重型汽车与曲线桥相互作用及非线性动力学研究

With the rapid development of economy and goods transport in many countries, high speed and heavy load have become the trend of road traffic development. When passing through curved bridges, heavy vehicles are easy to drift or rollover and also have a dynamic impact on pavement and bridge. As a result, the road or bridge structures will create fatigue, aging, cracking and other problems, which may lead to the traffic accidents. In this project, the models of heavy vehicles, drivers and curved bridges will be built, and the nonlinear dynamics and integrated control of vehicles when passing through curved bridges will be researched by theoritical and numerical methods. The effects of system parameters and vehicle-bridge coupled vibration on vehicle stability, bridge safety and vehicle control strategy will be analyzed. This investigation involves nonlinear dynamics of the high-dimensional, time-delay, rigid-flexible coupling system and has an important science significance. The research results will be beneficial to improving dynamical design of vehicles and curved bridges and mending bridge safety design criterion, which will bring about a great engineering application value for reducing maintaince and management cost.

随着各国经济的快速发展和物流数量的增加，公路交通正向高速和重型化发展。重型汽车通过曲线桥时易产生甩尾、侧翻等失稳现象,并对路面和桥梁产生动力冲击作用，使路面或桥梁构件出现疲劳、老化、开裂等问题，诱发交通事故。本项目拟针对重型汽车、驾驶员与曲线桥建模，利用理论及数值方法研究重型汽车通过曲线桥时的非线性动力学行为及集成控制，分析系统参数与车桥耦合振动对车辆稳定性、桥梁安全性及汽车控制策略的影响。这属于高维、时滞、刚柔耦合、非线性系统动力学问题，具有重要的科学意义。研究成果有助于改进车辆和曲线桥动态设计、完善桥梁安全性设计规范，对保证交通安全及降低养护管理成本具有重要的工程应用价值。

本项目针对重型汽车通过曲线桥时的车桥动力学行为及耦合作用开展研究。对轮胎三向动刚度及阻尼特性进行了实验建模和参数识别，针对重型汽车建立了23自由度非线性整车模型和刚柔耦合虚拟样机整车模型，提出了新的单点时滞预瞄驾驶员模型。分析了车辆通过曲线桥时的非线性动力学行为，提出了基于LTR的差动制动主动防侧翻控制策略。建立了曲线桥竖向、扭转、轴向和径向运动方程，利用伽辽金和振型叠加法并考虑阻尼和高阶振型截断对曲线桥动力学行为进行了解析研究。建立了曲线桥的三维有限元模型，分析了几何非线性、材料非线性和结构损伤对桥梁冲击系数的影响。采用ADAMS-ANSYS联合仿真、ANSYS中的APDL语言和Matlab编程分别建立了车-曲线桥耦合模型，分析了耦合作用机理及车桥参数对车辆、桥梁响应的影响。提出了DYC+ABS协调控制策略，可有效提高车辆稳定性和制动安全性，搭建了三轴汽车底盘电控硬件在环试验平台，对控制效果进行了验证。利用谐波平衡法和傅氏级数展开解析研究了车桥系统和减振器的耦合振动，分析了系统参数对减振效果的影响。研究表明，(1)当车辆超过临界速度通过曲线桥时，车辆侧向位移、横摆角速度及侧倾角会急剧增大直至发散，轮胎侧向力特性进入非线性区域，汽车发生失稳。(2)考虑几何非线性后，曲线桥跨中挠度幅值及冲击系数明显减小，偏载时影响更显著。材料非线性对支反力的影响很小，但会使跨中竖向、横向位移及扭转角峰值增加，载重越大非线性作用越明显。(3)考虑车桥耦合后，轮胎下方的激励均值和峰值频率功率谱都有明显减小，但均方根值变化较小。传统模型计算的桥梁垂向、扭转和侧向位移均小于耦合模型。利用规范中直线桥公式得到的冲击系数，小于人-车-曲线桥耦合模型的计算结果，误差可达30%。因此，应考虑系统非线性及车-曲线桥耦合作用，精确计算车桥动力学行为。本项目的研究模型及方法可为高维、时滞、刚柔耦合系统非线性动力学研究提供借鉴，研究结果有助于改进车辆和曲线桥动态设计，保障交通安全。