基于整车模型的车-路耦合作用仿真分析

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车辆与道路桥梁耦合随机动力分析及优化

车辆与道路桥梁耦合随机动力分析及优化摘要：本文主要研究了车辆与道路/桥梁耦合系统在动力分析以及动力优化过程中的关键问题，提出了一种建立在随机振动灵敏度基础之上的动力优化方法，望以上问题为后续同类作业的开展提供一定的参考与帮助。

关键词：车辆道路/桥梁耦合动力优化现阶段，有关车辆与道路/桥梁耦合系统随机动力分析的研究还比较少，在计算方面存在着比较大的问题与不足。

起来，主要可以归纳为以下两个方面：首先，在有关车辆与道路/桥梁耦合系统振动动力的分析中，为了判定车辆振动受路面随机不平整度的影响，多是通过时间历程分析的方式实现，其所得出的概率特征不够准确，随机动力响应不够精确，并会对后期有关车辆振动的控制产生不良影响；其次，在有关车辆与道路/桥梁耦合系统动力优化的过程当中，由于目标函数及约束函数多以复合、非线性函数作为表现形式，因此在灵敏度分析方面格外的复杂。

现阶段是应用的最小二乘法、或则是摄动法均无法解决计算量过于繁重的问题。

本文即针对上述实际情况，就车辆与道路/桥梁耦合系统在随机动力分析与优化方面的关键问题做详细分析与说明。

1.车辆与道路/桥梁耦合系统运动方程分析从车辆与道路/桥梁耦合系统的研究视角上来看，车辆在行驶过程当中从本质上来说属于一个极为复杂的多自由度振动体系。

为了使后续有关随机动力的分析优化操作更加简便，需要作出如下几点假设：（1）假设行驶车辆车身为钢体，前桥、后桥均为集中质量；（2）假设行驶车辆左向车轮、右向车轮所受到的路面不平整度激励功率谱表现完全一致，仅在受激励的时间方面存在差异；（3）假设行驶车辆始终保存均匀速度以直线运动，车辆轮胎始终与地面保持接触关系；（4）假设车辆在行驶过程当中的垂向针对以及仰俯振动会对路面产生显著影响；（5）剔除车辆在行驶过程当中，其他方向振动对路面的影响。

基于以上分析，在假定车辆轮胎与路面始终保持接触关系的前提条件下，以Zcn代表车辆第n个车轮所发生的位移反应，由此可以在DAlembert原理的基础之上，构建对应车辆行驶过程的基本运动方程，如下所示：2.精细积分法在车辆与道路/桥梁耦合系统随机动力分析中的应用相关研究人员认为：在车辆轮胎行驶于道路/桥梁表面的过程当中，只要车辆能够保证移动动作的晕苏醒，则对于轮胎同道路/桥梁的接触点而言，耦合力的表现与接触点自身对应的位移、速度、加速度表现均存在显著的相关性关系，而各单元当中，任意信息均可以通过节点信息的方式获取。

车桥耦合振动分析

10
水平不平顺/mm
5 0 -5 -10 -15 距离/m 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
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车辆蛇行运动
ls
左轮滚动半径：
Amax y
a
2b
r1 r0 y
右轮滚动半径：
Y
ls
(a)
r2 r0 y
2b
Amax

a
Y (b)
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车辆蛇行运动

回 2页
a)动力放大作用（强度、疲劳检算、稳定等）
b)铁路，桥梁，u=a/(b+L)
式中L－计算跨径或相应内力影响线荷载长度 a,b－因桥梁种类不同而不同的常数
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a)平稳性表示车辆的振动性能平稳性与振动有关，反映旅客舒适度与货物损坏程度 b)平稳性的主要指标 1、车体振动加速度幅值 2、舒适度指标(a, f ) c)舒适度的指标斯佩林指标、 Janeway指标、ISO2631评定法等。
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a)桥梁设计刚度与车辆运营平稳性和桥梁冲系数有很大关系，但确定控制刚度设计标准主要由平稳性控制。
我国公路、铁路桥梁设计竖向挠度允许值
结构类型混凝土梁混凝土梁混凝土钢桁架桥道路类型桥（跨中）桥(悬臂端) 桁架桥公路铁路 L/600 L/800 L/300 L/800 L/800 L/800 钢板梁桥 L/600 L/700 悬索桥 L/400
d)试验
试验与理论(原型试验和现场实测)
用试验结果验证理论模型的正确性，用验证过的、正确的理论模型进行仿真分析，研究各种参数对振动影响，分析各种运营条件下列车、桥梁的安全性。

车辆-路面耦合振动系统模型与仿真分析

本文将针对车辆行走的实际情况，车辆一路面将
系统简化分解为 “ 车辆振动简化模型 ” “ 胎一路面接、轮
触应力模型“ 路面结构力学响应模型 ” 和” ３个子系统，
建立了车路系统的垂向动力分析模型，理论上研究从
路面不平顺对车体振动影响进行了分析。关键词：车辆；路面；动态轮胎力；振动模型；仿真分析
中图分类号：Ｕ１．４６２文献标识码：Ａ
近年来，关车辆一路面系统动力学问题的研究有
大都限于将车路系统的动力学问题分为 “ 辆动力学 ” 车和 “ 面动力学 ” 个相对独立的研究领域－，路两－即把
路面结构，路面结构产生相应的力学响应，时路面使同
结构通过轮胎为车辆提供支撑，影响着车辆的运行。并
驶入该路段的最左端瞬间开始。
显然，目前这些研究成果没有考虑轮胎作为参振子系
统对车辆一路面系统的影响。
动荷载作用下车辆 ¨ 或者路面的动力响应。而
向位移、身俯仰角位移；、：别为前、非簧载质车。ｚ分后
量的竖向位移；（为路面的竖向位移；ｚ）时间ｔ车辆从
车辆一面系统作用中，辆通过轮胎将荷载传递给路车
基金项目：福建省教育厅科研基金资助项目（Ｂ６４）Ｊ０１４

