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機場跑道系統動力學

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出版社:科學出版社出版時間:2023-03-01
開本: B5 頁數: 224
本類榜單:工業技術銷量榜
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機場跑道系統動力學 版權信息

  • ISBN:9787030729040
  • 條形碼:9787030729040 ; 978-7-03-072904-0
  • 裝幀:一般膠版紙
  • 冊數:暫無
  • 重量:暫無
  • 所屬分類:>

機場跑道系統動力學 內容簡介

本書系統闡述了機場跑道系統動力學理論及其在跑道設計與評價中的應用。本書共九章,主要內容包括機場跑道系統動力學的學術思想與基本原理,機場跑道系統動力學模型與求解方法、虛擬樣機-有限元聯合仿真方法,滑跑激振和著陸沖擊作用下飛機-跑道的動力學響應及其實測、感知技術,機場跑道系統動力效應分析與表達,以及機場跑道系統動力學在道面結構設計和性能評價中的應用。

機場跑道系統動力學 目錄

目錄
前言
第1章 機場跑道系統動力學導論 1
1.1 機場跑道系統及其動力學特征 1
1.2 機場跑道系統動力學的基本概念 2
1.3 機場跑道系統動力學的學術思想 6
1.4 機場跑道系統動力學的研究方法 6
第2章 機場跑道系統動力學的基本原理 8
2.1 機場跑道系統的動力學組成 8
2.1.1 跑道結構子系統 8
2.1.2 飛機子系統 10
2.1.3 環境子系統 11
2.2 機場跑道系統動力學作用 14
2.2.1 飛機荷載作用 14
2.2.2 環境作用 16
2.3 機場跑道系統動力學參數 16
2.4 機場跑道系統動力學關鍵影響因素 18
2.4.1 非線性因素 18
2.4.2 非均勻因素 20
2.5 機場跑道系統動力學分析原理 21
參考文獻 24
第3章 機場跑道系統動力學模型與求解方法 25
3.1 機場跑道系統結構的離散化 25
3.2 機場跑道系統動力學模型的建立 26
3.2.1 動力學運動方程建立方法 26
3.2.2 飛機子系統非線性振動模型 27
3.2.3 跑道結構子系統非線性振動模型 32
3.2.4 飛機-跑道相互作用系統非線性模型 35
3.3 機場跑道系統動力學模型參數取值 37
3.3.1 跑道結構的常規參數取值 37
3.3.2 飛機的常規參數取值 37
3.3.3 飛機-跑道相互作用系統的動力學參數取值 39
3.4 機場跑道系統動力學模型求解方法 45
3.4.1 確定性振動分析求解方法 45
3.4.2 隨機振動分析求解方法 48
3.4.3 機場跑道系統振動分析求解方法比選 51
參考文獻 51
第4章 機場跑道系統動力學虛擬樣機-有限元聯合仿真方法 54
4.1 飛機虛擬樣機動力學仿真方法 54
4.1.1 ADAMS/Aircraft平臺 54
4.1.2 飛機虛擬樣機建模 56
4.1.3 整機模型裝配與仿真 70
4.2 大型三維有限元道基-道面數值模型 73
4.2.1 道面結構力學模型 73
4.2.2 單元類型及網格密度 74
4.2.3 模型尺寸及邊界條件 77
4.2.4 剛性道面的接縫傳荷模型 78
4.2.5 層間接觸模型 80
4.3 飛機-跑道空間耦合動力學聯合仿真 82
參考文獻 84
第5章 滑跑激振作用下的飛機-跑道動力學響應 86
5.1 跑道全斷面不平整數據采集 86
5.1.1 國內跑道不平整數據實測 87
