车路相互作用系统非线性动力学性能优化研究

With the development of vehicle towards to high speed and heavy load, the interaction effect between vehicles and roads is increasing obviously. As a high dimensional nonlinear rigid-flexible coupled system, the dynamics and vibration problems of the vehicle-road interaction system are very complex, which is a frontier science in the field of dynamics. Taking the interaction of heavy vehicle and road as the research object, the nonlinear dynamic response analysis of the high dimensional rigid-flexible coupled system is conducted in this project. The breakthrough will be achieved in the dynamical optimization of vehicle-road coupled system, the virtual test method for heavy vehicle under multi-factor coupling condition, and the pavement mechanics behavior under complex tire-pavement contact stress. The improvement will be proposed to promote the active safety and road friendliness of heavy vehicles under the complex road alignment condition. The research results will enrich the theoretical research contents of vehicle-road interaction system dynamics, and have important engineering application value in the fields of low dynamical design of vehicle, road design and transportation safety.

随着载运工具不断向高速化、重载化方向发展，车辆与道路的相互作用效应日益增强。作为高维刚柔耦合的非线性系统，车路相互作用系统的动力学与振动问题十分复杂，是动力学领域的前沿科学问题。本项目以重载车辆与道路的相互作用为研究对象，开展高维刚柔耦合系统的非线性动力学响应研究，在车路耦合系统动力学优化、多因素耦合条件下公路行车虚拟试验方法、复杂轮胎-路面接触力条件下的路面力学行为等方面实现突破，并针对复杂道路线形条件下重载车辆主动安全性和道路友好性的提升提出改进措施。研究成果在重载车辆的低动力设计、道路设计、交通运输安全等领域具有重要的工程应用价值，对于拓展车路相互作用系统动力学的研究内容具有一定的理论意义。

由于车辆动载引起的路面早期破坏已成为我国高速公路发展的突出问题。依托延崇、太行山高速公路实体工程，针对重载车辆对路面的破坏问题，建立一套较为系统、有效的车路相互作用力学行为研究方法，深入分析了车辆和路面的动力学性能，从减小路面早期破坏、提高路面使用寿命的角度为公路建设和运营管理提供理论参考。本项目主要取得了以下几点成果：①建立了车路相互作用非线性模型，探究了路面振动、路面不平整度以及车路非线性、路面粘弹性对车路相互作用系统的影响，评价了车辆行驶条件下道路结构的动力特性、行车的安全性和平稳性，开展相关参数的低动力设计；②通过对重型车辆和道路线形、路面附着特性建立动力学模型，对延崇高速公路新建工程路线设计方案进行行车安全性评价，旨在及时发现事故隐患或对安全有不利影响的设计，并提出对策；③以复杂轮胎力及其作用下的沥青路面力学行为为对象，分析了稳态条件下三向轮胎力的空间分布特征和复杂轮胎力作用下路面的力学行为，揭示了车辆使用参数对轮胎力空间分布、路面动力响应及路面典型病害的影响；④通过现场数据与沥青路面的有限元结合，进行了路面不同结构层全天的温度变化以及车辙深度变化分析；⑤建立了含表面温缩横向裂纹的沥青路面有限元模型，分析了交通荷载和温度荷载作用下的路表温缩裂纹的开裂扩展特性，同时根据计算所得的温度场作为参数，研究基于几个典型温度场施加移动荷载下横向裂缝的扩展情况。