通航機(jī)場(chǎng)跑道道面承載能力分析

劉文芝，鄧月秋，何潔茹

（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 航空學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051）

機(jī)場(chǎng)跑道是飛機(jī)載荷的主要承載區(qū)域，ICAO 規(guī)定，起飛重量超過(guò)5 700 kg 的飛機(jī)，用飛機(jī)等級(jí)序號(hào)ACN 和道面等級(jí)序號(hào)PCN 的方法來(lái)確定飛機(jī)壓強(qiáng)和跑道強(qiáng)度間的關(guān)系；若PCN 大于ACN 值，則這類(lèi)跑道可無(wú)限使用，特殊情況下，如果ACN 超過(guò)PCN 的5%～10%時(shí)，仍可使用，但跑道使用壽命會(huì)縮短[1]。

目前，根據(jù)承載機(jī)型的不同，機(jī)場(chǎng)跑道道面材料主要有剛性水泥混凝土和非剛性瀝青道面，采用哪種材料的道面，一方面取決于其承載強(qiáng)度，另一方面還需考慮其承載變形問(wèn)題。雖然通航機(jī)場(chǎng)運(yùn)行的飛機(jī)機(jī)型一般為中小型飛機(jī)，但隨使用時(shí)間的推移，道面的裂紋、破損和局部沉降等問(wèn)題依然存在，對(duì)飛機(jī)和人員的安全產(chǎn)生威脅。因此，在跑道承載機(jī)型一定的前提下，道面材料承載能力的影響問(wèn)題，是保證飛行和機(jī)場(chǎng)運(yùn)行安全的關(guān)鍵。

基于以上問(wèn)題，本文以飛行區(qū)指標(biāo)Ⅱ?yàn)锽 的通用航空機(jī)場(chǎng)跑道道面承載能力問(wèn)題為算例，在A 類(lèi)通航飛機(jī)總體設(shè)計(jì)[2]的基礎(chǔ)上，最大承載起飛重量為9 975 kg，考慮機(jī)輪間距以及機(jī)輪與道面間的摩擦，建立飛機(jī)與剛性和柔性兩種材料的道面摩擦接觸有限元計(jì)算模型；采用CAE 方法，直觀地分析了兩種材料的跑道道面，在飛機(jī)載荷作用下，不均勻下沉和承載能力問(wèn)題。

1 水泥混凝土道面的承載能力分析

結(jié)合MH/T 5004—2010《民用機(jī)場(chǎng)水泥混凝土道面設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]設(shè)置道面結(jié)構(gòu)及相關(guān)參數(shù)。道面干燥時(shí)，機(jī)輪與道面間的靜摩擦因數(shù)為0.4～0.8，取0.6。

1.1 有限元計(jì)算模型

前起落架機(jī)輪與主起落架機(jī)輪分別與跑道表面接觸。根據(jù)機(jī)體和跑道參數(shù)，建立飛機(jī)與道面摩擦接觸有限元計(jì)算模型，如圖1 所示。

圖1 飛機(jī)與道面摩擦接觸有限元計(jì)算模型

1.2 道面承載強(qiáng)度

在飛機(jī)載荷作用下，水泥混凝土干燥道面的Z、X和Y 方向的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖2-圖4 所示。

圖2 Z 方向的應(yīng)力

圖3 X 方向的應(yīng)力

圖4 Y 方向的應(yīng)力

由圖2-圖4 可知，在飛機(jī)最大重量載荷作用下，后主起落架機(jī)輪對(duì)道面的壓力大于前起落架機(jī)輪的壓力。Z、X 和Y 方向的應(yīng)力極值分別為2.16、1.44 和1.49 MPa；在垂直跑道面的Z 方向，應(yīng)力最大，產(chǎn)生在機(jī)輪作用面的中心位置。由于摩擦的存在，X 和Y 方向的應(yīng)力極值，分別產(chǎn)生在機(jī)輪壓縮變形趨勢(shì)方向。

對(duì)于飛行區(qū)指標(biāo)Ⅱ?yàn)锽 的機(jī)場(chǎng)，滿足水泥混凝土道面4.5 MPa 的強(qiáng)度要求。因此，該水泥混凝土道面，滿足強(qiáng)度要求。

