Материал: Мониторинг и прогнозирование работоспособности жестких аэродромных покрытий. Шашков И.Г., Попов А.Н
вестник Воронежского ГАСУ. Строительство и архитектура».
В статьях, опубликованных в рекомендованных ВАК изданиях, изложены основные результаты диссертации: в работе [1] рассмотрены вопросы моделирования развития и накопления повреждений в аэродромном покрытии; в работе [2] рассмотрены вопросы совершенствования методики прогнозирования изменения технического состояния жестких аэродромных покрытий; в работе [3] представлены теоретические основы и практические рекомендации оценки технического состояния жестких аэродромных покрытий по допустимому уровню надежности с учетом степени риска; в работе [4] представлена прогностическая модель разрушения аэродромного покрытия под воздействием эксплуатационных нагрузок.
Объѐм и структура диссертации. Работа общим объѐмом 147 страниц машинописного текста состоит из введения, четырѐх глав, выводов, списка литературы из 138 наименований и трех приложений. В текст диссертации включены 24 таблицы и 33 рисунка.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, приведены основные положения, выносимые на защиту.
Впервой главе представлен аналитический обзор состояния вопроса, формулировка цели и задач исследования.
Во второй главе рассматриваются методологические основы оценки и прогноза изменения показателя работоспособности жестких аэродромных покрытий.
На основе анализа действующих нормативных документов и обобщения результатов научных исследований разработана система мониторинга жесткого аэродромного покрытия, представляющая собой комплекс мероприятий, позволяющих дать объективную оценку его эксплуатационно-технического состояния (рис. 1). Определена методическая база, регламентирующая общий порядок оценки состояния покрытия и методологический аппарат организации и проведения работ по оценки эксплуатационно-технического состояния покрытий.
Для решения задачи оценки и прогнозирования состояния аэродромного покрытия проведено математическое моделирование изменения эксплуатацион- но-технического состояния аэродромного покрытия под воздействием эксплуатационных нагрузок. Математической моделью изменения эксплуатационнотехнического состояния аэродромного покрытия выступает совокупность формализованных связей, отношений и зависимостей между различными его показателями. Аэродромное покрытие представлено как объект управления с исходным состоянием, определяемым количеством и величиной повреждений, возникающих в процессе его эксплуатации под воздействием природно-климатических, механических и эксплуатационно-технологических факторов (рис.2).
Вкачестве критерия разрушения аэродромной плиты приняты напряжения, возникающие в аэродромном покрытии, в результате воздействия механических и природно-климатических факторов. Эксплуатационно-технологичес- кие факторы, как элементы объекта управления эксплуатационно-техническим состоянием покрытия, в работе не рассматриваются.
Рис 1. Система мониторинга эксплуатационно-технического состояния жесткого аэродромного покрытия
Рис. 2. Модель изменения состояния покрытия как объекта управления
Принято, что природно-климатические факторы воздействуют одинаково для всех точек аэродромного покрытия. Механические нагрузки прикладываются локально в зависимости от глиссады взлета и посадки воздушных судов. При этом повреждения в плите возникают только при совместном воздействии этих факторов.
На основании принятых допущений количество поврежденных плит
Not (x) при числе нагружений, равном nвс, определится суммированием: |
|
Not (x) N0 Q QВС , |
(1) |
где N0 – общее количество плит аэродромного покрытия, Q – вероятность появления повреждений в результате напряжений, возникающих в аэродромном покрытии в процессе его эксплуатации; QВС – вероятность воздействия на плиту воздушного судна.
В качестве критерия оценки эксплуатационно-технического состояния аэродромного покрытия теоретически обоснован показатель – надежность Pэ, характеризующий свойство системы не отказывать в работе, т.е. обеспечивать безопасные взлет, посадку и руление воздушных судов. В отличие от применяемых в настоящее время показателей оценки технического состояния аэродромных покрытий, которые носят абстрактный характер, и вывод о состоянии покрытия делают по предложенной разработчиками градации, этот критерий обладает следующими выгодными свойствами:
-общностью, т.е. он может быть применѐн для любого свойства конструкции или покрытия (прочности, деформативности и др.);
-связью со временем;
-определяет безопасность покрытия в любой момент;
-описывается математически.
Надежность аэродромного покрытия определяется через риск разрушения покрытия r(х) под воздействием эксплуатационных нагрузок. Установлено, что риск разрушения покрытия в зависимости от интенсивности воздействия эксплуатационных нагрузок определяется следующим выражением:
|
|
1 |
|
x1 |
|
1 |
u M |
|
|
2 |
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
x |
|
|
|
|||
r(x) |
|
|
|
|
|
|
|
du, |
(2) |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
S x |
|
2 |
2 |
|
S x |
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где x=lgnвс, nвс – число воздействий эксплуатационных нагрузок, вызывающих разрушения; Sx – среднеквадратическое отклонение величины x; Мx – математическое ожидание величины x.
