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适应大型飞机的沥青道面结构有限元模型

游庆龙 凌建明 袁捷 邵道杰

游庆龙, 凌建明, 袁捷, 邵道杰. 适应大型飞机的沥青道面结构有限元模型[J]. 交通运输工程学报, 2012, 12(2): 18-23. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2012.02.003
引用本文: 游庆龙, 凌建明, 袁捷, 邵道杰. 适应大型飞机的沥青道面结构有限元模型[J]. 交通运输工程学报, 2012, 12(2): 18-23. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2012.02.003
YOU Qing-long, LING Jian-ming, YUAN Jie, SHAO Dao-jie. Finite element model of flexible airport pavement structure for large aircraft[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering, 2012, 12(2): 18-23. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2012.02.003
Citation: YOU Qing-long, LING Jian-ming, YUAN Jie, SHAO Dao-jie. Finite element model of flexible airport pavement structure for large aircraft[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering, 2012, 12(2): 18-23. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2012.02.003

适应大型飞机的沥青道面结构有限元模型

doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2012.02.003
基金项目: 

国家自然科学基金委员会与中国民用航空局联合资助基金项目 60776818

详细信息
    作者简介:

    游庆龙(1982-), 男, 湖南岳阳人, 长安大学讲师, 工学博士, 从事机场沥青道面结构与材料研究

  • 中图分类号: V351.11

Finite element model of flexible airport pavement structure for large aircraft

More Information
  • 摘要: 借助ABAQUS通用有限元软件, 建立了3层道面结构有限元模型, 分析了模型的几何尺寸、边界条件、层间接触条件、单元类型、网格的划分对大型飞机荷载作用下道面结构力学响应的影响, 提出了适应大型飞机的机场沥青道面结构有限元模型参数, 并用实测力学响应数据对模型的有效性进行了验证。研究结果表明: 在大型飞机全起落架荷载作用下, 有限元模型几何尺寸宜为30m×30m×10m, 层间完全连续选用tie连接; 单元类型宜采用C3D8R, 荷载区域的单元大小控制在不大于0.05m×0.05m;模型底部所有位移全部约束, 模型四周约束对应水平方向的位移。实测数据验证结果表明有限元模型有效。

     

  • 图  1  表面最大弯沉曲线

    Figure  1.  Surface maximum deflection curve

    图  2  30m×15 m×10 m模型

    Figure  2.  Model of 30 m×15 m×10 m

    图  3  15m×15 m×10 m模型

    Figure  3.  Model of 15 m×15 m×10 m

    图  4  三维有限元单元

    Figure  4.  Elements of 3D finite element

    图  5  有限元计算结果

    Figure  5.  Calculation result of finite element

    图  6  NAPTF实测数据

    Figure  6.  Measured data of NAPTF

    表  1  道面结构参数

    Table  1.   Parameters of pavement structure

    结构层 厚度/m 弹性模量/MPa 泊松比
    面层 0.10 1 400 0.35
    基层 1.16 500 0.35
    土基 4.00、8.00、12.00、16.00 120 0.40
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    表  2  边界条件对计算结果的影响

    Table  2.   Influences of boundary conditions on calculation results

    边界条件 整个CPU使用时间/s Mises应力/MPa 表面弯沉/mm 土基顶面压应变/10-5
    约束某一个水平向的位移 603.1 0.586 5 0.406 9 -7.371
    约束所有水平位移 381.7 0.584 9 0.404 4 -6.804
    水平方向自由 7 699.3 0.586 6 0.408 7 -7.378
    极差百分比/% 0.29 1.10 7.80
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    表  3  层间接触条件对计算结果的影响

    Table  3.   Influences of interfacing conditions on calculation results

    类型 整个CPU使用时间/s Mises应力/MPa 表面弯沉/mm 土基顶面压应变/10-5
    tie 576.5 0.586 3 0.403 8 -7.352
    rough 8 217.8 0.607 2 0.417 4 -7.030
    层间剖分 500.3 0.585 3 0.403 0 -7.345
    极差百分比/% 3.6 3.4 4.4
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    表  4  三维六面体单元的基本性质

    Table  4.   Basic properties of 3D hexahedral elements

    单元名称 单元类型 结点数/积分点数 位移形函数 优点 存在问题
    C3D8 线性等参单元, 完全积分 8/8 一阶 计算成本低 剪切自锁, 精度较差
    C3D8R 线性等参单元, 减缩积分 8/8 一阶 对位移的求解较精确, 弯曲时不易剪切自锁 沙漏
    C3D8I 线性等参单元, 非协调模式 8/8 一阶 克服了剪切自锁, 在弯曲问题中计算成本降低 扭曲过大, 分析精度会降低
    C3D20 二次等参单元, 完全积分 20/27 Serendipity二阶 对应力的计算很精确, 一般无剪切自锁 不能用于接触分析, 体积自锁, 弯曲自锁
    C3D20R 二次等参单元, 减缩积分 20/8 Serendipity二阶 不会出现严重的沙漏问题, 对自锁问题不敏感 不能在接触分析中使用, 不适用于大变形问题
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    表  5  不同单元类型数值计算结果

    Table  5.   Numerical calculation results of different elements types

    单元名称 C3D8 C3D8R C3D8I C3D20R
    道面表面 竖向变形/mm 0.373 7 0.392 7 0.376 9 0.382 1
    竖向压力/MPa -0.631 0 -0.650 9 -0.712 6 -0.801 0
    土基顶面 竖向变形/mm 0.116 2 0.125 9 0.116 0 0.117 5
    竖向压力/kPa -8.587 -8.626 -8.345 -9.715
    整个CPU使用时间/s 164.7 131.7 235.6 2 185.2
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    表  6  不同网格密度计算结果

    Table  6.   Calculation results of different mesh densities

    单元大小/m 0.2×0.2 0.1×0.1 0.05×0.05
    道面表面 竖向变形/mm 0.495 5 0.392 7 0.404 4
    竖向压力/MPa -0.586 5 -0.650 9 -0.683 9
    单元总数 17 408 33 282 69 696
    整个CPU使用时间/s 53.5 131.7 381.7
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    表  7  材料参数

    Table  7.   Material parameters

    结构层 厚度/cm 回弹模量/MPa 泊松比
    沥青混凝土面层 12.7 8 963 0.35
    沥青混凝土基层 12.4 8 963 0.35
    级配碎石底基层 21.6 450 0.38
    土基 258.1 55 0.40
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出版历程
  • 收稿日期:  2011-11-16
  • 刊出日期:  2012-04-25

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