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车路耦合条件下沥青混凝土路面变形特性时域分析

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公路交通科技 2017年第12期34卷 16-22页

作者：许海亮何兆才何炼北方工业大学土木工程学院北京100144

考虑路面不平整度激励下车路耦合振动的研究主要是在频域范畴内利用线弹性模型进行。利用有限元方法建立了考虑路面不平整度因素的车路耦合非线性数值模型,分别研究了不同路面不平整度、不同车辆行驶速度、不同车辆载重和不同路基强度... 详细信息

考虑路面不平整度激励下车路耦合振动的研究主要是在频域范畴内利用线弹性模型进行。利用有限元方法建立了考虑路面不平整度因素的车路耦合非线性数值模型,分别研究了不同路面不平整度、不同车辆行驶速度、不同车辆载重和不同路基强度等影响因素下的道路结构振动响应情况。考虑道路结构本身的复杂性,每一结构层对振动的响应均会表现不同,为了突出和便于比较影响因素下的变化趋势,故取路表位移响应作为研究对象。研究发现:无论在何种路面条件下行驶,道路位移响应都可以明显地分为3个阶段,暂称为:车辆临近、车辆进行和车辆离去;路面平整度越差,路面结构位移也越大,C级路面下的最大位移量是A级路面的1.31倍;路面响应的最大位移峰值主要受车辆自重影响,而在车辆进行阶段出现的一些小的位移振动峰值主要受路面不平整而引起的随机振动影响,而且这些小的振动峰值随着路面不平整度的变差而增大,随着车辆行驶速度的增大,路面最大位移量变小,但是最大位移量的变化幅度很小,趋势不是很明显;车辆超载后,路面最大位移量增大明显,超载比例达到100%情况下,路面变形增大幅度在50%~109%之间;路基强度降低后,路面最大位移量明显增大,路基强度降低28%后,路面变形增大幅度在15%左右。

关键词：道路工程路面结构响应非线性模型车路耦合路面不平整度

车路耦合振动对压电陶瓷机电转换性能影响的研究

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车路耦合振动对压电陶瓷机电转换性能影响的研究

作者：庞高磊武汉理工大学

学位级别：硕士

低成本、可持续的绿色能源(电池)是解决无线传感器网络和车载传感网供电的关键环节。而压电发电装置是一种能够收集环境振动能量,将机械能转化为电能的装置,并具有抗干扰,绿色环保和持续性供电的优势。目前,国内外对压电发电装置都做了... 详细信息

低成本、可持续的绿色能源(电池)是解决无线传感器网络和车载传感网供电的关键环节。而压电发电装置是一种能够收集环境振动能量,将机械能转化为电能的装置,并具有抗干扰,绿色环保和持续性供电的优势。目前,国内外对压电发电装置都做了相关的研究,但是对压电发电装置载体的研究却很少。由于传感网在军用和民用装备的强劲需求,作者研究了以军用和民用最典型的装备—车辆为载体的压电发电装置。压电发电装置的种类多种多样,但是在收集低频环境振动能量方面主要是采用悬臂梁结构形式的压电发电装置。基于上述研究特点,做了如下工作：首先,作者建立了道路功率谱模型和车辆七自由度空间动力学模型,分析了在车路耦合振动下车身质心振动的加速度及其频谱,并对比研究了路面等级和载货质量对车身质点加速度和悬架与车身连接处加速度的影响。其次,以车身振动的加速度及其频谱为基础,分析了压电悬臂梁的机械能和电能之间的转换机理,并且建立了压电悬臂梁发电的理论模型。采用主动设计的形式对悬臂梁的主要结构参数进行了初步设计,仿真分析了基于车路耦合振动的压电悬臂梁的输出电压和激振频率之间的关系,对比研究了悬臂梁各参数对输出电压和固有频率的影响。最后,总结并分析了论文中得到的结论,结果表明：车身振动一阶固有频率在1HZ-2HZ之间,路面激励下车身的振动主要为低频振动,其范围在0HZ-20HZ,加速度极限值在0.2g-0.4g之间。要满足车载压电发电装置的固有频率在路面激励下车身的振动频率范围之内,在满足设计和实际加工要求的前提下,可适当增大悬臂梁自由端质量块的重量,增加悬臂梁的长度,减少悬臂梁的宽度和中间金属层的厚度。