探究汽车与道路耦合动力学研究

3 结束语
车辆在路面坡度较大道路不平缓的行驶过程中，因为车辆的振动程度不断加剧，对路面的动力承载能力也加大了需求，这样就加快了路面的损伤程度，使得道路的使用寿命大幅度减少。了解汽车与道路中的耦合动力学，将其使用在加固道路系统与车辆行驶稳定性中，有效提升道路与车辆的使用寿命，同时也确保车辆在急弯陡坡上的行驶安全。
1 耦合动力学简述
对于现在的车辆而言，车体结构之间的线性振动模拟状态是相互独立的，这种情况就称之为非耦合模式。汽车内部的每个模态都符合能量守恒定律，使得汽车在行驶中动能与势能可以相互转化。一旦存在非线性因素，将会形成模态之间的耦合状态，能量就有可能从一种模态转移到其他模态中，这种情况下振动也就变得较为复杂，对这种情况称之为动力学中非耦合与耦合现象。在一些急弯陡坡道路上行驶时有效保障平稳驾驶，对道路与汽车的使用寿命起到了一定的延长作用。车辆与道路之间存在很大的联系，两者之间相互作用力的动荷载直接影响了道路的使用情况。
在对车辆与道路中的相互关系研究时，可以通过实验方式对这种情况加以分析，利用室内实验来得到数据。首先建造相应急弯陡坡道路的模型，所用柏油材料如表1所示[2]。通过车ห้องสมุดไป่ตู้行驶中汽车与道路之间的相互作用力、多次试验所存在的数据差距、道路路面所出现的损害对其做出相应的分析，更为有效的将道路与汽车行驶间的联系加以了解。
编号厚度
1
0.2
2
0.2
3
0.2
4
2.8
5
3.0
6
3.0
表1 道路材料标准
弹性模量 1000 700 260 45 35 35
泊松比 0.25 0.25 0.30 0.35 0.40 0.40

基于全过程迭代的车桥耦合动力系统分析方法

作用力，同时此作用力亦为轮轨相对运动的函数。大多数方法假设垂向或轮轨接触面法向上轮轨间始终不脱离［Ｉ－６］，亦有研究假定轮轨均为弹性体，其接触力与轮轨法向压缩之间符合Ｈｅｒｔｚ接触假定ｒ７。引。早期研究多认为轮轨横向相对运动为一
波［】］。随着计算手段的提高，亦有以接触点处轮
轨踏面斜率确定竖、横向轮轨接触力的比值＿＿８］，或以Ｋａｌｋｅｒ蠕滑理论为基础，定义横向轮轨相互作用力为轮轨横向相对速度的函数［９－；还有研究以车辆构架运动作为系统激励，以规避轮轨间横向相互作用的复杂性ｌ。】
和横向简化的Ｋａｌｋｅｒ理论定义轮轨接触关系，以轨道不平顺作为激励，采用全过程迭代法求解车桥耦合系统动
力平衡方程。先假定桥梁子系统无变形求解车辆方程，得到车辆运动状态和轮轨作用力时程；将得到的轮轨力
作用于桥梁，计算桥梁子系统的运动状态；叠加桥面运动时程和轨道不平顺，形成新的车辆轮对激励；进行下
以往研究中大多采用时间步内２个子系统往复迭代
题。在各类既有车桥动力分析方法中，车辆子系统模型多以刚体动力学方法建立Ｌ】－１５］，桥梁子系统模型多以有限元方法建立口１６－１８］，２个子系统间以给定的轮轨关系相联系，即：作用于车辆子系统和桥梁子系统的轮轨问相互作用力为一对作用力和反