5.1.2 國外跑道不平整數據收集 89
5.2 跑道三維隨機不平整頻譜模型 91
5.2.1 功率譜密度 91
5.2.2 相干函數coh 95
5.2.3 三維不平整空間域模型重構 98
5.3 基于虛擬激勵法的飛機-跑道動力響應解析 101
5.3.1 非線性系統模型的統計線性化 101
5.3.2 不考慮升力作用的飛機動力學響應 104
5.3.3 考慮升力作用的飛機動力學響應 109
5.3.4 跑道的動力學響應分析 112
5.4 飛機-跑道動力學響應的數值仿真分析 114
5.4.1 數值仿真模型 114
5.4.2 飛機的動力學響應分析 115
5.4.3 跑道的動力學響應分析 120
參考文獻 123
第6章 著陸沖擊作用下的飛機-跑道動力學響應 125
6.1 飛機著陸沖擊過程 125
6.2 飛機著陸沖擊的接觸力分析 126
6.2.1 豎向荷載 126
6.2.2 縱向荷載 128
6.2.3 側向荷載 129
6.3 基于ADAMS/Aircraft的飛機-跑道動力學響應數值分析 129
6.3.1 著陸過程仿真分析 129
6.3.2 剛性道面的動力學響應分析 131
6.4 基于時變法的飛機-跑道動力學響應解析 133
6.4.1 時變法計算模型 133
6.4.2 飛機和跑道的動力學響應分析 134
參考文獻 137
第7章 機場跑道系統動力響應的實測與感知 139
7.1 基于足尺加速加載試驗的動力響應感知 139
7.1.1 足尺加速加載設備 139
7.1.2 足尺加速加載試驗方案 141
7.1.3 復合道面瀝青層的加速加載試驗實測動力響應 143
7.1.4 有限元模擬動力響應的驗證 147
7.2 基于FWD的動力響應測試方法 148
7.3 智能跑道現場動力感知系統 150
7.3.1 上海浦東國際機場四跑道性狀感知系統 150
7.3.2 成都天府國際機場智能跑道系統 153
7.3.3 北京首都國際機場跑道協同預警平臺 155
7.4 飛機振動響應實測 159
7.4.1 飛機駕駛模擬器的振動數據 159
7.4.2 實機滑跑振動數據采集 161
參考文獻 162
第8章 機場跑道系統動力效應分析與表達 164
8.1 飛機荷載的動力作用與靜力作用 164
8.1.1 激振動力作用 164
8.1.2 沖擊動力作用 169
8.2 動力學參數分析 170
8.2.1 質量參數分析 170
8.2.2 動態模量參數分析 172
8.2.3 阻尼系數參數分析 173
8.3 材料非線性因素的分析 175
8.3.1 瀝青混凝土的黏彈性 175
8.3.2 土基及粒料的非線性 178
8.4 非均勻因素的分析 181
8.4.1 層間接觸的非均勻 181
8.4.2 道基支撐的非均勻 184
8.4.3 多輪疊加的非均勻 185
8.5 溫度因素的分析 187
8.6 機場跑道系統動力效應表達 189
參考文獻 190
第9章 機場跑道系統動力學的應用 191
9.1 隨機激勵下道基空間變形 191
9.1.1 隨機激勵下道基空間變形計算方法 191
9.1.2 隨機激勵下道基空間變形特征 193
9.2 基于動力行為的剛性道面空間累積損傷 197
9.2.1 基于動力作用下空間累積損傷的剛性道面設計原理 197
9.2.2 累積損傷橫向分布 201
9.2.3 累積損傷縱向分布 202
9.3 考慮飛機空間振動的跑道平整度評價方法 203
9.3.1 跑道平整度評價模型 203
9.3.2 跑道平整度評價指標 206
9.4 基于剛性道面板振動的板底脫空評價 207
9.5 基于鄰板振動感知的接縫傳荷能力評價 211
參考文獻 214
后記 216
展開全部

