重型汽車與曲線橋相互作用及非線性動力學研究

《重型汽車與曲線橋相互作用及非線性動力學研究》是依託石家莊鐵道大學，由李韶華擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：重型汽車與曲線橋相互作用及非線性動力學研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：李韶華
• 依託單位：石家莊鐵道大學

項目摘要

隨著各國經濟的快速發展和物流數量的增加，公路交通正向高速和重型化發展。重型汽車通過曲線橋時易產生甩尾、側翻等失穩現象,並對路面和橋樑產生動力衝擊作用，使路面或橋樑構件出現疲勞、老化、開裂等問題，誘發交通事故。本項目擬針對重型汽車、駕駛員與曲線橋建模，利用理論及數值方法研究重型汽車通過曲線橋時的非線性動力學行為及集成控制，分析系統參數與車橋耦合振動對車輛穩定性、橋樑安全性及汽車控制策略的影響。這屬於高維、時滯、剛柔耦合、非線性系統動力學問題，具有重要的科學意義。研究成果有助於改進車輛和曲線橋動態設計、完善橋樑安全性設計規範，對保證交通安全及降低養護管理成本具有重要的工程套用價值。

結題摘要

本項目針對重型汽車通過曲線橋時的車橋動力學行為及耦合作用開展研究。對輪胎三向動剛度及阻尼特性進行了實驗建模和參數識別，針對重型汽車建立了23自由度非線性整車模型和剛柔耦合虛擬樣機整車模型，提出了新的單點時滯預瞄駕駛員模型。分析了車輛通過曲線橋時的非線性動力學行為，提出了基於LTR的差動制動主動防側翻控制策略。建立了曲線橋豎向、扭轉、軸向和徑向運動方程，利用伽遼金和振型疊加法並考慮阻尼和高階振型截斷對曲線橋動力學行為進行了解析研究。建立了曲線橋的三維有限元模型，分析了幾何非線性、材料非線性和結構損傷對橋樑衝擊係數的影響。採用ADAMS-ANSYS聯合仿真、ANSYS中的APDL語言和Matlab編程分別建立了車-曲線橋耦合模型，分析了耦合作用機理及車橋參數對車輛、橋樑回響的影響。提出了DYC+ABS協調控制策略，可有效提高車輛穩定性和制動安全性，搭建了三軸汽車底盤電控硬體在環試驗平台，對控制效果進行了驗證。利用諧波平衡法和傅氏級數展開解析研究了車橋系統和減振器的耦合振動，分析了系統參數對減振效果的影響。研究表明，(1)當車輛超過臨界速度通過曲線橋時，車輛側向位移、橫擺角速度及側傾角會急劇增大直至發散，輪胎側向力特性進入非線性區域，汽車發生失穩。(2)考慮幾何非線性後，曲線橋跨中撓度幅值及衝擊係數明顯減小，偏載時影響更顯著。材料非線性對支反力的影響很小，但會使跨中豎向、橫向位移及扭轉角峰值增加，載重越大非線性作用越明顯。(3)考慮車橋耦合後，輪胎下方的激勵均值和峰值頻率功率譜都有明顯減小，但均方根值變化較小。傳統模型計算的橋樑垂向、扭轉和側向位移均小於耦合模型。利用規範中直線橋公式得到的衝擊係數，小於人-車-曲線橋耦合模型的計算結果，誤差可達30%。因此，應考慮系統非線性及車-曲線橋耦合作用，精確計算車橋動力學行為。本項目的研究模型及方法可為高維、時滯、剛柔耦合系統非線性動力學研究提供借鑑，研究結果有助於改進車輛和曲線橋動態設計，保障交通安全。