基于 UM 的车辆-轨道耦合动力学建模及仿真分析

基于 UM 的车辆-轨道耦合动力学建模及仿真分析李国芳;姚永明;丁旺才【摘要】基于多体系统动力学理论，分析某动车各构造拓扑关系及其力学特性，利用多体动力学软件 UM 建立50个自由度的车辆-轨道动力学模型，仿真分析了车辆的非线性临界速度、脱轨系数、振动加速度及平稳性指数等动力学特性，获得了该型动车直线运行的非线性临界速度477 km／h；以200 km／h 的时速通过曲线半径 R ＝4000 m的曲线线路时车体横向、垂向 Sperling 平稳性指数分别为2．01和1．69；车体横向、垂向加速度分别为0．062g 和0．046g ；1位轮对的最大脱轨系数和轮重减载率分别为0．182和0．4064．研究结果表明：该型动车具有较好的动力学性能．%Based on the multi-body system dynamics theory,the topological relations and mechani-cal characteristics of a certain EMU are analyzed,a 50 degree-of-freedom of the vehicle-track dy-namics model is established by the multi-body dynamics software UM,and the nonlinear critical speed,derailment coefficient,acceleration and stability index of the vehicle are obtained by simula-tion.The results show that when EMU crosses a straight line,the nonlinear critical speed is 477km/h;when EMU crosses the curve whose radius is R =4 000 m with a speed of 200 km/h,the lateral and vertical Sperling stability indexes are 2.01 and 1.69;the maximum lateral and vertical acceleration of the vehicle sample point is 0.062g and 0.046g ;the maximum lateral and vertical acceleration of the vehicle body is 0.062g and 0.046g ;the maximum derailment coefficient and wheel load reduction rates of the 1st wheel are0.182 and 0.406 4.The results show that EMU has better dynamic performance.【期刊名称】《兰州交通大学学报》【年(卷),期】2016(035)001【总页数】5页(P142-146)【关键词】UM;车辆-轨道耦合动力学【作者】李国芳;姚永明;丁旺才【作者单位】兰州交通大学机电工程学院，甘肃兰州 730070;兰州交通大学机电工程学院，甘肃兰州 730070;兰州交通大学机电工程学院，甘肃兰州 730070【正文语种】中文【中图分类】U211.5近年来，随着我国高铁事业的飞速发展，动车组运行速度不断提升，极大地缩短了城市间的距离，有效地促进了沿线地区经济、文化的发展和交流,同时也对铁路的运动稳定性、平稳性、曲线通过等动力学性能提出了更高的要求[1-3].但是，想要准确的模拟车辆系统实际运行的情况，就要考虑几十个甚至上百个自由度，并且还要考虑系统的非线性因素；在构造动力学方程时面临着繁重的微分方程，而且由于方程的非线性可能导致无法求得封闭的解析解.这些都成为了制约车辆系统动力学发展的关键因素.多体系统动力学分析软件应运而生，在车辆系统动力学领域，计算机仿真已越来越流行，如今，市场上主流的多体系统动力学分析软件主要包括：ADAMS、DADS、Simpack、Nucars、UM等.本文基于多体系统动力学软件UM，以某型车为研究对象，建立了车辆-轨道耦合动力学模型、对其临界速度、Sperling平稳性指数、车体振动加速度、脱轨系数、轮重减载率等进行了分析.universal mechanism(简称UM)软件是由俄罗斯布良斯克国立大学(Bryansk State Technical University)开发的计算多体系统动力学软件，已广泛运用到铁道工程、轨道车辆、轮式车辆、履带车辆、航空航天、机器人等领域[4].多刚体系统动力学方程的建立需选用广义坐标，用刚体i的质心笛卡尔坐标和反映刚体方位的欧拉角作为广义坐标qi=[x,y,z,ψ,θ,φ]T,模态坐标用q=[qT1,qT2,……，qTm](m为刚体的个数)来表示，即每个刚体用6个广义坐标描述.用欧拉角代表方向,运动的总坐标为式中：x,y和z是局部坐标系相对于整体坐标系的位置；ψ,θ,φ是局部坐标系相对整体坐标系原点的欧拉角；qi,j为第m阶模态振幅的振型分量.由于采用了不独立的广义坐标，系统动力学方程是最大数目但却高度稀疏耦合的微分代数方程,适合用稀疏矩阵的方法高效求解.根据拉格朗日待定乘子法,建立了多刚体系统的动力学方程为[5]不完整约束方程时：φ(q,t)=0;完整约束方程时：.式中：T为系统的动能，φ(q,t)=0为非完整约束方程；,t)=0为完整约束方程；q为系统广义坐标列阵；Q为广义力列阵；p对应于完整约束的拉氏乘子列阵；μ对应于非完整约束的拉氏乘子列阵；v为广义速度列阵；I为转动惯量列阵；ω′为广义角速度列阵.体、铰、力元为多体动力学建模的三要素.铁道车辆动力学建模一般遵循从下往上依次建立体、铰、力元的步骤，即依次设置轮对、轴箱、构架、体、铰、力元，进一步定义转向架子系统.该车辆系统的主要参数如表1所示.3.1 动车动力学模型拓扑图该车型主要是由车体、两个构架、四个轮对组成的多刚体系统，轮对和构架之间、构架与车体之间分别通过一系悬挂、二系悬挂连接.建模前应当先绘制所建模型的拓扑关系图，如图1所示.3.2 动车所需几何外形的建立在UM中建立几何外形有两种方法.一种方法是在UM Input中直接建立(轴箱、构架、车体等)和力元(弹簧、阻尼器等)的几何外形；另一种方法是将SolidWorks、Pro/E等CAD几何模型导入UM中.几何外形的引入可以使模型更加直观化，避免在定义体、铰、力元时出错.该模型所需的几何外形采用UM直接建立和软件导入相结合的方式.3.3 动车轮对的建立UM子系统库中已经建立了标准的参数化轮对子系统模型供调用，建模时只需修改轮对名义滚动圆半径、名义滚动圆跨距、轮对质量、转动惯量、纵向和垂向坐标等参数即可.3.4 动车各类体的定义该车型各类体的定义需调用轴箱、构架、车体的几何外形.再根据调用的几何模型建立其相应的刚体模型，设置对应的质量、转动惯量、质心坐标等参数.3.5 动车各类铰的定义多刚体系统中的铰为连接刚体约束的一种抽象[6].UM建模时，每个模型都有一个Base0物体(总体坐标系)，每个物体固连一个坐标系(局部坐标系),物体与物体之间，物体与总体坐标系之间的约束和姿态主要通过铰来定义.UM中铰包括旋转铰、6自由度铰、平动铰等类型.在UM中设置轴箱、构架、车体的邻接刚体约束情况，轴箱与对应的轮对连接，构架、车体与外部连接；考虑轴箱的点头自由度，采用旋转铰约束类型，构架、车体采用6自由度铰约束类型.3.6 动车各类力元的定义力元的合理选取是建模正确与否的关键，该动车的力元有一、二系弹簧、一、二系垂向阻尼、二系横向阻尼、抗蛇行减振器、牵引拉杆、转臂节点、横向止挡等.各力元的设置需调用预先建立好的几何外形.一系弹簧、空气弹簧、牵引拉杆采用线性力，需分别设置线性力元上下连接点的相对坐标和刚度矩阵参数，其中一系弹簧、空气弹簧还需设置垂向静态力.各阻尼减振器采用两极力，需分别设置两极力元上下连接点的相对坐标和阻尼力的特性参数.本模型一系垂向阻尼力采用非线性粘弹力特性，二系垂向减振器采用线型力特性，二系横向减振器采用散点特性，抗蛇行减振器采用线性粘弹力特性.转臂节点、横向止挡采用止档力元，需分别设置止档力元作用点的相对坐标和止档力的特性参数.本模型转臂节点用横向、纵向、垂向的线性刚度描述，横向止挡采用广义力元的散点特性描述.建立的转向架模型如图2所示.3.7 整车模型装配将所建的转向架模型转化为子系统，镜像生成另一转向架，根据车辆定距参数设置前后转向架位置坐标.再按照上述刚体建立的方法建立车体的刚体模型，通过UM中的连接功能自动将转向架二系悬挂与车体的力元连接.装配好的整车模型如图3所示.4.1 非线性临界速度分析列车运行的过程中给车辆系统一个微小的扰动，当车辆运行的速度低于临界速度时，系统是稳定的，轮对的横向位移值最终将收敛至平衡位置；当车辆运行的速度达到临界速度时，轮对的横向位移将呈现等幅振动；当车辆运行的速度高于临界速度时，系统将蛇形失稳，轮对的横向位移将发散.首先给该车辆系统施加一个恒力式中：M为车辆质量；a为车速降低的加速度.然后给车辆系统一个微小扰动，并给定车辆系统一个大于非线性临界速度的初始速度540 km/h，车速降低的加速度a取-0.2 m/s2.仿真所得前后转向架1位轮对横移值如图4所示，由图4可以得到，在速度很大的时候，即超过临界速度的时候，轮对的最大横移量已达16 mm，大于轮轨间隙[7].当速度降为477 km/h左右，轮对横移收敛，故该车辆的非线性临界速度为477 km/h.4.2 Sperling平稳性指数欧洲铁路联盟(UIC)采用Sperling提出的平稳性指数来评定车辆运行的品质.我国机车车辆运行平稳性指标也采用Sperling平稳性指数[8-9].影响Sperling的两个重要因素为位移对时间的三次导数(加速度变化率)和振动时的动能大小.横向、垂向Sperling指数的计算公式如下：横向Sperling指数垂向Sperling指数式中:f为振动频率，Hz；a为加速度，cm/s2.我国机车车辆的平稳性等级如表2所示.设置如下曲线工况：直线30 m，进出缓和曲线400 m，圆曲线100 m，曲线半径R=4 000 m,曲线超高90 mm，UIC_good轨道谱作为轨道激励，曲线运行速度为200 km/h.计算得出距离车体中心一侧1 000 mm点处的横向、垂向Sperling平稳性指数分别为2.01和1.69.根据GB 5599-85规定的客货车平稳性等级，该车的运行平稳性等级为优.4.3 振动加速度分析我国高速铁路客车在进行动力学性能评判时，参考国内外相关规定，车体振动加速度的舒适度标准取为：横向振动加速度小于0.10g；垂向振动加速度小于0.13g[9].图5为列车在通过上述曲线时距车体中心一侧1 000 mm点处的横向、垂向加速度图.从图5中得到，列车以200 km/h的速度通过上述曲线时车体的最大横向、垂向加速度非别为0.062g和0.046g，均小于我国高速铁路客车车体振动加速度的舒适度指标.4.4 脱轨系数分析脱轨系数是评价车辆运行安全性的一个重要指标[10].国内外评判车辆脱轨的基本指标是脱轨系数Q/P，即轮轨横向力Q与垂向力P之比.根据我国《高速动车组整车试验规范》[11]规定，对于最高运行速度200 km/h及以上的电动车组，脱轨系数Q/P≤0.8.1位轮对的脱轨系数如图6所示.从图6中可以看出车辆以200 km/h的时速通过上述曲线线路时的最大脱轨系数为0.182，远远小于最大脱轨系数限值.满足列车运行的安全性要求.4.5 轮重减载率分析我国在评判车辆运行安全性时除采用脱轨系数这一重要指标外，还采用轮重减载率指标ΔP/P，即增载侧和减载侧轮重值之差的一半ΔP与减载侧和增载侧的平均轮重值P的比值.根据我国《高速动车组整车试验规范》中规定，对于最高运行速度200 km/h及以上的电动车组，轮重减载率执行标准从图7中可以看出车辆以200 km/h的时速通过上述曲线线路时的最大轮重减载率为0.406 4，小于最大轮重减载率限值.满足列车运行的安全性要求.根据多体系统动力学理论，基于计算多体动力学软件UM建立了某车辆-轨道耦合动力学模型.仿真分析了该型动车的非线性临界速度、脱轨系数、振动加速度及平稳性指数等动力学特性，研究结果表明，该型动车具有较好的动力学性能.【相关文献】[1] 张卫华,李艳,宋冬利.高速列车运动稳定性设计方法研究[J].西南交通大学学报,2013,48(1):1-9.[2] 于梦阁,张继业,张卫华.随机风速下高速列车的运行安全可靠性[J].力学学报,2013,45(4):483-492.[3] Grossoni M,Iwnicki S D,Bezin Y,et al.Dynamics of a vehicle-track coupling system at a rail joint[J].Proceedings of the Institution of Mechanical Engine ers,Part F:Journal of Rail and Rapid Transit,2014,229(4):364-374.[4] 刘宏友.来自俄罗斯的优秀通用机械仿真软件——UM[J].铁道车辆,2008,46(9):38.[5] 刘延柱,洪嘉振.多刚体系统动力学[M].北京:高等教育出版社,1989.[6] 洪嘉振.计算多体系统动力学[M].北京:高等教育出版社,1999.[7] 崔大宾,李立,金学松,等.基于轮轨法向间隙的车轮踏面优化方法[J].机械工程学报,2009,45(12)：205-211．[8] 翟婉明.车辆-轨道耦合动力学[M].北京:科学出版社,2015.[9] 姚建伟,孙丽霞.机车车辆动力学[M].北京:科学出版社,2014.[10] 严隽耄.车辆工程[M].北京:中国铁道出版社,2011.[11] 中华人民共和国铁道部.铁运[2008]28号高速动车组整车试验规范[S].北京：铁道部办公厅，2008.。