機場跑道系統動力學 節選

第1章 機場跑道系統動力學導論 飛機滑跑、起降等地面運動的動力特征明顯,且速度快、重量大、起落架構型復雜的新一代大型飛機進一步強化了對跑道的動力作用,進而產生傳統靜力學難以分析解釋的跑道結構問題。因此,機場跑道系統動力學充分考慮機場跑道系統的動力學特征,將道基-道面-荷載-環境視為相互關聯的整體大系統,以飛機輪胎-跑道道面相互作用和環境作用為紐帶,綜合考察不同跑道結構、不同飛機運動、不同環境條件下各子系統之間的動力相互作用和動力行為。系統動力學的研究方法主要包括理論模型解析、計算機數值仿真和現場實測感知等。 1.1 機場跑道系統及其動力學特征 跑道是支撐飛機起降、滑跑的基礎平臺,包括道基-道面整體結構,一般分為面層、基層、底基層、墊層和土基等結構層。跑道在服役期間,承受頻繁的飛機荷載作用以及溫度、濕度等環境的循環作用。因此,道基-道面-荷載-環境共同構成相互關聯的整體大系統。 飛機在跑道上的運動行為包括起飛和降落兩個階段。在起飛階段,包括以下動作。①轉彎/掉頭:由滑行道轉向跑道準備起飛。②低速制動:飛機在跑道等待起飛時滑跑控制。③加速起飛滑跑:飛機在跑道上加速準備起飛。④中斷起飛-高速制動:飛機由于未能獲得足夠的起飛速度,緊急制動。⑤起飛滑跑抬前輪:飛機即將脫離跑道,前輪抬起。在降落階段,包括以下動作。①著陸接地沖擊:飛機航行結束,由跑道著陸。②高速制動:飛機降落,滑跑降低速度。③低速滑跑:飛機在跑道上滑跑駛向滑行道。④轉彎:飛機脫離跑道轉向滑行道。顯然,這些運動行為會不同程度地對跑道道面產生動力作用。 填料的濕化變形、飛機荷載作用導致的永久變形、道基的不均勻沉降以及道面錯臺、凹陷等病害都會引起跑道的不平整。大型飛機滑跑速度高達360km/h,跑道不平整會對高速滑跑飛機產生激振效應,造成飛機振動顛簸。這種振動顛簸不僅影響乘客舒適性,加速飛機機械部件疲勞損傷,還影響飛行員對飛機的操縱,嚴重威脅飛行安全。同時,飛機的振動反過來又將增加對道面的沖擊作用,加速跑道結構的動力破壞和不平整度劣化,縮短道面的服役壽命。 飛機荷載獨*的運行行為和道面不平整特性決定了跑道動力學破壞問題,溫度、濕度等環境的循環作用則加劇了這種動力破壞。由于熱脹冷縮效應,道面會因溫度差產生內應力,引起跑道道面的翹曲變形;濕度隨大氣降水和蒸發以及地下水位的變化而發生波動,道基和粒料層的模量也相應地出現循環變化。無論是溫度內應力還是濕度造成的材料力學參數的變化,都會與飛機荷載動力作用產生疊加效應,進而加劇跑道結構的動力破壞。 1.2 機場跑道系統動力學的基本概念 1.動力問題和靜力問題 動力問題不同于靜力問題主要體現在以下兩個方面:①動載隨著時間變化,需求出歷程時間范圍內的所有解,而靜載只有一個解。②動力作用下結構會產生變化的加速度(大小或方向隨著時間快速變化),這些變化的加速度會形成與其方向相反的慣性力;同時,結構在運動過程中會發生能量耗散,變化的速度又產生與其相反的阻尼力。所以,整個結構所產生的內力不僅要抵抗動力作用,還要平衡慣性力和阻尼力。因此,動力問題的外因是隨著時間變化的動載,內因是結構存在慣性力和阻尼力,并且以慣性力為主。 動力問題和靜力問題*顯著的差異在于結構是否能夠抵抗慣性力。也就是說,如果慣性力為定值或為0,整個動力問題就退化為靜力問題,如下列三種情況。①加速度為0:如飛機停在道口,這時荷載是靜力的,其大小用重力來表征。②加速度值很小:加速度值很小導致慣性力可以忽略不計,這時動力問題與靜力問題分析結果相差很小,如微風吹過整個跑道結構,整個跑道結構基本沒有加速度,這時動力分析的意義不大。③加速度值比較大,但是變化很小,如飛機以恒定加速度爬升,這時慣性力其實是恒力。由此可見,若動載對結構的影響與靜載相差甚微,這種情況仍然屬于靜力問題。 2.動載與移動荷載 作用在結構上的荷載,常常按照結構的反應特點、荷載的作用位置進行分類。按照結構的反應特點可分為靜載和動載兩類。對于跑道結構,靜載是使跑道結構產生的加速度可以忽略不計的荷載,如跑道自身的重力等。反之,動載是大小、方向或作用點隨著時間變化很快的荷載,這里的快慢可以用是否產生顯著的加速度來判斷。顯著與否的判斷標準是運動加速度所引起的慣性力與荷載相比是否可以忽略,如地震作用、不平整激振作用和沖擊作用。 按照荷載作用位置可分為固定荷載和移動荷載兩類。固定荷載是指作用位置不變的荷載,如停在跑道等待區的飛機自身重力等;移動荷載是指可以在結構上自由移動的荷載,如起降飛機的胎壓等。 因此,動力學中的動載與移動荷載不是同一個概念,動載既可以是移動荷載,也可以是固定荷載;移動荷載可能是靜載,也可能是動載。 3.動力作用與靜力作用的區別 為了將動力作用與靜力作用產生的區別進行直觀比較,這里將跑道整體結構簡化為具有質量m、剛度k和阻尼c的單自由度系統,飛機荷載假設為單點作用p(t),此時跑道結構模型如圖1.1所示。 