姚紅宇，史亞杰，肖憲波，孔祥駿

(中國民航科學技術研究院，北京 100028)

0 引言

飛機沖/偏出跑道是民航安全面臨的主要威脅之一。為應對飛機沖出跑道，國際國內(nèi)的民航標準均要求在跑道端以外設置一定長度的安全區(qū)，以便飛機沖出跑道后能在這段安全區(qū)內(nèi)停下來。然而，一些機場受地理條件或者建筑物的限制，無法設置長度符合要求的安全區(qū)，機場因此達不到安全標準。再有，一些機場安全區(qū)外的地形很危險，比如陡坡、水域等，飛機一旦沖出安全區(qū)則后果很嚴重。特性材料攔阻系統(tǒng)(Engineered Material Arresting System，EMAS)是國內(nèi)外公認的解決這一問題的安全設施［1］。EMAS 的原理是將一定長度、一定厚度的低強度泡沫混凝土材料鋪設在安全區(qū)的地面上，飛機沖出跑道后便滑行進入其中，泡沫混凝土材料被飛機的機輪壓碎，破碎過程吸收飛機的動能，使飛機在安全的前提下逐漸減速并最終停止在預定的距離處。

EMAS 的核心技術之一是對飛機機輪所受阻力的準確預測［2-4］，這就需要掌握泡沫混凝土材料的力學性能。筆者參與了對這類材料的壓縮行為和唯象本構關系的研究［5-6］，掌握了這類材料的基本壓縮行為和常規(guī)壓縮性能。然而，必須結(jié)合攔阻力模型研究，才能回答從建立和驗證攔阻力模型的目的出發(fā)，什么樣的材料壓縮性能表征能夠滿足建模要求。筆者研究了攔阻力模型［2］，分析了攔阻工況的特點［7］，研究了這類材料在類似工況下的壓縮行為，結(jié)合這些研究結(jié)果，提出了專門針對攔阻用途的泡沫混凝土材料壓縮性能的表征方法，為攔阻力計算提供了恰當?shù)牟牧蠀?shù)。

1 實驗內(nèi)容與結(jié)果分析

1.1 傳統(tǒng)實驗方法

泡沫混凝土材料長期以來用作保溫、隔音的建筑材料，因此人們一直用抗壓強度來表征材料的壓縮性能［8］。但是在飛機攔阻應用中，材料不僅要被機輪壓縮至破壞，還要進一步被壓縮成粉末，直至粉末被壓實［7］?？箟簭姸蕊@然不能表征材料的全部壓縮過程，而應該采用壓縮曲線，壓縮曲線終止點的應力水平不能低于輪胎的接觸胎壓。

在常規(guī)的壓盤壓縮實驗中，脆性的泡沫混凝土材料大量剝落(圖1)，無法進行有效的壓縮曲線測試，必須另尋他法。

圖1 常規(guī)壓縮實驗中材料的剝落Fig.1 Material's peeling off during conventional compression test

1.2 侵徹實驗方法

國外研究者提出侵徹實驗(Penetration Test)方法［9］(圖2)，避免了材料的剝落，獲得了重現(xiàn)性較好的壓縮曲線。為與后面談到的雙侵徹實驗方法區(qū)別，筆者將此方法稱為單侵徹實驗法。該方法是壓力試驗機將直徑為50 mm 的鋼制壓頭以500 mm/min 的速率壓入大塊材料中，隨時間記錄位移量與壓縮應力，最后繪制成應力-應變(或位移)曲線。這類材料典型的侵徹壓縮曲線(圖3中的單侵徹曲線)分為3 個階段:第一階段在a 點之前，為壓頭下材料的彈性變形段，與整條曲線相比這一階段很短暫，可以忽略;第二階段在a、b 點之間，這個階段中壓頭下的局部材料被壓縮至潰縮(圖4)，形成壓頭下的潰縮區(qū)，并與四周的完好材料之間形成截然分明的邊界，隨著壓頭的移動，越來越多的材料被壓潰進入潰縮區(qū)，潰縮區(qū)橫向尺寸始終保持與壓頭的橫向尺寸一致，但長度略有增加，并被推動下移;第三階段在b 點之后，這個階段壓頭下的潰縮區(qū)接觸到底盤并被壓實，應力快速增加。

圖2 單侵徹實驗中加載開始前的試樣與壓頭Fig.2 Specimen and punch head before loading in the single penetration test

圖3 侵徹實驗獲得的典型曲線Fig.3 Typical profiles obtained during the penetration tests

侵徹壓縮曲線的第一階段和第三階段表現(xiàn)出較大的分散度。曲線的第二階段變形跨度大，應力水平較低且較平穩(wěn)，曲線分散度小，是材料潰縮吸能的主要階段。

圖4 在單侵徹壓縮曲線的第二階段終止實驗、抽出壓頭后壓頭下的潰縮區(qū)Fig.4 Crushed area beneath the punch head after stopping test proceeding and withdrawing the punch head in the second phase of the single penetration profile

