автореферат диссертации по строительству, 05.23.11, диссертация на тему:Разработка метода оценки влияния параметров рельефа покрытий на динамику взаимодействия современных воздушных судов с поверхностью аэродромов

/Г "у ^

Московский государственный автомобильно-дорожный институт (Технический Университет)

На правах рукописи

Хуейс Хади Иехиа

Разработка метода оценки влияния параметров рельефа покрытий на динамику взаимодействия современных воздушных судов с поверхностью аэродромов.

Специальность 05.23.11. Строительство автомобильных дорог и аэродромов.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук.

Научные руководители Заслуженный деятель науки и техники, доктор технических наук,

профессор \В. Е. Тригони

доктор технических наук,

профессор Л. П. Степушин

Москва 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................5

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ ДИНАМИЧЕСКОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ШАССИ СОВРЕМЕННЫХ ВОЗДУШНЫХ СУДОВ С ПОВЕРХНОСТЬЮ ПОКРЫТИЙ АЭРОДРОМА.10

1.1 Анализ характеристик шасси и параметров нагрузок современных и

перспективных воздушных судов.......................................................................10

1.2. Особенности взаимодействия шасси тяжелых воздушных судов с жестким аэродромным покрьпием.....................................................................15

1.3. Основные требования, предъявляемые нормами проектирования к рельефу поверхности аэродромных покрытий..................................................29

1.4 Воздействие динамических нагрузок на жесткие аэродромные покрытия.................................................................................................................34

1.5 Выводы, цель и задачи исследования...........................................................45

ГЛАВА 2. ОБОСНОВАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПОКРЫТИЙ ИВПП И РД ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ КОЛЕСНОЙ ОПОРЫ ВОЗДУШНОГО СУДНА С ПОВЕРХНОСТЬЮ АЭРОДРОМА.......47

2.1. Принципы моделирования на ПЭВМ основных особенностей рельефа поверхности аэродрома........................................................................................47

2.2. Обоснование требований к кривизне поверхности ИВПП и РД аэродрома...............................................................................................................63

2.3. Общие принципы построения математических моделей динамического взаимодействия колесной опоры воздушного судна с поверхностью

аэродрома...............................................................................................................69

2.4 Определение основных параметров принятой модели опоры воздушного

судна........................................................................................................................77

2.5. Выводы.............................................................................................................84

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА НЕРОВНОСТЕЙ ПОВЕРХНОСТИ АЭРОДРОМНЫХ ПОКРЫТИЙ............................................86

3.1 Методы и средства измерения неровностей аэродромных покрытий......86

3.2. Meto дика исследования неровностей поверхности жестких покрытий. 88

3.3. Проверка нормальности и стационарности микропрофиля и профиля аэродрома...............................................................................................................90

3.4. Оценка статистических характеристик микропрофиля...........................92

3.5 Результаты исследований и классификация спектральных плотностей

микропрофиля аэродромов ГА РФ.......................................................................99

3.6. Выводы...........................................................................................................104

ГЛАВА 4. ДИНАМИЧЕСКОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ШАССИ ВОЗДУШНЫХ СУДОВ С НЕРОВНОСТЯМИ ПОВЕРХНОСТИ АЭРОДРОМА..........................................................................................................106

4.1. Математические модели взаимодействия шасси воздушных судов с поверхностью покрьпий аэродрома.................................................................106

4.2. Приближенный способ определения динамической нагрузки от воздушного судна на покрытие аэродрома, характеризуемое спектральной плотностью неровностей его поверхности.....................................................118

4.3. Особенности динамического загружения бетонных аэродромных покрьпий с учетом температурного фактора..................................................122

4.4. Выводы...........................................................................................................129

ГЛАВА 5. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО УЧЕТУ ОСОБЕННОСТЕЙ ДИНАМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ТЯЖЕЛЫХ ВОЗДУШНЫХ СУДОВ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ И ЭКСПЛУАТАЦИИ АЭРОДРОМНЫХ СООРУЖЕНИЙ......................................................................................................131