车辆-道路非线性耦合系统动力学建模与分析

车辆-道路非线性耦合系统动力学建模与分析车辆-道路非线性耦合系统动力学建模与分析摘要：本文针对车辆与道路的非线性耦合系统动力学进行建模与分析。

首先，介绍车辆与道路非线性耦合系统的背景和重要性。

然后，详细讨论了车辆与道路的动力学特性以及它们之间的相互作用。

接着，给出了车辆和道路的数学模型，并分析了模型的参数对系统动力学行为的影响。

最后，通过仿真实验验证了模型的有效性，并对系统的特征进行了分析。

一、引言随着交通工具的不断发展和道路建设的快速增长，现代车辆与道路的耦合关系越来越紧密。

而车辆与道路的非线性耦合动力学系统研究可以为交通安全、交通流理论等领域提供重要理论依据。

因此，对车辆-道路非线性耦合系统进行动力学建模与分析具有重要意义。

二、车辆与道路的动力学特性及相互作用车辆的动力学特性主要包括车辆的质量、惯性、悬挂系统、制动系统、传动系统等。

道路的动力学特性则主要包括道路的几何形态、纵横坡度、摩擦系数等。

车辆与道路之间的相互作用主要表现为车辆在道路上的运动轨迹、车辆对道路的依赖性和道路对车辆的约束性等。

三、车辆和道路的数学模型1. 车辆的数学模型车辆可以用于多体动力学系统进行建模，其中车辆的运动可以由几个基本参数描述，如车辆的质量、重心高度、弹簧刚度、阻尼系数等。

通过牛顿力学和拉格朗日动力学原理，可以得到车辆的运动方程。

2. 道路的数学模型道路可以用一维和三维模型进行建模。

一维模型主要考虑道路的纵向坡度和横向坡度对车辆运动的影响。

三维模型则考虑了道路的几何形状、纵横坡度和摩擦系数等对车辆运动的影响。

四、模型参数对系统动力学行为的影响分析模型参数对系统动力学行为的影响主要表现为车辆的稳定性、速度、加速度等方面的变化。

例如，车辆的质量增加，会导致车辆加速度减小；道路的纵向坡度增加，会导致车辆速度减小。

五、系统动力学行为的仿真实验与分析通过对车辆-道路非线性耦合系统进行仿真实验，验证了模型的有效性，并对系统的特征进行了分析。

轴耦合整车道路模拟试验与道路试验关联性检定

轴耦合整车道路模拟试验与道路试验关联性检定作者：周德泉李航李开标钟志宏王新伟来源：《工业技术创新》2017年第03期摘要：道路模拟试验技术是在道路试验技术上发展而来的一种先进试验技术。

