公路发射场坪建模理论及应用

第1章 绪论 本章阐明了公路发射场坪适应性问题的由来、难点和研究内涵，描述了公路建造的类型、等级、材料与结构特性，介绍了功能层力学特性理论研究的进展与不足，归纳了公路地基薄板理论和层状体系理论的研究现状，总结了发射装备场坪适应性问题的研究进展。 1.1 公路发射场坪适应性问题 1.1.1 问题的由来与对策 现代空天侦察探测、平台隐身、精确打击和高效毁伤等高新技术的迅猛发展，对地面固定或机动目标构成了致命威胁。一旦大规模战争爆发，我方主要陆基阵地和大型武器装备将成为敌方首先攻击的目标，远程打击能力被摧毁是未来战争面临的首要军事威胁。 各类地面装备以机动作战样式为主，发射时，对场坪产生载荷作用。大型武器发射载荷可达数百吨，对场坪承载强度要求高，只能在预设阵地或经平时勘测设定发射点的高等级公路上发射。装备机动进入预设发射点需要较长时间，作战反应速度慢，射前生存安全存在着很大风险，导致综合作战能力大打折扣，严重威胁国家战略安全。可见，提高大型武器的射前生存能力和快速反应能力，是地面机动装备发展亟待解决的重大现实问题。 充分利用我国广阔的地域范围和复杂的地理环境，谋求以等级公路为依托的大范围机动与广地域发射，可有效增强武器发射地域的随机性和发射准备的快速性。截至 2019 年年末，全国等级公路 (高速、一级、二级、三级和四级) 总里程约 501.25 万 km，其中，高速公路和一、二级公路里程约 67.20 万 km，而低等级公路占总里程的 86.6％左右。因此，实现大范围机动与广地域发射，特别是低等级公路发射，以机动求生存，以快速响应变被动为主动，是大型武器装备应对射前生存威胁和提高实战化水平的重要策略。 1.1.2 实现广地域发射的难点 1. 广地域发射实现途径 广地域发射通过减小发射对地载荷，降低对公路场坪的承载要求，提高武器装备的场坪适应性，配合测量评估手段，实现以等级公路为依托的大范围机动发射。如能将对场坪承载强度的要求降至 0.6 MPa 以下，战时通过场坪适应性快速评估，剔除缺陷路段，则可保证大型武器装备在四级以上等级公路上安全发射。 提高武器装备场坪适应性的主要措施：一是发射效应控制，通过发射载荷生成与作用机理以及装备–场坪耦合作用效应研究，揭示发射效应形成规律并且建立控制方法，减小对地载荷，约束装备响应，在确保弹箭出筒姿态和速度受控的前提下，降低武器发射对公路场坪承载强度的要求，解决可发射范围的扩展问题；二是场坪适应性评估，在掌握超大载荷作用下公路场坪复杂力学特性的基础上，辨识随机场坪下伏缺陷和承载强度，建立场坪与装备响应的量效关系，通过判据比照进行装备场坪适应性评估，确保所选点位上发射安全可靠。 2. 存在的技术难点 实现陆基装备广地域发射，需要具备发射载荷生成与作用机理、超大载荷作用下公路场坪复杂力学特性和装备–场坪耦合作用效应等基础研究成果，进而建立发射效应控制和场坪适应性评估的理论与方法，面临着公路场坪类型繁多、材料与结构复杂、承载能力随机性强、装备–场坪耦合作用效应机理不清、发射载荷与响应控制难度大和场坪适应性评估方法尚属空白等诸多难点。 1) 发射载荷作用机理与效应 大型武器发射时，一部分载荷通过自适应底座作用于地面，另一部分以附加载荷形式传递至发射平台，在平台构件间作用与传递，还伴随着弹重释放、弹筒摩擦和超静定支撑等载荷现象，是一个非常复杂的瞬态强冲击载荷过程；武器装备大量采用新型超黏弹性结构体，如尼龙帘线–橡胶基自适应底座、海绵补偿层–聚氨酯泡沫适配器，还大量采用非线性阻尼结构，如起竖油缸、液压支腿、油气悬架和重载轮胎，在发射载荷作用下，这些功能构件表现出强非线性力学特性和动态响应规律。基于上述复杂特点，揭示发射载荷作用机理与效应十分困难。 