关键词：车路耦合压电悬臂梁机电转换

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车路耦合系统非线性车辆模型动态实验研究

车路耦合系统非线性车辆模型动态实验研究

作者：孟庆飞石家庄铁道大学

学位级别：硕士

随着近些年公路的大量建设，车速的提高，载重量的加大，路面破坏的现象越来越多。由于路面不平度的存在会造成车辆振动，影响车辆驾驶的平稳性和舒适性，同时，车辆的振动又会作用于路面，使得路面受到更大的载荷，加大了路面的破坏。... 详细信息

随着近些年公路的大量建设，车速的提高，载重量的加大，路面破坏的现象越来越多。由于路面不平度的存在会造成车辆振动，影响车辆驾驶的平稳性和舒适性，同时，车辆的振动又会作用于路面，使得路面受到更大的载荷，加大了路面的破坏。目前路面设计均采用静载荷作为设计规范，难以真实反映实际车路动力学行为和路面破坏机理，因此将车路作为耦合系统研究成为当前研究的热门领域，同时开展车路耦合动力学实验研究十分必要。本文将公路车辆简化为1/4车辆模型，选取车辆悬挂为四种典型的非线性悬挂，重点研究具有非线性特性元件的动力学行为，通过实验分别研究了空气弹簧，钢板弹簧，金属橡胶，阻尼橡胶四种非线性弹性元件的刚度和阻尼特性，拟合得到其各项动态参数及悬挂恢复力模型;在此基础上，建立具有非线性悬挂的1/4车辆模型的运动微分方程，通过数值仿真研究了非线性车辆系统的动力学行为;设计了车辆和路面的实验模型，通过实验研究了车路耦合作用下的路面动力响应。实验表明，四种非线性悬挂元件都具有滞后环特性，说明其具有很好的能量损耗能力，滞后环的大小和形状与加载频率、幅值以及速度有关，恢复力模型较为复杂，本文通过数值拟合得到简单的非线性恢复力模型，并应用于1/4车辆响应数值计算和车路模型分析。论文通过对比受到冲击作用的非线性1/4车辆模型的振动响应以及路面模型在车辆模型作用下的动态响应，说明仿真结果与实验结果具有较好的一致性。本文工作对车路耦合理论及应用提供了一定的参考。

关键词：车辆悬挂恢复力模型非线性车路耦合动态响应

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车路耦合振动系统中的功率流分析

车路耦合振动系统中的功率流分析

作者：夏二立石家庄铁道大学

学位级别：硕士

车路耦合动力学是具有实际工程意义的重要研究方向,也是当前的热点研究问题。但是目前对车路耦合系统的研究主要是通过建立车路耦合系统的模型,使用不同的计算方法对路面的变形和应力以及车辆的速度、加速度等物理量进行研究。本文采用... 详细信息

车路耦合动力学是具有实际工程意义的重要研究方向,也是当前的热点研究问题。但是目前对车路耦合系统的研究主要是通过建立车路耦合系统的模型,使用不同的计算方法对路面的变形和应力以及车辆的速度、加速度等物理量进行研究。本文采用功率流方法,从能量传递的角度研究车路耦合系统中的能量传递与转化关系。论文主要的研究内容包括:对复杂的线性振动系统功率流传递特性进行了研究,推导了功率流的基本表达式及计算方法。建立了单自由度非线性车辆模型及系统方程,并使用谐波平衡法推导了单自由度非线性悬架系统的幅频曲线方程。对方程进行无量纲化处理,使用平均法求得系统的幅频特性曲线方程,并进行稳定性分析。根据功率流基本理论,推导了由路面激励传递到车辆系统的功率流表达式以及车体最大动能表达式。编写matlab程序,比较了输入功率流一次近似解析解和数值解,通过数值分析,得到了悬架系统的线性刚度、非线性刚度以及阻尼系数对输入功率流和车体最大动能的影响。分别建立了单自由度1/4车辆-路面耦合模型及系统方程和两自由度1/4车辆-路面耦合模型及系统方程,对路面方程进行离散化处理,并用谐波平衡法对耦合方程进行处理。推导了路面输入车辆的功率流表达式、车辆作用传递给路面的功率流表达式以及车体最大动能表达式。得到了车体、轮胎和路面之间的能量转化关系。通过数值分析,以减少输入系统的功率流和车体最大动能为目标,比较了重要参数对系统的影响。研究结果表明,功率流方法能够揭示系统的能量传递与转化关系,并为车辆和路面系统的参数选择提供了一定的参考。

