機(jī)場(chǎng)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(zhǎng)及飛機(jī)大型化對(duì)機(jī)場(chǎng)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(jī)場(chǎng)營運(yùn)狀況來看，諸多機(jī)場(chǎng)道面在未達(dá)到設(shè)計(jì)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(jī)場(chǎng)道面的變形機(jī)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(jī)場(chǎng)道面國家實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的足尺道面試驗(yàn)最為著名，獲得的瀝青混凝土機(jī)場(chǎng)道面變形過程數(shù)據(jù)、水泥混凝土機(jī)場(chǎng)道面開裂過程數(shù)據(jù)、以及相應(yīng)的試驗(yàn)現(xiàn)象記錄，為道面破壞機(jī)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(jī)場(chǎng)道面變形過程仍然不能完全反映試驗(yàn)呈現(xiàn)的狀態(tài)，有限元進(jìn)行的混凝土道面開裂模式預(yù)測(cè)不但計(jì)算繁雜，而且裂縫模式理想化，與真實(shí)狀態(tài)差別較大。針對(duì)這兩方面問題，本文應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和元胞自動(dòng)機(jī)等人工智能技術(shù)，直接從試驗(yàn)數(shù)據(jù)出發(fā)，開展了以下研究：
　　基于美國機(jī)場(chǎng)道面國家實(shí)驗(yàn)室的足尺瀝青混凝土道面試驗(yàn)數(shù)據(jù)，建立模擬重復(fù)荷載作用下瀝青混凝土機(jī)場(chǎng)道面不可見基層動(dòng)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(jī)場(chǎng)道面面層與地下各基層動(dòng)態(tài)變形之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而能夠重現(xiàn)道面不可見層的動(dòng)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(duì)面層部分采用“續(xù)點(diǎn)法”，陸續(xù)取面層相鄰三點(diǎn)作為輸入，依次得到不可見層每一點(diǎn)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(yàn)數(shù)據(jù)，表明所建立的模型能較為精確地反映道面動(dòng)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(yàn)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(jì)一個(gè)多層層狀體系變形試驗(yàn)，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(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果對(duì)比，檢驗(yàn)?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(dòng)態(tài)變形狀態(tài)，定義反映機(jī)場(chǎng)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(duì)道面總變形的貢獻(xiàn)，引入了基層變形積參數(shù)。分析了各基層即時(shí)平均厚度和初始厚度比值關(guān)系、各層即時(shí)平均變形幅值與平均厚度比值關(guān)系、各層即時(shí)最大變形幅

5、值與平均厚度比值關(guān)系、任意兩層即時(shí)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(diǎn)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(jìn)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(dòng)態(tài)情況。
　　應(yīng)用 ANSYS進(jìn)行有限元與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)值模擬結(jié)果的對(duì)比分析?；?FAA機(jī)場(chǎng)瀝青混凝土道面試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建立道面變形的“殘余變形累積”計(jì)算方法，并利用該方法進(jìn)行機(jī)場(chǎng)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(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)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(jì)算耗時(shí)。
　　提出一種基于標(biāo)準(zhǔn)水泥混凝土道面試驗(yàn)開裂模式，預(yù)測(cè)新道面開裂模式的二維元胞自動(dòng)機(jī)方法。與傳統(tǒng)方式不同，該元胞自動(dòng)機(jī)方法以大飛機(jī)重載作用下足尺道面板試驗(yàn)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(dòng)機(jī)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(jìn)而得

7、到新道面的開裂模式。該方法初步實(shí)現(xiàn)了直接基于試驗(yàn)道面的開裂模式，預(yù)測(cè)不同尺寸、不同邊界條件的混凝土道面的開裂模式。
　　進(jìn)行了機(jī)場(chǎng)水泥混凝土道面移動(dòng)荷載下最大應(yīng)力分布的有限元模擬。分別對(duì)水泥混凝土道面板不同尺寸、邊界約束條件進(jìn)行移動(dòng)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(dòng)機(jī)預(yù)測(cè)的道面破壞模式的相應(yīng)結(jié)果做對(duì)比，驗(yàn)證了兩種計(jì)算結(jié)果的一致性，同時(shí)，元胞自動(dòng)機(jī)方法較有