5.1. Учет динамического эффекта при конструировании и расчете прочности аэродромных одежд жесткого шла..................................................................131

5.2. Требования к ровности аэродромных покрьпий......................................137

5.3. Особенности проектирования вертикальной планировки ИВГ1П на ПЭВМ с использованием математических моделей взаимодействия шасси

воздушного судна и поверхности аэродрома.................................................138

5.4. Описание системы автоматизированного проектирования оптимального продольного профиля ИВПГГ на ПЭВМ...................................147

5.5. Выводы...........................................................................................................157

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ЗАДАЧИ ДАЛЬНЕЙШИХ ИССЛЕДОВАНИЙ.........159

ЛИТЕРАТУРА........................................................................................................161

ПРИЛОЖЕНИЕ. ПРИМЕР АВТОМАТИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ВЕРТИКАЛЬНОЙ ПЛАНИРОВКИ ИВПП АЭРОПОРТА....................................174

Введение

Современные аэропорты являются сложными капиталоемкими транспортными предприятиями, поэтому поиск методов и решений, позволяющих выявить неиспользованные ранее резервы прочности и долговечности сооружений аэропорта, имеет большое практическое значение. Наиболее важной и дорогостоящей частью аэропорта являются аэродромные покрытия, которые устраиваются на значительных площадях аэродрома. Толщина слоя искусственных покрытый на ряде современных отечественных аэродромах ГА класса А (с учетом уложенных слоев усиления) уже превышает 1 м. В то же время создание новых тяжёлых и сверхтяжелых самолётов-аэробусов и грузовых воздушных судов будет требовать строительства ещё более массивных, а значит, более дорогостоящих покрытый на аэродромах. Любое обоснованное снижение толщины проектируемого слоя искусственного покрытия за счёт резервов прочности позволяет снизить стоимость возведения покрытый, а в ряде случаев разрешить эксплуатацию на аэродромах воздушных судов с максимальной взлётной массой, превышающей расчётную.

Воздействие воздушного судна на аэродромное покрытие осуществляется через колесные шасси. Уровень воздействия зависит от таких параметров шасси как число колёс на основной опоре, их расположения, давления в пневматиках, нагрузки на основную опору. Особенности воздействия многоколёсных шасси современных воздушных судов на покрытия аэродромов характеризуется большим влиянием силового воздействия по глубине на грунт земляного полотна, значительными вертикальными напряжениями, обширной зоной действия изгибающих моментов в жёстких покрытиях.

Установка на шасси воздушных судов колёс с шинами высокого давления (1,5 -2,0 и более МПа) заметно увеличивает силовое воздействия на покрытия аэродромов за счёт передачи больших удельных нагрузок с повышенным динамическим эффектом, концентрацию сжимающих напряжений в

поверхностных слоях покрытий. Это происходит вследствие образование ударных нагрузок при накатывание колес на неровности, торможение колос при посадке, инерционного сопротивления колёс при раскрутке в момент приземления воздушного судна, резких поворотов при маневрировании на аэродроме. Увеличение внутреннего давления в пневматиках и нагрузок на авиационные колеса существенно усугубляют отмеченные негативные явления вследствие уменьшения площади контакта (до 30 %), что приводит к росту контактных напряжений в поверхностных слоях бетона. Таким образом, основным видом нагружений аэродромных покрытый от современных и перспективных тяжёлых и сверхтяжёлых воздушных судов являются динамические нагрузке при посадке, разбеге, рулении, а так же опробовании двигателей. Интенсивное развитие авиации в ряде случаев опережает вопросы проектирования аэродромных покрытый. Так например до настоящего времени учёт динамического воздействия летательных аппаратов на аэродромные покрытия, производится по рекомендациям, разработанным 20-25 лет тому назад. Они не учитывают особенности динамических воздействий современных воздушных судов Боинг-747, Ил-96, Ил-86, Ан-124, Ан-224, и др. Вопросы динамических нагрузок от перспективных ракетных аппаратов типа " Буран " и "Вояджер" (челнок) на аэродромные покрытия совершенно не изучены. Таким образом в настоящее время назрела необходимость постановки широких исследований динамического воздействия современных воздушных судов на аэродромные сооружения. Неучет динамических воздействий современных летательных аппаратов может снизить безопасность полётов, уменьшить надёжность и сроки эксплуатации аэродромных сооружений.