关键词：车路耦合非线性功率流能量传递

车路耦合作用下含裂缝不平整沥青路面的疲劳寿命研究

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车路耦合作用下含裂缝不平整沥青路面的疲劳寿命研究

作者：郑耀西安科技大学

学位级别：硕士

由于沥青路面本身存在不平整度和裂缝等缺陷,在车辆荷载作用下,造成沥青路面的疲劳寿命降低。本文考虑路面不平整度引起的车路耦合动荷载效应,运用有限元方法对平整不含裂缝、不平整不含裂缝和不平整且含裂缝三种沥青路面结构进行动力... 详细信息

由于沥青路面本身存在不平整度和裂缝等缺陷,在车辆荷载作用下,造成沥青路面的疲劳寿命降低。本文考虑路面不平整度引起的车路耦合动荷载效应,运用有限元方法对平整不含裂缝、不平整不含裂缝和不平整且含裂缝三种沥青路面结构进行动力响应计算分析。在此基础上利用疲劳寿命预估公式,预测沥青路面的疲劳寿命,分析路面结构设计参数和车辆轴载对疲劳寿命的影响。主要研究内容及结论如下:(1)将车辆简化为二自由度四分之一车辆振动模型,以路面不平整度作为车辆模型的激励源,求解车路耦合作用引起的动荷载。利用有限元方法对平整不含裂缝、不平整且不含裂缝两种路面结构进行动力响应计算分析,并对疲劳寿命进行预估。结果表明,增大基层厚度与弹性模量会使基层底部的横向拉应力变大,容易形成半刚性基层反射裂缝,无裂缝不平整沥青路面的疲劳寿命相较于平整路面降低了 33.9%。(2)对预设裂缝的不平整沥青路面进行动力响应分析,计算裂缝尖端的应力强度因子,并对路面结构设计参数和车辆轴载的影响效果进行分析。结果表明,裂缝早期扩展主要由张开型应力强度因子K1引起,裂缝开裂中后期由张开型应力强度因子K1与剪切型应力强度因子K2共同作用,开裂末期K2会大于K1;面层与基层厚度和K1与K2呈负相关,K1与K2均与面层模量呈正相关,与基层模量呈负相关;超载对于K1与K2的影响效果最明显。(3)根据上述计算结果,基于Paris公式,通过线性近似法计算沥青路面的疲劳寿命。结果表明,增加面层与基层厚度是最有效的改善沥青路面疲劳寿命的方法,基层厚度对疲劳寿命的影响程度较小;疲劳寿命与面层模量呈负相关,与基层模量呈正相关;车辆轴载对于路面疲劳寿命的影响十分显著,当轴载增加100%时,疲劳寿命减少243%;影响沥青路面疲劳寿命的四种材料参数敏感性排序为:面层厚度>基层厚度>面层模量>基层模量。(4)通过对关中环线(S107)公路行驶的不同车型交通量的统计,应用轴载换算法进行计算分析,结果表明:路面不平整度使沥青路面的疲劳破坏时间降低了 33.7%,在正荷载与偏荷载两种极端荷载作用下,预设裂缝的不平整路面基层底裂缝贯穿表面需要3.93-4.78 年。

