基于ANSYS 的机场重载交通水泥混凝土道面临界荷位确定

■王建武，李 杨，陈 平，何 波

■1.空军勤务学院学院一大队，江苏 徐州 221000;2.空防一处，北京 100000;3.南京军区空军后勤部机场营房处，江苏 南京 210018

随着当前以建设满足多机种、大容量等使用要求的综合保障基地的提出，机场道面的设计工作面临着更加严峻的考验。机场水泥混凝土道面作为我军机场的最主要的依托，其结构设计理论及方法也应与时俱进。临界荷位是指，在机场道面结构设计中，水泥混凝土道面结构内部在机轮荷载作用下，荷载应力所产生的疲劳损耗为最大的轮载作用位置。临界荷位作为机场水泥混凝土道面设计的重要指标，其选取对于设计满足多机种、高飞行架次的综合保障基地的机场道面结构、提高其使用性能及寿命至关重要。本文通过ANSYS 软件，研究重载交通下不同荷载作用在道面板的不同位置时板底拉应力的分布规律，进而确定机场重载交通水泥混凝土道面的临界荷位。

1 有限元法及ANSYS 简介

有限元法，即有限元分析，是一种用于求解微分方程组或积分方程组数值解的数值技术，其求解数理方程的一种数值计算方法，是解决工程问题的一种强有力的计算工具，应用较为广泛，涉及弹性力学、塑性力学、动力学以及稳定性问题等范畴［1］。拟通过ANSYS 软件进行分析，分析时一般经过以下三个步骤:(1)模型的建立;(2)加载求解;(3)输出分析的结果。在PREP7 模块中，通过参数的定义，模型的建立以及网格的划分，以得到实体单元网格模型;在SOLUTION 模块中，根据施加的荷载及所求的响应定义分析的类型，设置对应的分析选项，施加荷载及边界条件等;在POST1 和POST26 模块中，获取结果并实时显示，最终选择以图形或数据列表的形式进行输出。

2 机场重载交通水泥混凝土道面临界荷位的确定

2.1 几点假设

建模之前，考虑到有限元模型与道面实体模型之间的差异，有必要对各结构层作如下基本假设:(1)各层材料为均匀、连续、各向同性弹性体，以弹性模量和泊松比表征其弹性性质;(2)各结构层之间的接触面假定为完全连续，层间为连续接触;(3)应力计算时，各层材料的弹性模量、泊松比等参数不随外界条件变化而改变;(4)不计各结构层自重的影响［2］。

2.2 确定参数及建立模型

(1)定义材料的实常数:本模型中有水泥混凝土道面、基层、压实土基等几种不同参数的材料，分别定义它们的弹性模量、泊松比、密度，具体参数见1。其中，面层:h1=0.25m，E1=36000MPa，μ1=0.15，ρ1=2400kg/m3;基层:h2=0.40m，E2=300MPa，μ2=0.25，ρ2=2100kg/m3;土基:h3=10m，E3=80MPa，μ3=0.35，ρ3=1800kg/m3。

(2)几何模型:根据实际受力情况，只建立一块机场水泥混凝土面层(尺寸为5m ×5m)进行研究，为了准确模拟，基层、压实土基的长宽分别为面层的2 倍。

(3)有限元模型的建立:在有限元建立的过程中为了兼顾计算的准确性和计算效率，在靠近新混凝土板的部分建立较密网络，远离部分建立较为稀疏的网络。

2.3 机场重载交通道面荷载的确定

综合保障基地中的重载交通情况较为复杂，其所保障的机型种类较多，在此不便一一陈述、分析。本文拟采用× ×、× ×以及× ×三种机型分别代表歼击机、轰炸机和运输机，作为综合保障基地中重载交通的代表机型进行临界荷位的研究，其部分参数见表1。本文中，主要考虑单个机轮的动荷载作用下，机场水泥混凝土道面的临界荷位。

表1 重载交通若干机型飞机部分参数表

2.4 结果分析

为最终确定临界荷位，结合应力云图，分别选择板中部、纵缝边缘以及横缝边缘三个方向(说明如图1 所示)作为对象，分析不同荷位时，板底拉应力的变化情况，以确定临界荷位的位置。根据对称性，拟选取板的左下角四分之一板进行研究，如图1 中黑色阴影部分所示，分别收集三个方向不同位置点的板底弯拉应力值进行分析，见表2。

图1 临界荷位示意图

表2 板底部分位置拉应力

通过表2，可以明显得出以下结论:(1)当机轮荷载沿板纵缝中垂线(y=2.5m)由板纵缝边缘中点(x=0)向板中部(x=2.5m)移动时，板底拉应力呈减小趋势，板纵缝边缘中部时最大，在板中部时最小;(2)当机轮荷载作用于横缝边缘(y=0)时，板底拉应力明显小于机轮荷载作用在板纵缝中垂线处时的应力，在机轮荷载作用于板角隅处时的应力比作用于板纵缝边缘中部时的应力小;(3)当机轮荷载从板角(x=0，y=0)沿纵缝边缘(y=0)向中部(y=2.5m)移动时，板底拉应力呈增大趋势，在纵缝边缘中部时(x=0，y=2.5m)达到最大;(4)在机轮荷载作用于板的不同位置中，当作用于板纵缝边缘中部时，板底拉应力达到最大值，且该点处于板底纵缝边缘中部;(5)当不同的机轮荷载作用于同一位置时，机轮荷载越大，其所对应的板底拉应力也越大。

综上所述，当轮载作用于板纵缝边缘中部时(图1 中的黑色圆)，板底产生的拉应力最大，是机场重载交通水泥混凝土道面的临界荷位。

3 结语

本文通过ANSYS，建立机场重载交通下水泥混凝土道面层状结构模型，选取常见几种飞机作为代表机型，取其单轮动荷载，分别施加在四分之一道面板的不同位置，重点研究在不同荷载作用下，板底的不同位置处拉应力的分布情况。通过分析，发现:相同机轮荷载作用在道面的不同位置时，最大板底拉应力出现在板纵缝边缘中部位置;不同的机轮荷载作用在板纵缝边缘中部时，荷载值越大，其对应的板底拉应力也就越大。综上，机场重载交通下，水泥混凝土道面的临界荷位处于板底纵缝边缘中部。

［1］何国本，陈天宇，王洋.ANSYS 土木工程应用实例(第三版)［M］.中国水利水电出版社，2011.

［2］刘翔翔.连续配筋混凝土道面结构研究［D］:徐州:空军勤务学院，2014.