弯曲刚度，k1、k2表示为双参数地基模型地基表征参数；
土压力值近似与挠度成正比，即w＝λσ，λ表示与机场跑道地层材料物理性质的参数，带入式(2)可得式(4)、(5)：
Figure BDA0003546853930000031
Figure BDA0003546853930000032
基于三个读数最大的传感器，求解非线性方程组，得到P/λ、x0、y0三个值，其中P/λ表示为外荷载的相对值，x0、y0即为飞机荷载的坐标位置。
本发明的有益效果：
本发明通过在机场跑道内埋设土压力计，通过将飞机降落时对跑道的压力转化为挠度，从侧面反映出机场跑道的运营状况，避免跑道运营过程中的各种安全隐患；土压力计与计算机终端相连，可以实现机场跑道土压力值监测数据的连续采集和即时传输，实现跑道内部结构变化的可视化。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明基于土压力计的飞机轮迹识别方法的场景示意图。
图2为本发明基于土压力计的飞机轮迹识别方法的机场跑道层次结构示意图。
图3为本发明基于土压力计的飞机轮迹识别方法的土压力计布置位置示意图。
图4为本发明基于土压力计的飞机轮迹识别方法的土压力计连接电路示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
再其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
实施例1
参照图1～4，为本发明第一个实施例，提供了一种基于土压力计的飞机轮迹识别方法，此识别方法包括以下步骤：
将若干个土压力计T以分布式排列方式埋设于机场跑道的地层D内；将各土压力计T的输出端通过数据线相连，并通过数据线将土压力计T的输出信号传输至计算机终端；形成双参数地基薄板模型，通过土压力值代替挠度来判断识别飞机载荷的作用位置。
具体的，选取飞机自空中到完全接触机场跑道的一段作为监控区，在此监控区的机场跑道内先进行土压力计T的安装，再将各土压力计T通过数据线连接，最终都接入计算机终端的处理系统内，从而在处理后得到飞机轮迹的作用位置。
进一步的，土压力计T沿着机场跑道的纵向并排布置，且排数不少于3，每排并列布设不少于3个土压力计T。
地层D包括跑道面层D1和跑道基层D2，土压力计装设在跑道面层D1和跑道基层D2之间，且埋设于跑道基层D2的部分大于埋设在跑道面层D1的部分。
每排两外侧的土压力计T位置距离机场跑道纵向延伸面两侧的距离为50cm，位于机场跑道延伸面最外侧的一排土压力计距离机场跑道边缘为100cm。
土压力计安装在放置槽A内，放置槽A开设在跑道基层D2和跑道面层D1 内，其槽宽20cm，槽深为10cm。
保持安装后的各土压力计T的安装高度相同，与各土压力计T对应相连的数据线从跑道基层D2顶面引出，之后通过浇筑混凝土使土压力计T完全包裹在跑道地层D内。
进一步的，此监控区为沿着机场跑道延伸方向的矩形区域，用长度L表示为此区域机场跑道的长度，宽度B表示为此区域机场跑道的宽度。土压力计T 分布式埋设在此区域内机场跑道的地层D中。此地层D包括有位于上层的跑道面层D1和位于跑道面层D1下方的跑道基层D2。
先进行土压力计T的安装，在机场跑道面基层施工养护完成后，在预定需要安装土压力计T的位置进行开槽，即开设放置槽A，槽宽20cm，槽深10cm，而后将土压力计T下平面放置在放置槽A的槽腔底部，其上平面凸出于放置槽 A的顶部槽口，最终确保各处土压力计T的安装高度相同，埋置的数据测试环境一致，将各土压力计T的输出线与外部的数据线相连，使得数据线从跑道基层D2的顶面引出，之后再浇筑跑道面层D1的混凝土使土压力计T被完全包覆在跑道地层D内。
土压力计T成排分布，本实施例中以每排3个，多排并列的分布方式沿着监控区内的机场跑道的延伸方向分布，而位于矩形区域长度侧边缘的土压力计T 距区域边缘50cm，位于矩形区域宽度侧边缘的土压力计T距区域边缘100cm，非边缘的土压力计T则位于各排的中点位置。
飞机载荷在此监控区降低时，飞机的轮胎相继与机场跑道的面层接触，并对跑道面层D1产生巨大压力，各处土压力计T由于位置不同，能够监测到跑道面层D1不同位置的压力大小，从而产生压力数据，通过数据线将土压力信号输出进计算机终端。
实施例2
参照图1，为本发明的第二个实施例，该实施例不同于第一个实施例的是：为针对上述实施例测得的土压力数据的测量方法，由于土压力值近似与机场跑道地层D的挠度成正比，用土压力值代替挠度可求出荷载的作用位置。基于双参数地基薄板模型，考虑飞机跑道面板四边简支的情况(理解为跑道面板四周的竖向位移为0，允许有水平面内的位移和转角)，可得机场跑道地层D的挠度如下：
其中，双参数地基薄板的微分方程为：
Figure BDA0003546853930000061
四边简支的边界条件为：
w|x＝0＝w|x＝L＝w|y＝0＝w|y＝B＝0
其中，D表示为飞机跑道面板弯曲刚度，w(x，y)表示为挠度，k1、k2为双参数地基模型的地基表征参数，q(x，y)表示为外荷载、L表示为飞机跑道面板的长，B表示为飞机跑道面板的宽。
数据模型处理过程如下：
将挠度w(x，y)分离为两个三角函数的乘积，即：
Figure BDA0003546853930000062
当m和n为整数时，边界条件均可以满足，当薄板在在任意点(x0，y0)受集中力P作用时，将式(2)带入式(1)，解得Amn：
Figure BDA0003546853930000063