從圖4 可以看出，壓頭下材料的潰縮表現(xiàn)出高度的局部性。表觀壓縮應力除來自材料的潰縮抗力外，還包含了壓頭及潰縮區(qū)與四周完好材料在界面上相互作用(比如剪切、摩擦)的反力。這個特點與飛機輪胎壓入泡沫材料時的工況相似［7］，不同之處在于，飛機輪胎的后方?jīng)]有完好材料的包圍。將侵徹實驗獲得的壓縮曲線(圖3中的單侵徹曲線)作為材料參數(shù)用于阻力計算時，計算結(jié)果與模擬實驗［10］的結(jié)果差異仍較大。

1.3 雙侵徹實驗方法

為解決上述問題，筆者提出了雙侵徹實驗方法［11］，即在單侵徹實驗形成的孔的附近與之相切的位置進行第二次侵徹實驗，第二次侵徹時潰縮區(qū)中的部分材料粉末可以擠破與第一個孔相鄰的部分孔壁而流入第一個孔中，在一定程度上減小了對潰縮區(qū)的約束，更加接近飛機輪胎壓入材料時的工況。雙侵徹實驗所得到的壓縮曲線如圖3中的雙侵徹曲線所示，與單侵徹曲線類似，仍然呈現(xiàn)3 個階段。雙侵徹曲線第二階段的斜率更小，因而相同應變處的應力更小，第三階段開始點略為推后。將雙侵徹得到的壓縮曲線用于阻力計算，得到了較為滿意的計算精度［2］。因此雙侵徹曲線更好地表征了泡沫混凝土材料在用于攔阻目的時的壓縮性能。

2 分析與討論

前已述及，侵徹試驗方法，尤其是雙侵徹試驗方法能夠獲得滿意的實驗結(jié)果，對于飛機攔阻這一具體應用場合中材料的力學性能有較為全面和準確的表征。從侵徹試驗過程中材料的剖面圖(圖4)可以看出，潰縮區(qū)下方的材料處于原始狀態(tài)，與已發(fā)生的潰縮無關，只有壓頭掃過的材料發(fā)生了潰縮，因此潰縮狀態(tài)與壓頭掃過的材料厚度(即位移)有關，而與材料的原始厚度沒有直接關系，亦即與應變沒有直接關系。因此，無論單侵徹還是雙侵徹，都應該采用位移而非應變來表征壓縮程度，或者僅針對確定的材料厚度使用應變。

由于泡沫混凝土材料的固有特性，其力學性能的分散度較大。筆者經(jīng)大量測試發(fā)現(xiàn)，相對于單侵徹壓縮曲線，同批材料的雙侵徹壓縮曲線分散度更小。根據(jù)實驗結(jié)果筆者提出，針對雙侵徹壓縮曲線的第二階段，名義曲線兩側(cè)-20%～20%的容差帶是一個合理的質(zhì)量控制要求，這個要求比國外對同類材料的分散度要求更嚴格［9］。

從測試結(jié)果可以看出，泡沫混凝土材料的彈性變形階段很短暫，可以忽略。White 等［12］將有機泡沫用于EMAS，有機泡沫材料的彈性變形較為明顯，不能忽略。機輪前方的材料被壓縮發(fā)生彈性變形時產(chǎn)生攔阻力，而機輪后方的材料在卸載過程中發(fā)生回彈時產(chǎn)生推力，推力在一定程度上抵消了攔阻作用。因此有機泡沫的彈性是有害的，應將其控制在很低的水平。而且，對于彈性階段不能忽略的材料，不僅要研究材料在壓縮過程中的彈性，還必須研究其在壓縮后的卸載過程中的回彈性能，將其用于攔阻力的計算模型中。

3 結(jié)論

1)將泡沫混凝土材料用于飛機攔阻目的時，該雙侵徹實驗方法得到的壓縮曲線較好地表征了材料的壓縮性能。

2)實驗中壓頭下的材料潰縮具有高度的局部性，應變的概念不再適用，而應采用位移來表征壓縮程度。

3)材料的彈性對于攔阻力是有害的，應將其控制在很低的水平。

［1］曾亮，孔祥駿，史亞杰，等.特性材料攔阻系統(tǒng)的研發(fā)［J］.航空安全，2012(3):13-16.

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［10］孔祥駿，史亞杰，肖憲波，等.特性攔阻材料的臺架實驗裝置研制［J］.實驗力學，2014，29(1):83-88.

［11］史亞杰，李敬，曾亮，等.EMAS 用特性泡沫材料力學性能測試方法:中國，ZL201210227754.1［P］.2012-07-02.

［12］White J C，Satish K A，Cook R E.Soft ground arresting system for airports［R］.DOT/FAA/CT-93/80，Atlantic City，New Jersey，08405，USA:Federal Aviation Administration，1993.