Надежность покрытия, как показатель эксплуатационно-технического состояния покрытия, зависит от количества поврежденных плит. Поскольку величины риска разрушения покрытия r(x) и надежность покрытия P(x) представляют взаимно-исключающие события, выражение надежности аэродромного покрытия имеет следующий вид:
P(x) 1 r(x) 1 |
N ot |
(x) |
. |
(3) |
|
N |
0 |
||||
|
|
|
Количество поврежденных плит в зависимости от интенсивности воздействия эксплуатационных нагрузок составит:
N ot |
(x) |
N |
0 |
|
|
|
|
||
S x |
2 |
|
||
|
|
|
x1 |
|
1 |
u M x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
2 |
|
S x |
||
|
|
|||
|
|
|
|
|
2
du. (4)
Для объективной оценки эксплуатационной пригодности аэродромных покрытий и определения их остаточного ресурса до капитального ремонта введен дополнительный показатель надежности аэродромного покрытия – эксплуатационная долговечность, характеризующий свойство аэродромного покрытия
сохранять работоспособность до граничного состояния, удовлетворяющего требованиям по несущей способности, но не обеспечивающего безопасность полетов. Эксплуатационная долговечность tэд – это интервал времени работы аэродромного покрытия при наличии отдельных повреждений, суммарное количество которых допустимо из условия обеспечения безопасности полетов, установленное предельно допустимым уровнем надежности Pэmin :
tэд |
nдоп (Pmin ) |
|
(5) |
|
вс э |
, |
|||
g |
||||
|
|
|
где nвсдоп (Pэmin ) - допустимое количество воздействий исходя из заданной надежности Pэmin ; g – интенсивность воздействий эксплуатационных нагрузок.
Количество поврежденных плит является функцией некоторой совокупность повреждений. Различными методиками оценки эксплуатационнотехнического состояния жестких аэродромных покрытий учитывается от 3 до 19 повреждений поверхности покрытия. В связи с этим были проведены исследования с целью определения достаточного минимума повреждений, необходимого для объективной оценки эксплуатационно-технического состояния. Предварительно была проведена классификация повреждений по природе их происхождения и влиянию на безопасность полетов, на основании которой составлены карточки-анкеты для проведения экспертного опроса. Для участия в экспертном опросе была сформирована экспертная группа, состоящая из специалистов в области аэродромного строительства. По результатам экспертной оценки определен перечень повреждений жестких аэродромных покрытий, непосредственно влияющих на безопасность полетов, а также коэффициенты весомости указанных повреждений. Результаты представлены в табл. 1.
Таблица 1 Перечень повреждений, непосредственно влияющих на безопасность полетов
Тип повреждения |
Коэффициент весомости, mi |
Уступ |
0,159 |
Просадка плит |
0,137 |
Вздыбливание |
0,125 |
Оголение арматуры |
0,11 |
Сколы кромок плит |
0,088 |
Выбоины |
0,076 |
Разрушение заплатки |
0,073 |
Недопустимый излом продольного профиля |
0,068 |
Глубокое шелушение |
0,06 |
Фонтанирование |
0,057 |
D-образное растрескивание |
0,047 |
В третьей главе представлены методика и результаты численного эксперимента, проведенного с использованием разработанной прогностической модели разрушения жестких аэродромных покрытий с учетом изменения во времени параметров и условий эксплуатации.
Прогнозирование изменения эксплуатационно-технического состояния проведено с использованием математических моделей, описывающих парамет-
ры вероятностного воздействия воздушного судна и распределения напряжений, возникающих в аэродромном покрытии.
Для моделирования распределения напряжений, возникающих в аэродромном покрытии в процессе его эксплуатации, использовано выражение, предложенное А.П. Виноградовым:
|
|
|
6 mmax |
K K N |
K x( y ) |
, |
(6) |
||
|
|
|
H 2 K |
|
|
||||
|
x( y ) |
|
|
|
|
t |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
c |
|
u |
|
||
где mmax – максимальный изгибающий момент при центральном загружении плиты; K – переходный коэффициент от изгибающего момента при центральном загружении к моменту при краевом загружении плиты; KN – коэффициент, учитывающий накопление остаточных прогибов в основании; Kx(y) – коэффициент, учитывающий перераспределение внутренних усилий в плитах покрытий с различной жесткостью Bx и By; σt – температурные напряжения; γс – коэффициент условий работы; H – толщина плиты; Ku – коэффициент, учитывающий количество приложений колесных нагрузок.
Значения выражения (6) характеризуются параметрами статистических распределений напряжений в плитах: модуль упругости бетона, коэффициент постели основания, толщина плиты, действующая нагрузка от воздушных судов, температурные напряжения. Закономерности изменения указанных параметров взяты по результатам исследований А.П. Виноградова, Л.И. Комчихиной и А.А. Чуткова.
В результате моделирования распределения напряжений, возникающих в аэродромном покрытии в процессе его эксплуатации, определены вероятности возникновения повреждений в различные периоды эксплуатации покрытия.
Для установления параметров законов распределения воздействия на аэродромное покрытие воздушных судов использованы геометрические интерпретации распределения динамического воздействия при разбеге и пробеге (рис. 3) с применением прикладной программа Mathlab-Simulink.
а) |
б) |
Рис. 3. Огибающая интенсивности динамического воздействия самолета на ИВПП при: а) разбеге; б) пробеге
Ввиду того, что на аэродромах эксплуатируются разнотипные самолеты с различными тактико-техническими характеристиками, была произведена классификация воздушных судов (ВС) по группам эксплуатации. ВС были объедине-