对两者的关联性进行了检定：首先，基于基本理论，提出研究方法；其次，对载荷谱数据进行时域和损伤域的量化分析对比；最后，分析大样本实际试验结果，对失效模式及里程进行对比。

台架/道路信号相关性处于80%～110%之间，总损伤比值在0.6～1.2范围内，道路试验约74%的问题在道路模拟试验中出现，表明了两种试验方法具有良好的关联性，并进一步印证了轴耦合整车道路模拟试验技术在汽车研发过程中的重要性。

关键词：轴耦合；道路试验；道路模拟试验；关联性检定中图分类号：U467.1 文献标识码：A 文章编号：2095-8412 （2017） 03-078-04工业技术创新 URL： http： // DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2017.03.021引言随着社会经济的快速发展，消费者对车辆的可靠性要求日益增高，可靠性试验也逐渐成为车辆研发过程中最为关键的环节之一。

传统的车辆可靠性试验，其重点是试验场可靠性道路试验，难度在于周期性长、试验过程中影响因素多、试验结果离散度大。

道路模拟试验技术，是在传统道路试验技术的基础上发展而来的一种先进试验技术。

其主要原理是利用台架激励到车辆响应的远程参数控制技术，将车辆在试验场或用户路面行驶的道路载荷谱精准复现到台架试验上。

其最大优点在于试验周期可有效缩短75%～80%以上。

6自由度轴耦合整车道路模拟试验技术，可在台架上实现道路所有自由度激励的完整模拟，是目前耐久试验领域最为先进的试验技术。

前期研究论证了道路模拟试验系统的基本原理[1]和试验控制技术[2]，并对道路模拟试验与道路试验的关联性进行了初步的研究工作[3，4]。

因6自由度轴耦合道路模拟试验设备构造复杂、价格昂贵，国内尚未普及，目前对于其与道路试验的关联性研究缺乏系统的理论支持和充分样本数量的实际试验结果支撑。

车辆与道路耦合振动的仿真与验证

间的关系，然后通过实例计算分析轮胎刚度、车速及路
图１车一耦合模型路
面平整度对冲击系数的影响；文献
把车辆荷载看作
图１，ｍｓｙ、０分别为簧载的质量、转动惯中 …Ｉｓ。
是随机荷载，研究了车辆随机荷载及其激励下地面动力
车辆与道路耦合振动的仿真与验证
● 曾凡森
（建省交通规划设计院，福州福
３００）５０４
摘
要车辆采用４自由度的１２／车辆模型。公路路基路面用粘弹性地基上的Ｅｅ梁ｄＬｒ
模拟，建立了车一耦合模型。利用振型分解法和快速积分法编制了车一耦合振动仿路路真程序，将车一耦合模型仿真结果与解析结果进行了比较验证。结果表明：基于车一路路耦合模型的路面竖向动位移能与解析结果较好地吻合，验证了车一耦合模型以及其路
真结果与解析结果进行了比较验证。
２力学模型及基本方程
车辆采用４自由度的１２／车辆模型，公路路基路面用粘弹性地基上两端简支Ｅｄｒ模拟，并假设路面材料Ｌｅ梁为线弹性且各向同性的。所建的车一路耦合系统、道路看成一个整体系统
来考虑，实际上车辆在道路行驶过程中。车辆的振动本
质是一个与道路耦合振动的过程。文献＿认为如果车６］辆振动比较剧烈，就必须考虑车一的耦合作用。为路此，本文车辆采用４自由度的１２辆模型．路路基路／车公

车辆道路耦合振动建模及仿真分析

ｍ；ＫＫ１一前后轮的轮胎垂直刚度，
ｍ
；Ｋ２ｆ，Ｋ２一前
后悬架的垂直刚度，Ｎ／ｍ；Ｃｒ，Ｃ一前后悬架的平均阻尼
系数，Ｎ・ｓ／ｍ；ｇｆｌ，
，ｑｂｒ，ｑｂｌ一４个车轮垂直方向的位
Ｊ一整车的簧上质量绕其中轴线的转动惯量，ｋｇ・ｍ。；
Ｊ一整车的簧上质量绕其前后轴中线的转动惯量，ｋｇ・
＾ｒ
车辆道路振动模型理论，研究其耦合振动的频谱
特点，为压电发电装置的主动设计提供新的思路．
为板簧刚度参数矩阵；Ｋ为轮胎刚度参数矩阵；Ｚ
为加速度向量组；Ｚ为速度向量组；Ｚ为位移向量
组，Ｚｒ— Ｉ－Ｚ１・Ｚ１・Ｚ１・Ｚｌ・Ｚ２・・ｏ－］；Ｑ一
｛・ｑｕ・
・％）为４个轮胎所受的路面激励．
第３９卷第２期
２０１５年４月
武汉理工大学学报（交通科学与工程版）
ＪｏｕｒｎａｌｏｆＷｕｈａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
（ＴｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）
产生重要影响，从而影响压电发电装置的机电转

整车多体动力学模型的建立、验证及仿真分析

整车多体动力学模型的建立、验证及仿真分析作者：张宇来源：《中国机械》2014年第22期摘;要：随着车速的不断提升，整车的稳定性能备受瞩目。

作为复杂的机械系统，人、车、外界载荷环境等相互作用下，一直是汽车动力学模型建立、分析的难题。

本文以某轿车的整车非线性动力学模型建立为理论主体，考虑转向系统及前后悬架的几何参数，以及阻尼器与橡胶衬套等非线性特征，对所建模型进行多元化实验，分析样车的稳定性能及可操控性等相关特点，结果表明所建模型就较高的精度，在动力学研究中起到了关键作用。

关键词：多体动力学;车辆动力学;模型建立;仿真实验前言随着车速的提高，汽车的平顺性、稳定性以及制动性能逐渐变得重要起来。

本文以ADAMS软件建立轿车非线性多体动力模型并进行有效实验验证。

建模过程以实际汽车运行情况为主，考虑转向系统、悬架的运动学约束，来用非曲线衬套模拟实际力学特征。

同时考虑转向系统及前后悬架的几何参数，以及阻尼器与橡胶衬套等非线性特征，对所建模型进行多元化实验，分析样车的稳定性能及可操控性等相关特点，对仿真模型进行瞬态脉冲实验以及转向性实验等进行一系列的仿真分析。