2) 发射场坪动态响应与损伤机理 广地域发射涉及不同等级公路和不同路面分层结构，沥青混凝土、水泥混凝土、碎石、砂砾、煤灰和土基等高度非线性材料的各种组合，表现出不同的黏弹性本构关系、应变率效应和损伤演化过程，其动态响应机理非常复杂，建立发射场坪冲击损伤本构模型相当困难；形成场坪等效回弹模量或等效刚度的统一表述难度极大，无法提出场坪等效力学模型与数值方法；全尺寸试验研究存在着规模巨大、成本昂贵、材料与结构组合工况繁多等困难。上述复杂特点揭示了公路场坪动态响应与损伤机理研究面临着巨大挑战。 3) 装备–场坪耦合作用效应 装备–场坪耦合作用效应是广地域发射特有的科学难题，解决问题的途径是建立含场坪效应的发射装备非线性结构动力学模型，与试验研究相结合，揭示装备–场坪耦合作用机理。构建含场坪效应的发射装备结构动力学系统方法的主要难点之一是界面力学模型的建立，包括场坪面基层间界面本构模型和装备–场坪界面力学模型。由于建立含场坪效应的发射装备结构动力学方法难度极大，装备–场坪耦合作用效应研究尚无理论或方法可以借鉴。 4) 场坪适应性评估理论 要实现广地域发射，公路承载能力研究是十分重要的前提。现行公路为多层复合弹塑性结构，承载能力因建设地域、材料、质量、使用及维护状态不同而有很大差异，呈现随机性、复杂性和强非线性等特点；现有研究多集中于公路混凝土本构模型、运输承载能力以及路面损伤等方面，尚未建立冲击载荷条件下公路承载能力的理论基础和研究方法，更无大载荷冲击下公路承载特性的统计规律。提出发射装备场坪适应性评估方法，需要掌握超大载荷作用下公路场坪的复杂力学特性，辨识随机场坪下伏缺陷和承载强度，建立场坪与装备响应的量效关系，形成场坪适应性评估准则。 5) 发射效应控制方法 实现广地域发射效应控制的困难极大，动力装置多药柱燃烧相互作用和发射筒内燃气二次反应等关键载荷生成机理复杂，发射载荷在功能构件间的传递作用机理认识不清，发射载荷控制与装备响应控制相互关联。由于降低大型武器发射对公路场坪承载能力要求的机理复杂，提出创新技术途径困难，无法形成低比压发射装备优化设计理论，发射效应控制成为解决广地域发射现实问题的瓶颈。 1.1.3 场坪适应性研究体系 发射效应控制和场坪适应性评估的理论与方法，是陆基装备实现广地域发射的重要基础，可系统梳理出场坪适应性问题研究的主要内涵。 1) 发射载荷生成机理 建立发射动力装置湍流燃烧、发射筒内化学反应流和燃气喷流外场冲击效应等理论模型，构建发射装备含化学反应多相的燃气射流动力学数值方法；与试验研究相结合，揭示多药柱燃烧相互作用、发射筒内燃气–空气二次反应和火箭喷流冲击效应等关键载荷生成机理。 2) 发射载荷作用机理与效应 建立自适应橡胶底座、聚氨酯泡沫适配器、连通式油气悬架、重载轮胎和多级起竖油缸等关键部件的力学模型，与试验研究相结合，掌握装备超黏弹性复合材料和非线性阻尼结构的力学特性；构建发射装备非线性结构动力学方法，揭示广地域机动发射平台载荷作用机理和结构响应特性。 3) 公路场坪动态响应与损伤机理 构建公路场坪动力响应力学模型、路面分层结构等效力学模型，建立发射场坪塑性与冲击损伤本构模型、混凝土断裂损伤耦合本构模型，以及相对应的数值方法；调研分析国内不同等级公路典型路段的路面结构与特性，总结提炼出作为主要研究对象的路面结构形式，开展面层结构材料级试验和模拟路面三维试槽真实载荷加载试验；理论、数值和试验研究相结合，揭示发射场坪动态响应与损伤破坏机理。 4) 装备–场坪耦合作用效应 建立场坪面基层间界面本构模型、装备–场坪界面力学模型，综合形成发射装备非线性结构动力学和公路场坪分层结构等效力学模型，创建含场坪效应的发射装备非线性结构动力学方法；开展装备–场坪耦合作用效应仿真分析，全面揭示含场坪效应条件下装备载荷传递与结构响应特性，以及发射场坪各主要功能层应力、损伤和沉降等动态响应规律。 