复杂环境载荷下机场中线灯灯体损伤机理和失效评价研究

Runway and taxiway centerline lights of civil airports operate in inclement outdoor environment. They are subjected to the repeating rolling compactions and impacts from aircraft tires. Fracture of centerline lights occurs frequently with the increasing flights. Therefore, research on investigating the failure behavior of centerline light materials under complex loading conditions and environment and optimizing the structural design of the light body will help to extend the service life of centerline lights both theoretically and practically. For different types of materials used in centerline lights, the physicochemical properties will be studied and tensile, fracture and fatigue tests at various temperatures will be conducted, which will contribute to revealing the mechanism of microstructure and temperature effect on the fatigue and fracture behavior of light body materials, clarifying the initiation and evolution of the micro and macro damage and building quantitative description of the micro crack initiation and evolution under operation environment and complex loading condition. In addition, a finite element (FE) model with full-scale light body will be established to analyze the stress field of key regions under complex loading conditions and environment. With the results of FE analysis, the structural design of the light body will be optimized. This project will improve the service life of centerline lights and provide the guidance for material standards of centerline lights in China.

民用机场中线灯长期工作在室外严苛环境中，承受着飞机轮胎的反复碾压和冲击。日益频繁的航班起降已经开始造成中线灯灯体断裂。研究复杂载荷和环境下的灯体材料失效行为，改进和优化灯体结构设计，对于延长中线灯的使用寿命具有重要的理论意义和工程价值。针对不同类型的中线灯灯体材料，开展理化性能测试以及不同温度下的拉伸、断裂和疲劳试验，揭示微结构和温度对灯体材料断裂和疲劳性能的影响机理，阐明中线灯细观和宏观损伤的生成和演化规律，给出在服役环境和复杂载荷作用下微裂纹萌生和发展的定量描述。通过有限元数值模拟实际灯体几何尺寸以及载荷和环境，分析复杂载荷条件和环境下中线灯灯体关键部位的受力状态，并根据数值计算结果改进和优化灯体结构设计。为完善我国中线灯灯体材料标准和提高中线灯的结构服役寿命提供理论基础。

本项目针对跑道中线灯灯体损伤机理和和失效评价研究。通过目视检查揭示了跑道中线灯的失效原因，结果表明裂纹萌生于存在应力集中的螺纹面，之后在外部载荷作用下裂纹扩展，直至灯体断裂。选择5种典型跑道中线灯，开展理化性能测试、静拉伸试验和夏比冲击试验，分析材料微结构对失效过程的影响。结果表明：机场跑道灯均为铝合金材料，不同品牌的拉伸性能、冲击韧性有较大差异。硅颗粒的细化、球化提高了D、E的冲击韧性、塑性；Mg元素固溶强化，提高D、E的屈服强度和抗拉强度；针状金属间化合物β-Al5FeSi，降低了A的塑性和冲击韧性；Mn元素改变金属间化合物的形貌，提高了材料B的断裂韧性和塑性；气孔、沙眼等铸造缺陷降低了材料C的屈服强度和抗拉强度。通过测试表明灯具的服役性能与灯体材料的力学性能密切相关，优化灯体材料组分和加工工艺可以提高材料学性能，继而改善灯具的服役性能。.研究中开展低周疲劳试验，测试机场中线灯灯体材料的S-N曲线。结果表明：相同应力水平下，国外材料D、E的循环周数显著高于国内材料A、B。国外灯体材料C的循环周次最低，与材料静拉伸性能、冲击韧性的规律一致。材料A、B的裂纹萌生于气孔、氧化膜等铸造缺陷，国外灯体材料C、D的裂纹萌生于驻留滑移带，表明通过消除材料内部缺陷可提高材料的抗疲劳性能，从而减小中线灯失效概率。.跑道中线灯是嵌入式灯具，灯盖顶部复杂几何外形使得受力状态复杂。本研究中根据实际工况和相关标准，针对典型的中线灯灯具外形，建立灯具D、E的全尺寸数值计算模型，利用ABAQUS有限元方法，分析灯体各处的应力分布。研究表明：灯具D的应力水平整体低于灯具B，灯具D的外形优于灯具B。同时，螺纹处的应力集中是导致裂纹萌生，灯具过早失效的原因。照明窗口边缘的应力水平高于其他区域，灯具设计中，窗口应远离灯盖中心，从而优化灯体结构，提高中线灯服役寿命。