1.整车多体模型建立1.1;多体系统动力学定义1.2;非线性力元模型多体模型中存在多种非线性力元，如非线性弹簧、非线性阻尼器以及非线性衬套等。

这些力元自身结构复杂制约模型建立。

因此，建立力学模型的基础是ADAMS实验结果。

同时，在实验模型的基础上加大仿真精度。

阻尼器阻力对非线性关系，在ADAMS中定义模型为：Fd=fd（v）。

1.3;轮胎模型制动力及动力总成模型1.4;整车多体模型表1：类型约束个数类型圆柱铰等速铰转动铰移动铰齿轮条铰胡克铰个数31085122.模型验证2.1;转角脉冲瞬态实验验证在实车实验过程中，转向盘转角为仿真输入对象，测量转角间隙并在实验转向盘数据减去间隙数据，将处理后的数据作为仿真数据。

测试结果显示，仿真曲线较为平滑且试验曲有高频信号反应，实验与仿真结果有一定的重合度。

车-桥耦合系统动力学建模与响应分析

车-桥耦合系统动力学建模与响应分析
车-桥耦合系统动力学建模与响应分析
车辆行驶过桥时,车与桥之间存在相互耦合作用.本文根据车的三种简化模型,分别建立了车与桥结构相互耦合作用的动力学模型,并给出桥结构在两轴车载荷作用下的动响应计算方法,该方法很容易推广到更一般的多轴车载荷作用的情况.文中通过数值算例计算了基于车的三种简化模型桥梁的响应,将三种计算结果与实验数据比较,证明二自由度的车简化模型为最优,此时桥梁的弯矩响应与实验结果能较好地吻合.
作者：秦远田陈国平余岭张方 Qin Yuantian Chen Guoping Yu Ling Zhang Fang 作者单位：秦远田,陈国平,张方,Qin Yuantian,Chen Guoping,Zhang Fang(南京航空航天大学,210016,南京)
余岭,Yu Ling(长江科学院爆破与振动研究所,430010,武汉)
刊名：应用力学学报 ISTIC PKU英文刊名：CHINESE JOURNAL OF APPLIED MECHANICS 年，卷(期)：2008 25(1) 分类号：O322 关键词：车辆桥梁动力学模型响应。

车辆—路面耦合动力学模型文献综述

车辆—路面耦合动力学模型文献综述刘宏伟;杨徐平【摘要】汽车行驶在不平整路面上时候会产生耦合振动.这一耦合振动对车辆的行驶安全和驾驶员的舒适度有很大的影响.研究者这一耦合过程,就要建立车辆和道路的模型.车辆是一个多自由度的体系,面对不同的研究目的可以进行不同程度的简化,路面结构以刚性路面为主要的研究对象,通过动力学研究这一体系然后得出响应结论.本文将综述近年来国内车辆—路面耦合动力学模型技术的最近进展.【期刊名称】《南方农机》【年(卷),期】2018(049)010【总页数】1页(P80)【关键词】动力学;车辆振动模型;路面模型【作者】刘宏伟;杨徐平【作者单位】重庆交通大学土木工程学院,重庆 400041;重庆交通大学土木工程学院,重庆 400041【正文语种】中文【中图分类】U4161 车辆路面相互作用车辆震动后会产生对路面波动作用力，当波动达到路面的共振频率时，波动变化的动荷载就会引起路面的振动和变形，而路面的振动和变形又会影响行驶车辆的振动，体现出一种动态的车辆—路面耦合系统特质[1]。

目前，耦合振动的研究有：1）首先根据研究需要简化模型建立自由度适中的车辆模型，然后将车辆行驶作用下的路面、路基、地基结构一起视为刚体。

2）将车辆对路面的荷载简化成为集中荷载或者均布荷载，同时将路面结构简化为弹性或黏弹性地基上的梁板，然后来研究路面的动力响应。

3）根据研究需要简化模型建立自由度适中的车辆模型，研究耦合振动下路面的动力响应。

2 车辆振动模型首先要对车辆振动模型进行分析。

按照车辆的结构的动力来分析，车辆可以视为：车身、车轮和车胎以及各种非线性的和线性的支悬装置的集合体[2]。

按照研究对象和研究目的的不同，可以建立：1）单轮双自由度车轮模型。

其结构用刚性体质量来代替车辆上部结构，用一组弹簧阻尼系统和一个块质量来近似模拟每个轮轴的轮胎悬置支承系统。

单轮双自由度车轮模型的二个自由度分别为上部刚体质量和块质量的竖向移。

基于扣件FVMP模型的车-轨耦合随机振动分析

基于扣件FVMP模型的车-轨耦合随机振动分析刘林芽;卢沛君;秦佳良【摘要】针对高速铁路钢轨扣件,结合其动态力学性能试验,基于高阶分数阶导数理论建立扣件动参数频变FVMP模型,并将该模型应用于车辆-轨道随机振动模型中,采用格林函数法及虚拟激励法分析扣件动参数频变对车辆及钢轨结构振动的影响.计算结果表明:扣件的动参数对频率和温度具有明显的依赖性,而高阶分数阶导数FVMP模型能准确表征这种力学行为;扣件动参数的频变特性对车体的垂向振动无较大影响,但对频率在20～70 Hz范围内的转向架随机振动有一定影响;考虑扣件动参数频变特性后轮对与钢轨振动所受影响较大,轮对加速度功率谱密度在中频段的峰值相差64.2％,钢轨加速度功率谱密度在中频段的峰值相差55.2％;扣件FVMP 模型得到的轮轨随机振动频域分布向高频偏移,且中高频段内轮轨振动响应减小;忽视扣件动参数随频率变化的特性将难以准确表征轮轨中高频段内的振动响应.【期刊名称】《铁道学报》【年(卷),期】2019(041)005【总页数】8页(P93-100)【关键词】扣件FVMP模型;动参数频变;车-轨耦合;格林函数法;随机振动【作者】刘林芽;卢沛君;秦佳良【作者单位】华东交通大学铁路环境振动与噪声教育部工程研究中心,江西南昌330013;华东交通大学铁路环境振动与噪声教育部工程研究中心,江西南昌330013;华东交通大学铁路环境振动与噪声教育部工程研究中心,江西南昌330013【正文语种】中文【中图分类】U213.53随着我国轨道交通建设的飞速发展，高速铁路引发的轮轨振动和噪声问题也引起了社会的广泛关注。

