機場道面變形與開裂模式人工智能分析方法.pdf

1、航空交通量的高速增長及飛機大型化對機場道面工作性能和安全提出了更高的要求，并且從目前國內(nèi)外的機場營運狀況來看，諸多機場道面在未達到設(shè)計使用年限前，就出現(xiàn)了不同程度變形或開裂破壞，且破壞原因復(fù)雜多樣。因此，機場道面的變形機理與開裂模式研究愈加引起研究人員的關(guān)注。其中，以美國機場道面國家實驗室進行的足尺道面試驗最為著名，獲得的瀝青混凝土機場道面變形過程數(shù)據(jù)、水泥混凝土機場道面開裂過程數(shù)據(jù)、以及相應(yīng)的試驗現(xiàn)象記錄，為道面破壞機理、全壽命分析等

2、研究提供了重要的、基礎(chǔ)性的參考資料。然而，目前基于有限元分析的瀝青機場道面變形過程仍然不能完全反映試驗呈現(xiàn)的狀態(tài)，有限元進行的混凝土道面開裂模式預(yù)測不但計算繁雜，而且裂縫模式理想化，與真實狀態(tài)差別較大。針對這兩方面問題，本文應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和元胞自動機等人工智能技術(shù)，直接從試驗數(shù)據(jù)出發(fā)，開展了以下研究：
　　基于美國機場道面國家實驗室的足尺瀝青混凝土道面試驗數(shù)據(jù)，建立模擬重復(fù)荷載作用下瀝青混凝土機場道面不可見基層動態(tài)變形過程的徑向基函

3、數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。此模型反映了瀝青混凝土機場道面面層與地下各基層動態(tài)變形之間的對應(yīng)關(guān)系，從而能夠重現(xiàn)道面不可見層的動態(tài)變形過程。模型選擇中，依據(jù)物理概念嘗試了幾種可行方案，最終對面層部分采用“續(xù)點法”，陸續(xù)取面層相鄰三點作為輸入，依次得到不可見層每一點的位移值，從而得到整層的位移曲線。模型訓(xùn)練精度判定選用試驗數(shù)據(jù)，表明所建立的模型能較為精確地反映道面動態(tài)變形過程，并能模擬目前有限元尚未模擬出的最下部基層局部起鼓現(xiàn)象。為了驗證不可見基層道面

4、變形人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的正確性，自行設(shè)計一個多層層狀體系變形試驗，得到荷載作用下完全彈性層狀體的橫截面變形過程曲線，將試驗結(jié)果與模擬結(jié)果對比，檢驗?zāi)M方法的合理性與可用性。
　　基于所建立的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型模擬出的道面動態(tài)變形狀態(tài)，定義反映機場道面面層與基層變形過程的特征參數(shù)。為定量反映基層變形對道面總變形的貢獻，引入了基層變形積參數(shù)。分析了各基層即時平均厚度和初始厚度比值關(guān)系、各層即時平均變形幅值與平均厚度比值關(guān)系、各層即時最大變形幅

5、值與平均厚度比值關(guān)系、任意兩層即時平均厚度比值關(guān)系及任意兩層最大變形比值關(guān)系，從參數(shù)分析觀點直觀地展示了道面各剖面層的變形發(fā)展過程的特征及聯(lián)系。分析進一步鑒證了影響道面面層狀態(tài)的基層層次，以及影響的動態(tài)情況。
　　應(yīng)用 ANSYS進行有限元與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)值模擬結(jié)果的對比分析?；?FAA機場瀝青混凝土道面試驗?zāi)Ｐ偷慕Y(jié)構(gòu)特點，建立道面變形的“殘余變形累積”計算方法，并利用該方法進行機場瀝青混凝土道面變形的數(shù)值模擬，并同神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型得到

6、的結(jié)果以及試驗結(jié)果進行對比。結(jié)果表明，“殘余變形累積”算法是可行的，較現(xiàn)有考慮各種非線性因素影響的有限元算法節(jié)省計算耗時。
　　提出一種基于標(biāo)準(zhǔn)水泥混凝土道面試驗開裂模式，預(yù)測新道面開裂模式的二維元胞自動機方法。與傳統(tǒng)方式不同，該元胞自動機方法以大飛機重載作用下足尺道面板試驗開裂模式為基礎(chǔ)，建立起描述基礎(chǔ)道板與新道板構(gòu)造特征的的元胞自動機數(shù)值模式，繼而通過道板內(nèi)類似區(qū)域匹配準(zhǔn)則和裂紋投射準(zhǔn)則，圖構(gòu)出不同尺寸新道板的開裂模式，進而得

7、到新道面的開裂模式。該方法初步實現(xiàn)了直接基于試驗道面的開裂模式，預(yù)測不同尺寸、不同邊界條件的混凝土道面的開裂模式。
　　進行了機場水泥混凝土道面移動荷載下最大應(yīng)力分布的有限元模擬。分別對水泥混凝土道面板不同尺寸、邊界約束條件進行移動荷載下最大應(yīng)力分布的有限元分析，以模擬數(shù)據(jù)獲得最大應(yīng)力圖，并據(jù)此判斷不同條件下數(shù)值模擬的道面開裂模式。同元胞自動機預(yù)測的道面破壞模式的相應(yīng)結(jié)果做對比，驗證了兩種計算結(jié)果的一致性，同時，元胞自動機方法較有