关键词：不平整度裂缝车路耦合动力响应疲劳寿命

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面向车路耦合的6×6轮式机器人动力学分析

科学技术与工程 2019年第22期19卷 322-331页

作者：谢步庆封硕舒红长安大学工程机械学院西安710064 长安大学理学院西安710064

为了准确地描述采用6个轮边电机独立驱动的双减震轮式机器人的响应特性以及轮胎的动载荷,通过构造适合不同等级路面的6×6轮整车13自由度垂向动力学模型进行仿真.该模型包含了双边6个车轮垂向位移,车身质心垂向位移,车身四角垂向位移,... 详细信息

为了准确地描述采用6个轮边电机独立驱动的双减震轮式机器人的响应特性以及轮胎的动载荷,通过构造适合不同等级路面的6×6轮整车13自由度垂向动力学模型进行仿真.该模型包含了双边6个车轮垂向位移,车身质心垂向位移,车身四角垂向位移,车身俯仰运动以及车身侧倾运动,并且将左右轮在行驶过程中的相干性以及行驶过程中左右轮地面信号输入的不同的情况考虑在内;同时利用三角级数法构造并验证了仿真所需的各级路面时域信号,可以模拟在任何等级路面下的运动情况;建立了利用MATLAB/Simulink平台求解该动力学模型以获得响应特性及轮胎动载荷的研究方法.结果表明,在F级路面下的整车13自由度垂向动力学模型的可行性以及准确性.可见,该动力学模型可为以后6×6双减震轮式机器人相关参数(例如悬架优化,有限元分析,轻量化设计)的优化提供参考.

关键词：六轮六驱多自由度动力学模型路面时域信号车路耦合

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不平路面车路耦合动载研究

中国科技论文 2018年第4期13卷 408-413页

作者：石晓辉蒋欣赵军翟金祥重庆理工大学车辆工程学院重庆400054 重庆大学机械工程学院重庆400054

为了研究路面平整度对车轮垂向和纵向动载荷的影响,考虑悬架的拉伸和压缩对车轮动载荷的影响,建立了1/4垂向振动模型;根据车辆纵向速度与垂向速度的关系,推导纵向振动路面谱,建立了1/4纵向振动模型。通过对车路耦合垂向模型和纵向模型... 详细信息

为了研究路面平整度对车轮垂向和纵向动载荷的影响,考虑悬架的拉伸和压缩对车轮动载荷的影响,建立了1/4垂向振动模型;根据车辆纵向速度与垂向速度的关系,推导纵向振动路面谱,建立了1/4纵向振动模型。通过对车路耦合垂向模型和纵向模型进行联合仿真分析可得:在同一车速下,C级路面比B级路面车轮动载荷大;车速越高,车轮振动越剧烈;车轮纵向振动较垂向振动更为剧烈。研究结果表明,路面平整度对车轮纵向动载荷比垂向动载荷更为剧烈,纵向振动时车辆对路面的纵向剪力破坏更为严重。因此,车辆在不平路面上行驶时车轮同时受到垂向动载和纵向动载的作用。

关键词：路面平整度车轮动载荷车路耦合振动

基于运行速度与车路耦合的弯坡路段线形安全研究

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基于运行速度与车路耦合的弯坡路段线形安全研究

作者：梁士帅重庆交通大学

学位级别：硕士

山区公路受限于复杂的地形与工程造价等因素不可避免的会出现许多线形指标差的弯坡路段,另外当前我国公路线形设计的相关规范是基于设计速度的单一线形指标标准,忽略了平纵线形的不同组合对车辆在弯坡路段行驶时运行速度的影响及实际运... 详细信息