扣件系统作为钢轨与轨下基础的连接部分，其力学行为与轮轨的振动特性息息相关[1]。

杨吉忠等[2]基于车辆-轨道耦合动力学理论分析扣件刚度对轮轨动力特征的影响，发现扣件刚度的增加会影响短波不平顺激起的最大轮轨力。

张迅等[3]研究了扣件动参数对3 m铁路箱梁轮轨作用力的影响，结果表明扣件刚度增大会使轮轨力的峰值频率向右偏移。

车辆与道路／桥梁耦合随机动力分析及优化

车辆与道路／桥梁耦合随机动力分析及优化车辆与道路/桥梁耦合系统随机动力清晰化验证与灵活优化工作结果，将直接决定日后我国交通事业长期可持续发展进程，不过目前我国在此类结构单元下的改造优势却不太乐观。

单纯拿车辆振动与路面不平整程度关联验证评估工作来讲，内部技术人员通常会将核心注意力自然地投射到时间历程之上，获取的概率、随机动力结果必然不够精准，最终严重制约车辆行驶安全质量。

面对此类状况，笔者决定联合车辆与道路/桥梁耦合系统内部动力规则加以科学验证解析，同时联合以往弊端调查结果进行关键性优化方案制定，希望在一类以随机振动灵敏程度为核心的动力优化方式辅助范畴下，能够为后续相关施工活动提供更加坚实的安全技术保障。

标签：车辆；道路/桥梁；耦合；随机动力；优化解析0 引言随着中国特色社会主义事业体系架构不断完善，有关交通领域内的车辆道路/桥梁耦合随机动力分析成果开始不断革新。

但是毕竟我国计算机信息处理技术发展起步较晚，施工管理主体在处理多元化数据信息期间力有不逮。

结合以往我国特定区域车辆和道路/桥梁耦合动力评估和优化工作流程加以客观论证，因为当中穿插目标、约束等多种函数，致使后期灵敏度分析流程遭受百般限制，即便是目前较为流行的最小二乘法、摄动法，面对此类困境基本束手无策。

因此，联合上述一切状况，进行车辆和道路/桥梁耦合系统随机动力优化分析关键性问题整理说明，绝对是迎合交通事业安定和谐发展诉求的最佳途径。

1 探究车辆和道路/桥梁耦合运动规则的必要条件整理结合以往实践调查经验整理解析，在特定区域车辆与道路/桥梁耦合体系架构之下，车辆行驶动作便可被视为一类较为复杂的多自由角度振动单元，为了尽量维持内部随机动力优化解析流程的简易程度，技术人员有必要提前作出以下规范准备。

首先，将处于行驶过程中的车辆车身视为常规钢体结构，至于前桥、后桥等自然过渡转化成为集中质量。

其次，认定此类车辆左向、右向轮胎在同一时间内所承受的路面不平整激励功率不存在任何偏差迹象，特殊状况下会在受激励时间方面出现些许偏差迹象。

基于车路耦合系统下的路面结构行为仿真分析.pdf

基于车路耦合系统下的沥青路面结构行为仿真分析1 研究背景及意义研究目的：建立车路耦合系统力学分析模型，从车路整体系统来研究沥青路面结构在行车荷载作用下的力学行为响应，为路面结构各设计参数优化设计和路面材料设计提供理论指导。

基本概念解释：车路耦合系统动力学研究的基本思想是：将车辆系统和道路系统视为一个相互影响、相互作用、相互耦合的整体大系统，将轮胎与路面相互作用关系作为连接两个子系统的纽带，综合考虑车辆在阻尼道路结构上的动态运行行为、车轮与路面的动态相互作用特性和车辆对路面结构的动力作用规律，在此基础上，系统研究路面结构在运动荷载下的力学响应情况。

轮胎对路面的作用关系是车路耦合系统的核心问题！车辆系统和道路系统之间的动态反馈作用均由轮胎与路面作用关系的动态变化来实现，具体是通过轮胎与路面的振动变形进而引起轮胎与路面的接触变形及接触几何状态变化而产生作用的。

两个关键问题：（1）建立初步的车路耦合系统力学分析模型【研究平台和基本工具】（2）沥青路面结构行为仿真分析的研究思路【分析目的、分析参数、分析内容】研究出发点：1 由于车辆自身的振动作用以及路面平整度的不规则变化，当车辆行驶时，车轮实际上会以一定的频率和振幅在路面上振动，而这种振动与路面平整度及行车参数有一定关系，而且反过来又会影响对路面施加的作用力，从而在道路和车辆之间产生耦合作用，也就是说，在车辆行驶过程中，车辆外加荷载与路面结构参数之间是相互影响和相互作用的。

2 室内研究所采用的静力加载模式和简单的动力加载模式与车辆行驶过程中对路面结构的实际作用力之间的差异非常大，由行车荷载动力特性所造成的路面疲劳开裂现象难以用静力学模式和简单的动力学模式去描述，归根到底是因为对车辆动荷载的模拟明显不能考虑路面特征（结构及材料参数、平整度等）对行车的影响3 公路领域对车路耦合系统下路面结构动力学问题的分析研究较少，行业内很少从车路整体系统的角度来考虑路面各个设计参数（路面结构形式、路面材料特性、路面平整度等表面性状等）对车辆行驶特性的影响，以及路面结构在随机变化的行车荷载作用下的力学响应特征项目特点：（1）比较新颖，比较复杂，动力学问题，对力学分析能力和数学计算能力要求较高；（2）基础性强，可继续开发性强，建立车路耦合系统力学分析模型属于平台搭建，能够进一步提升材料与结构一体化研究的层次，结合路面结构的动力学分析结构来指导材料设计的方向；（3）涉及道路工程和车辆工程两个领域；2 国内外研究现状及发展动态众所周知，车辆系统和道路系统实际上是相互作用的，而我国现阶段的路面设计采用双轮组单轴载100kN作为标准轴载，并将其简化为单圆或者双圆均布荷载进行计算，这种设计方法显然没有考虑车辆对路面的动态作用，即使要考虑动态作用，也只限于在静力设计的基础上根据经验用冲击系数进行修正。