整個跑道結構的振動方程可用式(1.1)表示: (1.1) 跑道結構的頻響函數為 (1.2) 當p(t)為靜載作用(圖1.2)時,整個跑道系統表面的位移如式(1.3)所示: (1.3) 當p為幅值、角頻率為ω的簡諧荷載時,(圖1.3),此時整個跑道系統的位移如式(1.4)所示: (1.4) 式中,為荷載頻率與系統固有自由振動頻率之比;為系統的阻尼比。 (1.5) (1.6) 那么動載與靜載相比,造成跑道結構表面位移的放大系數D可表示為 (1.7) 式(1.7)表明,盡管動載的*大值和靜載相同,但是由于動載會造成結構系統存在慣性力,會導致結構系統的響應大不相同。當阻尼比=0.1、頻率比取不同值時,放大系數D的變化曲線如圖1.4所示,放大系數甚至可達到5倍。 通過以上分析發現,很小的靜載只能產生很小的靜位移,但如果變成動載,產生的動位移可能很大。結構在動載的作用下,因為慣性產生與靜載不同的運動形式,這是動力學與靜力學的*大區別。當然,實際上跑道動載形式不會是簡諧荷載這么簡單,跑道結構也不會是單自由度系統,但這個例子證明了跑道系統動力學分析的必要性和重要性。 4.確定性動力作用與隨機動力作用 如果動力作用隨時間的變化規律是完全已知的,在時間軸上能通過特定的函數刻畫出來,則稱為確定性動力作用,它可以是強振動、脈沖和不規則振動。任何特定的結構體系在確定性動力作用下的反應分析即為確定性分析。與之相對,動力作用隨時間的變化規律不是完全已知的,在動力分析之前是不可以預先確定的,但是可以從統計方面進行定義,如它的均值、方差、功率譜等,這種稱為隨機動力作用,它不能進行確定性描述,但是受概率統計規律所制約,常見的地震作用、風荷載、跑道不平整可視為具有隨機性質的非確定性動力作用,相應的分析方法為非確定性分析方法。 在彈性結構體系中,位移是一個非常關鍵的中間變量,任意動載作用下結構的反應都可以用結構的位移來表示。因此,在確定性動力作用下,通過確定性分析可直接導出結構體系的位移-時間歷程,進而能實現剪力、軸力、應力等分析。對于隨機動力作用,通常提供有關位移的統計資料,通過非確定性分析實現對結構體系位移的統計輸出。這時位移隨時間的變化是不確定的,因此結構的應力、內力等還需借助特定的非確定性分析方法直接計算,而不是由位移計算。 5.動力學模型與靜力學模型 在建立模型的過程中,靜力學和動力學考慮的重點是不一樣的(圖1.5),主要體現在以下兩個方面:**個方面是動力學參數方面。靜力結構主要關心結構的剛度、約束、桿件尺寸、截面特性等;動力結構則更關心結構的質量、剛度、阻尼、約束、頻率和振型等。以阻尼系數為例,如果是靜力學分析,跑道結構的*大位移 只與剛度系數有關,而與阻尼系數沒有關系[式(1.3)]。但是,在動力學分析中阻尼比的設置會使結果相差數倍[式(1.7)]。第二個方面是靜力分析中非線性、非均勻效應不太敏感,而在動力分析中可能有顯著差異的問題。非線性問題包括材料非線性(不滿足完全彈性假設)、幾何非線性(不滿足小變形假設)、邊界非線性(兩個介質之間的接觸非線性)。非均勻問題包括飛機復雜起落架的多輪疊加、道基不均勻支撐、板底局部脫空等。 1.3 機場跑道系統動力學的學術思想 機場跑道系統動力學的學術思想是將跑道結構的道基-道面系統、飛機系統、環境系統視為整體大系統,將輪胎-道面相互作用和環境作用作為連接的紐帶,綜合考察飛機不同運動行為、不同環境因素下整體大系統的動態運動規律與相互作用特性。系統動力學與傳統靜力學結果會產生顯著差異,并且系統動力學更加接近機場跑道實際客觀情況。 機場跑道系統動力學包括三個要素:動態激勵輸入、動力結構系統、動態響應輸出。其中,道基-道面-飛機-環境整個系統的組成是動力的、作用是動力的、參數是動力的,分析方法也是動力學的。其內涵包括:①道基-道面是整體協同的結構,兩者相互作用、相互影響。②飛機和跑道兩個子系統的相互作用關系是動力學的核心。③飛機荷載作用是獨*的,包括激振作用、沖擊作用、升力作用。④環境因素是滲透的。溫度、濕度影響跑道結構動力學參數,同時風對飛機有動力作用,地震波對跑道結構也有動力破壞作用。 機場跑道系統動力學旨在揭示機場跑道系統在動力作用(包括環境作用、荷載作用)下的動態響應規律,為結構動力設計、評價提供科學依據。例如,機場跑道系統動力學可確定在動載作用下跑道結構可能產生的*大內應力,以此作為強度設計的依據;確定飛機振動、位移、速度和加速度不超過許可值,以此作為跑道平整度的評價依據。 1.4 機場跑道系統動力學的研究方法 對動力作用下結構所產生的位移求導兩次后得到加速度,因此慣性力是由結構隨時間變化的位移產生的,反過來位移又受慣性力大小的影響,這個循環其實是一個相互作用過程;同時,結構體系各個部分所表現出來的位移是不同的,全部慣性力的確定就需要明確每個點的位移和加速度。因此,研究機場跑道系統動力學的核心是偏微分方程組的描述和解答。實際上,跑道結構和飛機都具有無限自由度,將無限自由度問題轉化為有限自由度的過程就是結構離散化。對結構進行合理的離散化也是動力學問題求解過程中的必要步驟。

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