С другой стороны создание новых типов тяжёлых широкофюзеляжных воздушных судов с многоколёсными основными опорами ужесточают требования к параметрам вертикальной планировки аэродрома и ровности искусственных покрытый ВПП и РД и МС, которые существенно влияют на весовые и ресурсные характеристики новых типов воздушных судов. Для определённого класса

современных воздушных судов динамические нагрузки возникающие при переезде через неровности аэродромных покрытый (особенно жёсткого типа), могут вносить значительный вклад в суммарную повреждаемость конструкции воздушного судна. Поэтому с развитием авиационной техники изменяются нормативные требования к вертикальной планировке аэродромов и особенно требования к вертикальной планировке ИВПП в части максимально-допустимого

излома поверхности Л*тах , допустимого радиуса кривизны поверхности ИВП и,

собственно, к качеству поверхности ИВПП в смысле её ровности.

В соответствии с вышеизложенным весьма актуальным вопросом становится обоснование метода оценки влияния параметров рельефа аэродромных покрытый на динамику взаимодействия современных тяжелых воздушных судов с поверхностью аэродрома. В связи с этим в диссертации выполнены теоретические и экспериментальные (способом математического моделирования), исследования по обоснованию моделей поверхности ИВПП, РД и МС аэродромов и взлетно-посадочных устройств воздушных судов (колесных шасси) и их взаимодействия в целях выработки требований к оптимальным параметрам рельефа покрытый (продольного профиля ИВПП) с учетом особенностей эксплуатации современных воздушных судов.

Целью диссертационной работы являются теоретические исследования и разработка математических моделей, характеризующих взаимодействие колес главных опор шасси сверхтяжелых воздушных судов с поверхностью аэродромных покрытый; определение основных характеристик моделей и разработка метода оптимального проектирования поверхности аэродромных покрытый на ПЭВМ.

Научная новизна полученных в диссертации результатов заключается в следующем:

- разработана уточненная математическая модель по оценке взаимодействия главных опор сверхтяжелых воздушных судов и поверхности аэродромного

покрытия с учетом упруго-вязких характеристик амортизационных стоек шасси и диссипативных свойств упругого основания;

- на базе математического моделирования определены параметры частот и коэффициенты динамичности, характеризующие процесс взаимодействия главных опор шасси с поверхностью жесткого аэродромного покрытия;

- разработана математическая модель по обоснованию оптимального решения продольного профиля взлетно-посадочных полос аэродромов с учетом особенностей эксплуатации сверхтяжелых воздушных судов.

На защиту выносятся:

- математические модели по оценке взаимодействия главных опор воздушных судов и поверхности аэродромного покрытия;

- результаты экспериментальной оценки параметров, характеризующие взаимодействие (методом математического моделирования) колесных главных опор шасси с поверхностью аэродромных покрытий;

- метод оптимального проектирования продольного профиля летной полосы аэродрома на основе динамического и параметрического каркасного моделирования;

- рекомендации по учету динамического воздействия колес главных опор современных воздушных судов при проектировании и эксплуатации аэродромов.

Практическая ценность полученных результатов в диссертации состоит в том, что предлагаемый метод автоматизированного проектирования вертикальной планировки искусственных покрытий аэродромов и созданные на его основе программы расчета на ПЭВМ повышают качество проектирования аэродромных сооружений для современных сверхтяжелых воздушных судов.

Внедрение результатов работы. Результаты выполненной работы приняты ГПИ и НИИ ГА "Аэропроект" для использования в процессе проектирования и предложены к внедрению в практику проектных организаций Российской Федерации и Республики Ливан.