1.3 道面沉降

1.3.1 沉降區(qū)域

在飛機(jī)載荷作用下，水泥混凝土干燥道面的Z、X 和Y 方向的變形作用區(qū)域的計(jì)算結(jié)果，如圖5-圖7 所示。

圖5 Z 方向的變形作用區(qū)域

圖6 X 方向的變形作用區(qū)域

由圖5-圖7 可知，在飛機(jī)載荷作用下，水泥混凝土干燥道面沿垂向Z 方向主要向深度方向延伸；在機(jī)輪變形和機(jī)體載荷共同作用下，沿道面寬度X 方向，道面變形有一定擴(kuò)展；而沿道面長(zhǎng)度Y 方向，道面變形擴(kuò)展最為嚴(yán)重，前起落架和主起落架的作用下，變形區(qū)域級(jí)別連通。因此，跑道道面如果出現(xiàn)強(qiáng)度不足，其裂紋主要向長(zhǎng)度方向擴(kuò)展。

1.3.2 沉降量

在飛機(jī)載荷作用下，水泥混凝土干燥道面的Z、X和Y 方向的沉降情況的計(jì)算結(jié)果，放大后的顯示，如圖8-圖10 所示。

圖8 Z 方向的沉降

圖9 X 方向的沉降

圖10 Y 方向的沉降

由圖8-圖10 可知，在飛機(jī)載荷作用下，水泥混凝土干燥道面沿Z、X 和Y 方向沉降極值分別為0.164×10-5、0.223×10-6和0.189×10-6mm；最大沉降變形產(chǎn)生在垂直道面的Z 方向。

水泥混凝土干燥道面，跑道三個(gè)方向的沉降很小，同時(shí)強(qiáng)度滿足要求，因此，正常承載情況下，不會(huì)有微裂紋的產(chǎn)生；道面第二層會(huì)受機(jī)體載荷一定程度的影響，其余層強(qiáng)度支撐作用很好。

2 瀝青道面承載能力分析

結(jié)合MH/T 5010—2017《民用機(jī)場(chǎng)瀝青道面設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]設(shè)置道面結(jié)構(gòu)及相關(guān)參數(shù)。道面干燥時(shí)，機(jī)輪與道面間的靜摩擦因數(shù)為0.4～0.8，取0.7。

2.1 道面強(qiáng)度

在飛機(jī)載荷作用下，瀝青混凝土干燥道面的Z、X和Y 方向的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，如圖11-圖13 所示。

圖11 Z 方向的應(yīng)力

圖12 X 方向的應(yīng)力

圖13 Y 方向的應(yīng)力

由圖10-圖13 可知，與水泥混凝土道面相比，在飛機(jī)載荷作用下，瀝青混凝土的較軟的材料和較大的變形，使得在飛機(jī)最大重量載荷作用下，Z、X 和Y 方向的應(yīng)力極值分布并不相同；由于瀝青道面較軟，且層數(shù)多，三個(gè)方向的應(yīng)力極值逐漸減?。淮怪钡烂娴腪 方向，前起落架和主起落架機(jī)輪對(duì)道面承載能力影響皆大，最大應(yīng)力為0.131 MPa，滿足道面材料0.44 MPa 許用應(yīng)力要求。

2.2 道面沉降

在飛機(jī)載荷作用下，瀝青混凝土干燥道面的Z、X和Y 方向的變形和沉降計(jì)算結(jié)果，放大顯示，如圖14-圖16 所示。

圖14 Z 方向沉降

圖15 X 方向沉降

圖16 Y 方向沉降

由圖14-圖16 可知，在飛機(jī)載荷作用下，與水泥混凝土干燥道面相比，瀝青混凝土沿Z、X 和Y 方向的沉降大于水泥混凝土道面，其變形極值分別為0.296×10-4、0.318×10-5和0.348×10-5mm；最大沉降變形產(chǎn)生在垂直道面的Z 方向。

與水泥混凝土道面相比，瀝青道面的最大沉降是其18.048 倍；其沉降深度影響和變形范圍更大，其余層強(qiáng)度支撐作用很好。

3 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)飛行區(qū)指標(biāo)Ⅱ?yàn)锽 的通航機(jī)場(chǎng)，以水泥混凝土道面和瀝青道面為算例，建立了飛機(jī)與道面間的摩擦接觸有限元計(jì)算模型，對(duì)兩種材料跑道道面的強(qiáng)度和不均勻下沉的情況，用CAE 方法進(jìn)行了對(duì)比分析，簡(jiǎn)單直觀易于理解；計(jì)算中未考慮地區(qū)環(huán)境溫度、濕度以及飛機(jī)著陸沖擊力等對(duì)跑道道面材料性能的影響。計(jì)算結(jié)果表明，在靜載荷作用下，水泥混凝土干燥道面主要失效形式是強(qiáng)度，而瀝青混凝土道面的主要失效形式是變形。