5) 含场坪效应的发射装备非线性结构动力学 含场坪效应的发射装备非线性结构动力学是场坪适应性问题研究的主要理论依据，内涵包含发射装备关键部件、场坪面层动力响应、公路场坪冲击损伤、场坪面基层间界面和装备–场坪界面等单元力学模型，以及相应的数值算法，辅以单元构件级和整车系统级试验，它们共同完善并验证了含场坪效应的发射装备非线性结构动力学模型。 6) 场坪适应性评估理论 提出公路随机下伏缺陷剔除判据和场坪响应等效缩比预测原理，建立装备–场坪响应量效关系和场坪适应性评估准则，创建以缺陷剔除判据、场坪承载预测、装备响应关系和安全发射准则为内涵的广地域发射场坪适应性评估理论；解决公路层位信息与下伏缺陷行进中探测、路面承载强度快速测量等应用难题，形成随机场坪下伏缺陷剔除、承载强度辨识与评估理论相结合的发射装备场坪适应性评估方法。 7) 发射效应控制方法 提高大型武器装备广地域发射能力的主要途径是实施发射载荷控制，通过减小弹箭发射对地压强，降低对场坪承载强度要求；同时实施发射响应控制，满足弹箭出筒姿态、出筒速度和筒口响应等发射要求，实现更大范围的机动发射。发射效应控制研究需要掌握载荷生成与作用多变量复杂因子对发射效应的影响规律，获取影响内弹道特性和载荷传递的关键因素；提出燃气–空气混合过程控制、降低初始含氧量、减小初容室空间、优化底座–车体传载比和多点刚柔耦合匹配传载等发射效应控制原理，建立以环形腔结构、氧气置换、饼型动力装置、缩口初容室和支腿–轮胎共同支撑为代表的发射效应控制方法。 本书将重点介绍公路场坪动态响应与损伤机理、装备–场坪耦合作用效应、含场坪效应的发射装备非线性结构动力学和场坪适应性评估的理论与方法，是与公路发射场坪建模理论及应用主题相关的主要内容。发射载荷生成机理、发射载荷作用机理与效应和发射效应控制方法等内容将在作者另外的论著中专门阐述。 1.2 公路场坪类型概述 1.2.1 公路类型与等级 1. 公路类型 公路类型可以从不同角度进行划分，一般按照面层所用的材料来区分，如水泥混凝土路面、沥青混凝土路面、砂石路面等。但在工程设计中，则主要从路面结构的力学特性和设计方法的相似性出发，将路面划分为柔性路面、刚性路面和半刚性路面三类。 柔性路面：总体结构刚度较小，荷载作用下的弯沉变形较大，抗弯拉强度较低，传递给土基的单位压力也较大，它主要包括各种未经处理的粒料基层和各类沥青面层、碎 (砾) 石面层或块石面层组成的路面结构。 刚性路面：主要指用水泥混凝土作面层或基层的路面结构，其强度高、弹性模量大，处于板体工作状态，传递给基础的单位压力小。 半刚性路面：通过改善沥青混凝土性能使其呈半刚性特性，其刚度介于沥青混凝土和水泥混凝土之间。 2. 公路等级 公路等级是根据公路的使用任务、功能和流量进行划分的。我国将公路划分为高速公路、一级公路、二级公路、三级公路以及四级公路 5 个等级。 1) 高速公路 高速公路是全部控制出入、专供汽车在分隔的车道上高速行驶的公路，主要用于连接重要的政治、经济、文化中心城市和地区，是国家公路干线网中的骨架。高速公路的年平均日设计交通量宜在 15000 辆小客车以上。 2) 一级公路 一级公路为供汽车分方向、分车道行驶，并部分控制出入、部分立体交叉的公路，主要连接重要的政治、经济中心，通往重点工矿区，是国家的干线公路。一级公路的年平均日设计交通量宜在 15000 辆小客车以上。 3) 二级公路 二级公路是连接政治、经济中心或大型工矿区的干线公路，或运输繁忙的城郊公路，一般能适应各种车辆行驶。二级公路的年平均日设计交通