Публикации. По теме диссертации опубликованы две работы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы, включающего 143 наименования, в том числе 17 на иностранных языках. Работа содержит 183 страницы машинописного текста, в том числе 42 рисунка, 14 таблиц и 9 страниц приложения.

Глава 1. Анализ результатов исследований динамического взаимодействия шасси современных воздушных судов с поверхностью покрытий аэродрома.

1.1 Анализ характеристик шасси и параметров нагрузок современных и перспективных воздушных судов.

В соответствии с действующими нормами проектирования прочность аэродромных покрытий рассчитывают на воздействие нагрузок от массы воздушных судов как конструкций, лежащих на упругом основании. Для проведения расчетов необходимо, прежде всего, знать максимальную взлетную массу воздушного судна и характеристики его взлетно-посадочных устройств: распределение взлетной массы на основные и вспомогательные опоры (колеса), геометрическую компоновку и число колес на опоре, а также давление в пневматиках авиаколес.

Наряду с этим следует учитывать специфические условия работы искусственных покрытый, например, коэффициент перегрузки и динамичность приложения колесных нагрузок воздушных судов при взлете и посадке, а также предполагаемую интенсивность движения и состав движения воздушных судов и др. факторы.

Таким образом, одной из важнейших задач обеспечения надежности аэродромных покрытий на стадии проектировании является установление вероятных расчетных нагрузок от перспективных воздушных судов. Принимая во внимание обычно длительный срок эксплуатации построенных или реконструированных аэродромных покрытий, необходимо оценить перспективы развития летательных аппаратов на возможно более длительный срок.

Быстрое развитие авиационной техники сопровождается постоянным ростом взлетных масс воздушных судов. Проектируются и ожидаются в ближайшем будущем (2000-2005 гг.) воздушные суда со взлетной массой 600-800 т. и более.

Ниже приведены некоторые характеристики современных воздушных судов, определяющих силовое воздействие главных опор на аэродромное покрытие характеризуется следующими данными.

По прогнозом американской авиационной фирмы Макдоннел-Дуглас в 90-годах не исключалось появление грузовых воздушных судов со взлетной массой до 900 т . Прогноз пока не подтвердился и максимальный вес 600 т достигнут лишь для 'Мрии' (Ан -225). Правда, существуют проекты самолетов "Геркал" (взлетной масса 900 т - распределенная на 40 колес) и типа "летающее крыло" (Ртах = 580 т), имеющий пять основных опор с 5 или 6 спаренными колесами на каждой опоре. Подобный рост нагрузок на определенном этапе развития авиационной техники не вызвал обязательного увеличения прочности аэродромных покрытий, действующих аэродромов а компенсировался добавлением количества колес в шасси, а также ростом размеров тележек шасси (расстояний между колесами ) и размеров пневматиков авиаколес.

Установка на шасси воздушных судов колес с шинами высокого давление (1,5-2,0 и более МПа) значительно осложняет работу аэродромных покрытий, в аспекте обеспечения прочности и требуемой долговечности в следствии передачи на покрытия больших удельных нагрузок. Существенно ухудшаются условия работы воздушных судов с грунтовых летных полос в связи с проявлением большего сопротивления движению колеса и образованием глубокой колеи при движении воздушного судна. Установка на воздушных судах колес с шинами высокого давления обуславливает необходимость повышения конструкций искусственных покрытий на стадии проектирования.

В зависимости от типа шин и рисунка протектора фактическое максимальное давление на покрытие может быть выше, чем внутреннее давление в шинах, на 20-40%. Максимальное давление на поверхности покрытия имеют особое значение при оценке горизонтальных напряжений имеющих место при торможении. От горизонтальных нагрузок зависит износ жесткого покрытия и возможность образования волн и сдвигов на асфальтобетонных покрытиях.

Увеличение внутреннего давления в пневматиках и нагрузки на колесо существенно усугубляют отмеченные негативные явления вследствие, прежде в