基于道路損傷的車-路相互作用協(xié)同建模與仿真方法研究.pdf

1、隨著公路交通的飛速發(fā)展，我國道路運(yùn)輸呈現(xiàn)出高速、重載發(fā)展趨勢，重載交通一方面提高了運(yùn)輸效率，另一方面卻加大了道路損傷。研究車輛對路面的動載作用、揭示道路的破壞機(jī)理、降低車輛對道路的損傷，已逐漸成為國內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。本文從研究車輛-路面相互作用的機(jī)理出發(fā)，探討了車輛隨機(jī)動載荷、路面隨機(jī)動載響應(yīng)和減輕道路損傷的懸架優(yōu)化和控制策略等問題。
　　(1)車-路相互作用產(chǎn)生動載荷的研究。車輛動載荷是車-路相互作用研究的橋梁，為深入分析車輛

2、動載荷的變化規(guī)律及影響因素，基于車輛-路面系統(tǒng)的弱耦合特性和車輛隨機(jī)振動理論，建立了四自由度車輛-路面系統(tǒng)動力學(xué)模型，以東風(fēng)某款貨車為研究對象，編程分析了隨機(jī)動載荷頻域分布特征和參數(shù)影響規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，針對單因素分析法的不足，采用正交試驗(yàn)方法對動載荷的主次影響因素進(jìn)行仿真分析，并以減輕車輛對路面的動載損傷為目的，對車輛系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行初步優(yōu)化，為后續(xù)研究工作的開展提供依據(jù)和借鑒。
　　(2)基于道路友好性的車輛被動懸架參數(shù)匹配優(yōu)化研

3、究。從減輕車輛對道路損傷的角度出發(fā)，對貨車后軸鋼板彈簧進(jìn)行空氣懸架重新匹配，建立了空氣懸架車輛-路面系統(tǒng)動力學(xué)MATLAB/Simulink道路友好性仿真模型，探討了空氣懸架對車輛行駛性能的影響。在此基礎(chǔ)上，基于現(xiàn)代優(yōu)化設(shè)計(jì)理論，以道路友好性和行駛平順性的線性加權(quán)和為目標(biāo)函數(shù)，建立空氣懸架貨車懸架參數(shù)多目標(biāo)優(yōu)化模型，針對傳統(tǒng)頻域方法求解非線性振動問題的不足，提出了基于Simulink-Mfile混合編程和遺傳算法相結(jié)合、在時(shí)域內(nèi)進(jìn)行優(yōu)化

4、求解的新方法，對比分析了空氣懸架優(yōu)化前后貨車的道路友好性和行駛平順性，為道路友好性被動懸架優(yōu)化設(shè)計(jì)提供新思路。
　　(3)基于道路友好性的車輛主動懸架控制策略研究。針對被動懸架參數(shù)在使用中不可調(diào)的缺陷，基于現(xiàn)代控制理論，設(shè)計(jì)了基于行駛平順性和道路友好性的貨車主動懸架最優(yōu)控制器，初步采用層次分析方法確定性能指標(biāo)權(quán)重，分析了最優(yōu)控制對車輛行駛性能的影響;針對層析分析法確定指標(biāo)加權(quán)系數(shù)主觀性強(qiáng)的不足，提出了指標(biāo)加權(quán)系數(shù)優(yōu)化的正交試驗(yàn)方法

5、，對比分析了正交優(yōu)化前后主動懸架的車輛性能;在此基礎(chǔ)上，從進(jìn)一步提高主動懸架道路友好性的角度出發(fā)，設(shè)計(jì)了主動懸架軸距預(yù)瞄最優(yōu)控制器，分析了軸距預(yù)瞄對主動懸架的改善效果，并探討了車速對軸距預(yù)瞄改進(jìn)效果的影響;為道路友好性主動懸架的設(shè)計(jì)和開發(fā)提供新借鑒。
　　(4)路面結(jié)構(gòu)隨機(jī)動載響應(yīng)的研究。路面動載響應(yīng)是車-路相互作用研究的一個(gè)重要方面，為分析車輛隨機(jī)動載對路面結(jié)構(gòu)的損傷破壞機(jī)理，基于路面層狀體系理論，考慮面層材料的粘彈性，采用AN

6、SYS軟件建立了半剛性瀝青路面三維有限元分析模型，基于車輛動載荷時(shí)域仿真數(shù)據(jù)、考慮輪胎接地矩形印跡，實(shí)現(xiàn)了隨機(jī)動載荷加載和求解;分別采用路面節(jié)點(diǎn)響應(yīng)時(shí)程分析法和節(jié)點(diǎn)響應(yīng)極值分析法，探討了了車輛隨機(jī)載荷下路面結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)規(guī)律，并與移動恒載作用下路面響應(yīng)進(jìn)行比較;在此基礎(chǔ)上，以路面不平度為例，分析了車輛振動強(qiáng)度對路面動態(tài)響應(yīng)的影響。節(jié)點(diǎn)響應(yīng)極值分析結(jié)果可反映隨機(jī)動載作用下路面結(jié)構(gòu)的波動變化規(guī)律，可為動載作用下路面響應(yīng)和損傷分析提供新方法。

7、
　　(5)車-路相互作用下路面破壞參數(shù)影響分析。為分析車輛設(shè)計(jì)和使用參數(shù)對道路損傷破壞的影響，將車輛隨機(jī)動載模擬、路面有限元模型隨機(jī)動載加載方法和路面節(jié)點(diǎn)響應(yīng)極值分析法結(jié)合起來，提出了車-路相互作用研究的系統(tǒng)化分析方法。在此基礎(chǔ)上，選取路面動態(tài)響應(yīng)和路面疲勞破壞評價(jià)指標(biāo)，以已建立的車輛動力學(xué)和路面有限元模型為研究對象，采用參數(shù)化方法，分析了車輛懸架、輪胎等設(shè)計(jì)參數(shù)和車速、載重等使用參數(shù)對路面破壞的影響，并對比分析了車輛懸架優(yōu)化和

8、控制前后路面響應(yīng)和疲勞破壞的效果，從而驗(yàn)證了該系統(tǒng)化分析方法的正確性和可行性，為車-路聯(lián)合設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)性成果。
　　論文涉及車輛行駛動力學(xué)、路面結(jié)構(gòu)力學(xué)、有限元方法及現(xiàn)代優(yōu)化控制理論等內(nèi)容，所提及的車輛隨機(jī)動載模擬方法、路面動載響應(yīng)分析方法和基于道路友好性的懸架參數(shù)優(yōu)化控制策略，在規(guī)范和指導(dǎo)車輛運(yùn)用和設(shè)計(jì)、減少道路破壞和促進(jìn)車-路聯(lián)合設(shè)計(jì)等方面具有重要意義。所提出的基于隨機(jī)動載模擬和分析的系統(tǒng)化方法，將車輛-路面系統(tǒng)協(xié)同起來進(jìn)行建