其中：m表示为挠度展开的级数项，取1、3、5···，n表示为挠度展开的级数项，取1、3、5···，L表示为飞机跑道面板的长，B表示为飞机跑道面板的宽，P表示为飞机集中荷载的大小，x0表示为集中荷载作用位置横坐标， y0表示为集中荷载作用位置纵坐标，D表示为飞机跑道面板弯曲刚度，k1、k2表示为双参数地基模型地基表征参数。
其中，D表示的飞机跑道面板弯曲刚度，其表达式为：
Figure BDA0003546853930000064
其中，E表示为跑道面层D1的弹性模量，h表示为跑道面层D1的厚度，μ表示为跑道面层D1的材料泊松比。
土压力值近似与挠度成正比，即w＝λσ，λ表示与机场跑道地层材料物理性质的参数，带入式(2)可得式(4)、(5)：
Figure BDA0003546853930000065
Figure BDA0003546853930000066
基于三个读数最大的传感器，求解非线性方程组，得到P/λ、x0、y0三个值，其中x0、y0即为飞机荷载的坐标位置，P/λ表示为外荷载的相对值。
应用实例：
选定一段机场跑道为监控区，此区域的机场跑道为水泥混凝土面板，长为 10m，宽为6m，厚度0.4m，布置有3排，每排各3个土压力计T，并通过编号进行区分，如附图1和4中所示，其中，第一排为：①号位、②号位、③号位；第二排为：④号位、⑤号位、⑥号位；第三排为：⑦号位、⑧号位、⑨号位；参数k1、k2通常采用现场测定取得相关参数，本实例中取k1＝4×107N/m3，k2＝ 1.2×107N/m3，E＝3×104MPa，μ＝0.2。
计算得到：
Figure BDA0003546853930000071
通过数据采集和处理得到最大的三处传感器读数(传感器位置如图1所示)分别为：②号σ1＝10.89MPa、④号位σ2＝13.75MPa、⑤号位σ3＝66.63MPa。带入式(4)得到方程组(6)：
Figure BDA0003546853930000072
其中：
Figure BDA0003546853930000073
解上述方程组(6)，得到x0＝326.5cm，y0＝216.7cm，即飞机荷载集中力所处位置。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (6)

1.一种基于土压力计的飞机轮迹识别方法，其特征在于：包括，
将若干个土压力计以分布式排列方式埋设于机场跑道的地层内；
将各土压力计的输出端通过数据线相连，并通过数据线将土压力计的输出信号传输至计算机终端；
形成双参数地基薄板模型，通过土压力值代替挠度来判断识别飞机载荷的作用位置；
所述双参数地基薄板模型的数据模型如下：
其中，双参数地基薄板的微分方程为：
Figure FDA0003989832580000011
四边简支的边界条件为：
w|x＝0＝w|x＝L＝w|y＝0＝w|y＝B＝0
其中，D表示为飞机跑道面板弯曲刚度，w(x,y)表示为挠度，k1、k2为双参数地基模型的地基表征参数，q(x,y)表示为外荷载、L表示为飞机跑道面板的长，B表示为飞机跑道面板的宽；
所述数据模型处理过程如下：
将挠度w(x,y)分离为两个三角函数的乘积，即：
Figure FDA0003989832580000012
当m和n为整数时，边界条件均可以满足，当薄板在在任意点(x0,y0)受集中力P作用时，将式(2)带入式(1)，解得Amn：
Figure FDA0003989832580000013
其中：m表示为挠度展开的级数项，取1、3、5···，n表示为挠度展开的级数项，取1、3、5···，L表示为飞机跑道面板的长，B表示为飞机跑道面板的宽，P表示为飞机集中荷载的大小，x0表示为集中荷载作用位置横坐标，y0表示为集中荷载作用位置纵坐标，D表示为飞机跑道面板弯曲刚度，k1、k2表示为双参数地基模型地基表征参数；
土压力值近似与挠度成正比，即w＝λσ，λ表示与机场跑道地层材料物理性质的参数，带入式(2)可得式(4)、(5)：
Figure FDA0003989832580000014
Figure FDA0003989832580000021
基于三个读数最大的传感器，求解非线性方程组，得到P/λ、x0、y0三个值，其中P/λ表示为外荷载的相对值，x0、y0为飞机荷载的坐标位置。
2.根据权利要求1所述的基于土压力计的飞机轮迹识别方法，其特征在于：所述土压力计沿着机场跑道的纵向并排布置，且排数不少于3，每排并列布设不少于3个土压力计。
3.根据权利要求2所述的基于土压力计的飞机轮迹识别方法，其特征在于：所述地层包括跑道面层和跑道基层，所述土压力计装设在跑道面层和跑道基层之间，且埋设于跑道基层的部分大于埋设在跑道面层的部分。
4.根据权利要求1～3任一所述的基于土压力计的飞机轮迹识别方法，其特征在于：每排两外侧的土压力计位置距离机场跑道纵向延伸面两侧的距离为50cm，位于机场跑道延伸面最外侧的一排土压力计距离机场跑道边缘为100cm。
5.根据权利要求4所述的基于土压力计的飞机轮迹识别方法，其特征在于：所述土压力计安装在放置槽内，所述放置槽开设在跑道基层和跑道面层内，其槽宽20cm，槽深为10cm。
6.根据权利要求5所述的基于土压力计的飞机轮迹识别方法，其特征在于：保持安装后的各土压力计的安装高度相同，与各土压力计对应相连的数据线从跑道基层顶面引出，之后通过浇筑混凝土使土压力计完全包裹在跑道地层内。
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