飞机拦阻用泡沫混凝土材料压缩性能的表征

姚红宇，史亚杰，肖宪波，孔祥骏

(中国民航科学技术研究院，北京 100028)

0 引言

飞机冲/偏出跑道是民航安全面临的主要威胁之一。为应对飞机冲出跑道，国际国内的民航标准均要求在跑道端以外设置一定长度的安全区，以便飞机冲出跑道后能在这段安全区内停下来。然而，一些机场受地理条件或者建筑物的限制，无法设置长度符合要求的安全区，机场因此达不到安全标准。再有，一些机场安全区外的地形很危险，比如陡坡、水域等，飞机一旦冲出安全区则后果很严重。特性材料拦阻系统(Engineered Material Arresting System，EMAS)是国内外公认的解决这一问题的安全设施［1］。EMAS 的原理是将一定长度、一定厚度的低强度泡沫混凝土材料铺设在安全区的地面上，飞机冲出跑道后便滑行进入其中，泡沫混凝土材料被飞机的机轮压碎，破碎过程吸收飞机的动能，使飞机在安全的前提下逐渐减速并最终停止在预定的距离处。

EMAS 的核心技术之一是对飞机机轮所受阻力的准确预测［2-4］，这就需要掌握泡沫混凝土材料的力学性能。笔者参与了对这类材料的压缩行为和唯象本构关系的研究［5-6］，掌握了这类材料的基本压缩行为和常规压缩性能。然而，必须结合拦阻力模型研究，才能回答从建立和验证拦阻力模型的目的出发，什么样的材料压缩性能表征能够满足建模要求。笔者研究了拦阻力模型［2］，分析了拦阻工况的特点［7］，研究了这类材料在类似工况下的压缩行为，结合这些研究结果，提出了专门针对拦阻用途的泡沫混凝土材料压缩性能的表征方法，为拦阻力计算提供了恰当的材料参数。

1 实验内容与结果分析

1.1 传统实验方法

泡沫混凝土材料长期以来用作保温、隔音的建筑材料，因此人们一直用抗压强度来表征材料的压缩性能［8］。但是在飞机拦阻应用中，材料不仅要被机轮压缩至破坏，还要进一步被压缩成粉末，直至粉末被压实［7］。抗压强度显然不能表征材料的全部压缩过程，而应该采用压缩曲线，压缩曲线终止点的应力水平不能低于轮胎的接触胎压。

在常规的压盘压缩实验中，脆性的泡沫混凝土材料大量剥落(图1)，无法进行有效的压缩曲线测试，必须另寻他法。

图1 常规压缩实验中材料的剥落Fig.1 Material's peeling off during conventional compression test

1.2 侵彻实验方法

国外研究者提出侵彻实验(Penetration Test)方法［9］(图2)，避免了材料的剥落，获得了重现性较好的压缩曲线。为与后面谈到的双侵彻实验方法区别，笔者将此方法称为单侵彻实验法。该方法是压力试验机将直径为50 mm 的钢制压头以500 mm/min 的速率压入大块材料中，随时间记录位移量与压缩应力，最后绘制成应力-应变(或位移)曲线。这类材料典型的侵彻压缩曲线(图3中的单侵彻曲线)分为3 个阶段:第一阶段在a 点之前，为压头下材料的弹性变形段，与整条曲线相比这一阶段很短暂，可以忽略;第二阶段在a、b 点之间，这个阶段中压头下的局部材料被压缩至溃缩(图4)，形成压头下的溃缩区，并与四周的完好材料之间形成截然分明的边界，随着压头的移动，越来越多的材料被压溃进入溃缩区，溃缩区横向尺寸始终保持与压头的横向尺寸一致，但长度略有增加，并被推动下移;第三阶段在b 点之后，这个阶段压头下的溃缩区接触到底盘并被压实，应力快速增加。

图2 单侵彻实验中加载开始前的试样与压头Fig.2 Specimen and punch head before loading in the single penetration test

图3 侵彻实验获得的典型曲线Fig.3 Typical profiles obtained during the penetration tests

侵彻压缩曲线的第一阶段和第三阶段表现出较大的分散度。曲线的第二阶段变形跨度大，应力水平较低且较平稳，曲线分散度小，是材料溃缩吸能的主要阶段。

图4 在单侵彻压缩曲线的第二阶段终止实验、抽出压头后压头下的溃缩区Fig.4 Crushed area beneath the punch head after stopping test proceeding and withdrawing the punch head in the second phase of the single penetration profile