山区公路受限于复杂的地形与工程造价等因素不可避免的会出现许多线形指标差的弯坡路段,另外当前我国公路线形设计的相关规范是基于设计速度的单一线形指标标准,忽略了平纵线形的不同组合对车辆在弯坡路段行驶时运行速度的影响及实际运行速度的动态变化对线形设计的要求。因此,本文所做研究旨在于从车路协同的角度并结合山区公路弯坡路段实际运行速度特征为山区公路弯坡路段不同线形组合的安全指标设计提供参考。本文的研究对象为山区二级及二级以下公路弯坡路段,首先分别对车辆在弯道、坡道、弯坡组合路段上的行驶状态进行受力分析与稳定性分析,得到了相应线型的车路耦合安全模型;然后依据相关规范与研究建立了弯道与坡道的运行速度预测模型并依据实际调查与统计分析得到了三种弯坡组合线型的运行速度预测模型;再将运行速度预测模型与车路耦合安全模型进行结合,通过选取合适的车型与模型参数代入模型得出了不同车型在弯道、急弯陡坡路段、弯坡组合路段的主要安全设计指标阈值及其随设计参数变化的规律;随后通过Carsim对车辆在弯道、急弯陡坡路段、弯坡组合路段不同工况行驶时的稳定性进行了仿真分析,一定程度上验证了模型的合理性及设计阈值的变化规律,结果显示:(1)弯道路段车辆运行速度越大,对应极限安全半径越大;超高越大,对应极限安全半径越小;总体上小型车比大型车对应的极限安全半径小,但当设计速度小于40km/h时情况相反。(2)急弯陡坡路段车辆运行速度越大,对应最大安全坡长越短,纵坡坡度越大,对应最大安全坡长越短;第一线形单元超高越小,对应最大安全坡长越短;总体上急弯陡坡路段对应最大安全坡长比单个纵坡规范设计坡长要短。(3)弯坡组合路段车辆运行速度越大,对应极限安全半径越小,超高越大,对应极限安全半径越大,坡度对半径的影响不大;同等条件下,弯坡组合三最小安全设计半径大于弯坡组合二大于弯坡组合一,且三种弯坡组合的设计半径均大于平曲线下对应超高的规范最小半径;最后提出了山区公路弯坡路段的线形连续性设计方法与适用于山区公路弯坡路段的安全保障设施设计。本文的研究成果可以为山区二级及二级以下公路不同弯坡组合形式路段的运行速度特征、线形设计指标阈值的选取提供参考,对提高山区公路弯坡路段线形的连续性及安全性具有一定的意义。

关键词：弯坡路段车路耦合运行速度 Carsim仿真

基于车路耦合安全评价模型的山区公路纵向设计理论研究

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基于车路耦合安全评价模型的山区公路纵向设计理论研究

作者：柳毅重庆交通大学

学位级别：硕士

随着我国交通建设的发展，我国的公路网也在不断向西部山区延伸。但是经济上的落后与地形上的崎岖使得西部山区公路往往线形不良，管理粗放、缺少相关防护设施等问题，造成西部山区公路上事故频发，死伤不断，经济发展也受到严重制约。... 详细信息

随着我国交通建设的发展，我国的公路网也在不断向西部山区延伸。但是经济上的落后与地形上的崎岖使得西部山区公路往往线形不良，管理粗放、缺少相关防护设施等问题，造成西部山区公路上事故频发，死伤不断，经济发展也受到严重制约。长下坡路段往往是山区公路事故多发路段;虽然可以采用多种手段来保障车辆在长达下坡路段的安全行驶，但是这些措施却是相互孤立的，未能形成体系;设置紧急车道被认为是最有效的安全保障措施，但是缺少相关技术性规范指导其设计。为解决上述问题，本研究首先对山区高速公路交通事故进行了调查研究，明确了山区高速公路交通事故在事故起因，事故车型等方面的特性;接着以车辆理论为基础，通过分析下坡行驶车辆的行驶动力学特性，建立了相应的制动器温升理论计算模型;接着结合现有设计理论，对理论模型进行了简化;通过实车试验，验证了理论模型与简化模型的正确性;提出了车路耦合安全需的概念，并建立了车路耦合纵向安全度模型，并以此为基础建立了车路耦合纵向评价模型评价模型;最后以安全评价模型为基础，探究了现有设计理论的改进办法。车路耦合安全评价模型不仅可以应用于避险车道的设置，也可以应用于道路线形的优化设计，具有相当的研究价值与实际意义

关键词：山区公路公路长大下坡车路耦合安全评价公路设计