从图4 可以看出，压头下材料的溃缩表现出高度的局部性。表观压缩应力除来自材料的溃缩抗力外，还包含了压头及溃缩区与四周完好材料在界面上相互作用(比如剪切、摩擦)的反力。这个特点与飞机轮胎压入泡沫材料时的工况相似［7］，不同之处在于，飞机轮胎的后方没有完好材料的包围。将侵彻实验获得的压缩曲线(图3中的单侵彻曲线)作为材料参数用于阻力计算时，计算结果与模拟实验［10］的结果差异仍较大。

1.3 双侵彻实验方法

为解决上述问题，笔者提出了双侵彻实验方法［11］，即在单侵彻实验形成的孔的附近与之相切的位置进行第二次侵彻实验，第二次侵彻时溃缩区中的部分材料粉末可以挤破与第一个孔相邻的部分孔壁而流入第一个孔中，在一定程度上减小了对溃缩区的约束，更加接近飞机轮胎压入材料时的工况。双侵彻实验所得到的压缩曲线如图3中的双侵彻曲线所示，与单侵彻曲线类似，仍然呈现3 个阶段。双侵彻曲线第二阶段的斜率更小，因而相同应变处的应力更小，第三阶段开始点略为推后。将双侵彻得到的压缩曲线用于阻力计算，得到了较为满意的计算精度［2］。因此双侵彻曲线更好地表征了泡沫混凝土材料在用于拦阻目的时的压缩性能。

2 分析与讨论

前已述及，侵彻试验方法，尤其是双侵彻试验方法能够获得满意的实验结果，对于飞机拦阻这一具体应用场合中材料的力学性能有较为全面和准确的表征。从侵彻试验过程中材料的剖面图(图4)可以看出，溃缩区下方的材料处于原始状态，与已发生的溃缩无关，只有压头扫过的材料发生了溃缩，因此溃缩状态与压头扫过的材料厚度(即位移)有关，而与材料的原始厚度没有直接关系，亦即与应变没有直接关系。因此，无论单侵彻还是双侵彻，都应该采用位移而非应变来表征压缩程度，或者仅针对确定的材料厚度使用应变。

由于泡沫混凝土材料的固有特性，其力学性能的分散度较大。笔者经大量测试发现，相对于单侵彻压缩曲线，同批材料的双侵彻压缩曲线分散度更小。根据实验结果笔者提出，针对双侵彻压缩曲线的第二阶段，名义曲线两侧-20%～20%的容差带是一个合理的质量控制要求，这个要求比国外对同类材料的分散度要求更严格［9］。

从测试结果可以看出，泡沫混凝土材料的弹性变形阶段很短暂，可以忽略。White 等［12］将有机泡沫用于EMAS，有机泡沫材料的弹性变形较为明显，不能忽略。机轮前方的材料被压缩发生弹性变形时产生拦阻力，而机轮后方的材料在卸载过程中发生回弹时产生推力，推力在一定程度上抵消了拦阻作用。因此有机泡沫的弹性是有害的，应将其控制在很低的水平。而且，对于弹性阶段不能忽略的材料，不仅要研究材料在压缩过程中的弹性，还必须研究其在压缩后的卸载过程中的回弹性能，将其用于拦阻力的计算模型中。

3 结论

1)将泡沫混凝土材料用于飞机拦阻目的时，该双侵彻实验方法得到的压缩曲线较好地表征了材料的压缩性能。

2)实验中压头下的材料溃缩具有高度的局部性，应变的概念不再适用，而应采用位移来表征压缩程度。

3)材料的弹性对于拦阻力是有害的，应将其控制在很低的水平。

［1］曾亮，孔祥骏，史亚杰，等.特性材料拦阻系统的研发［J］.航空安全，2012(3):13-16.

［2］姚红宇，孔祥骏，史亚杰，等.飞机拦阻系统拦阻力模型的实验研究［J］.工程力学，2014，doi:10.6052/j.issn.1000-4750.2014.01.0076.

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［11］史亚杰，李敬，曾亮，等.EMAS 用特性泡沫材料力学性能测试方法:中国，ZL201210227754.1［P］.2012-07-02.

［12］White J C，Satish K A，Cook R E.Soft ground arresting system for airports［R］.DOT/FAA/CT-93/80，Atlantic City，New Jersey，08405，USA:Federal Aviation Administration，1993.