基于 Newton-Euler 方法的整车非线性动力学模型耦合机理分析

基于 Newton-Euler 方法的整车非线性动力学模型耦合机理分析潘劲松【摘要】To overcome the ineffectiveness of the traditional vehicle dynamical model in reflecting the interac-tion between the vehicle longitudinal movement, lateral movement and vertical movement, a 14-DOF vehicle non-linear coupling dynamical model was established by using the Newton-Euler method, whose validity was verified by using Matlab/simulink simulation platform.The results show that the establishment of the 14-DOF vehicle nonlinear coupling dynamical model better reflects the interaltion between the chassis braking, steering and suspension sub-systems.%针对传统的整车动力学模型未能完全反映汽车纵向运动、侧向运动与垂向运动间的相互关联影响，采用Newton-Euler方法，建立一个14-DOF整车非线性耦合动力学模型，并利用Matlab／simulink仿真平台对模型的正确性进行验证，研究结果表明，14-DOF整车非线性耦合动力学模型能较好地反映汽车底盘在制动、转向和悬架等子系统之间相互影响关系。

【期刊名称】《湖南师范大学自然科学学报》【年(卷),期】2014(000)006【总页数】6页(P47-52)【关键词】非线性;耦合;动力学;仿真;Newton-Euler方法【作者】潘劲松【作者单位】湖南机电职业技术学院，中国长沙 410151【正文语种】中文【中图分类】U462.3;O29随着汽车技术的发展，人们对汽车性能的要求越来越高，汽车悬架、转向、制动系统的各种动力学模型[1-3]及子系统控制技术[4-6]的研究取得长足的进展．为改善汽车动力性能，改善各个单独子系统之间的相互影响，本文采用Newton-Euler 方法，建立了一个14-DOF整车非线性耦合动力学模型.14-DOF整车非线性耦合动力学模型相对于其他模型具有较完备和仿真精确度较高的特点，还具有明显的物理概念和良好的开放性，层次清楚，且可以与随后的集成控制系统的各种模型相结合，能较全面分析底盘的制动、转向和悬架等子系统间的藕合机理、悬挂质量和非悬挂质量的非线性耦合运动关系及子系统间的耦合影响．为便于推导，建立的14-DOF整车系统数学模型如图1所示，包含两部分：悬挂质量部分和非悬挂质量部分．定义两个笛卡尔坐标系：①整车车坐标系(xc，yc，zc)，汽车质心位置为坐标原点，平面xcyc平行地面，轴zc垂直于平面xcyc，整车左右两侧对称；②悬挂质量坐标系(xs，ys，zs)，悬挂质量中心为坐标原点．假设，Rc为整车质心位置向量，uc为质心纵向运动速度，vc为质心的侧向运动速度，wc为质心的垂向运动速度，得到质心的运动方程为又假设，整车质心与悬挂质量质心的位置关系如图2所示，其中悬挂质量位置向量为rs，非悬挂质量质心位置向量为rui，得到悬挂质量和非悬挂质量质心的绝对速度为式中，为悬挂质量绕形心轴的角速度；为非悬挂质量形心轴的角速度；ρs为悬挂质心的位置向量；ρui为非悬挂质心的位置向量；i的取值为FL(左前轮)，FR(右前轮)，BL(左后轮)，BR(和右后轮)．由于整车绕质心轴的角速度、悬挂质量部分绕质心坐标的角速度、非悬挂质量部分绕质心坐标的角速度都相等，所以悬挂、非悬挂质量部分绕各自质心轴的角速度分别为其中，p为车身的侧倾角速度，q为车身的俯仰角速度以及，r为汽车横摆角速度．观察图1和图2中相关变量的位置关系，容易得到汽车悬挂和前后非悬挂质心的位置向量、4个非悬挂质心的位置向量为其中，lF，lB为整车质心距前后轴的距离；hF，hB为前、后悬挂质量质心距侧倾轴的垂向距离；dF，dB为前、后轮距的一半；cs为整车质心与悬挂质量在质心的纵向距离；hs为整车质心与悬挂质量在质心的垂向距离．则悬挂质量和四车轮处的非悬挂质量质心的绝对速度向量分别为：对式(5)求导，可得到悬挂质量和非悬挂质量的质心运动加速度矢量分别为通过式(6)结合Newton-Euler方法推导出汽车的各个运动相互耦合的非线性微分方程分别为(为便于计算，此处设汽车的纵向速度为常量)汽车纵向运动方程m(-vcr)+ms(hs+wcq+hsrp+csr2)=-(FxFL+FxFR)cosδF-(FyFL+FyFR)sinδF-FxBL-FxBR，其中，m为整车质量；ms为悬挂质量；δF为转向轮的偏转角度；Fxi为4个车轮所受的纵向力；Fyi为4个车轮所受的侧向力．汽车侧向运动方程m(-ucr)+ms(-hs+hsqr+wcp)=-(FxFL+FxFR)sinδF+(FyFL+FyFR)cosδF+FxBL+FxBR，汽车垂向运动方程ms(-ucq+vcp)-mshs(q2+p2)+mscsrp+ksFL(zsFL-zuFL)+ksFR(zsFR-zuFR)+ksBL(zsBL-zuBL)+ksBR(zsBR-zuBR)+csFL(-)+csFR(-)+csBL(-)+csBR(-)=0，其中，ksi为4个悬架的弹簧刚度；csi为4个悬架减振器的阻尼系数；zsi为4个悬挂质量的垂向位移；zui为4个非悬挂质量的垂向位移．车身侧倾运动方程--(Izs-Iys-mshsh)qr-Izxspq+mshwcp-ms(+ucr)h=msghφ+ksFL(zsFL-zuFL)dF-ksFR(zsFR-zuFR)dF+ksBL(zsBL-zuBL)dB-ksBR(zsBR-zuBR)dB+csFL(-)dF-csFR(-)dF-csBL(-)dB-csBR(-)dB，其中，g为重力加速度值；h为整车质心高度；Ixu为悬挂质量绕整车质心的xc轴惯性矩；Ixzu悬挂质量绕xc，zc轴的惯性积；Iys为悬挂质量绕其质心ys轴的惯性矩；Izs悬挂质量绕其质心zs轴的惯性矩．整车横摆运动方程Iz-+Izxuqr+(Iys-Ixs)pq-mscswcp=dF[(FxFL-FxFR)cosδF+(FyFL-FyFR)si nδF]+ dB(FxBL-FxBR)+lF[-(FxFL+FxFR)sinδF+(FyFL+FyFR)cosδF]-lB(FyBL+FyBR)，其中，Iz 为整车质量对其质心zc轴的惯性矩；Ixs为悬挂质量绕其质心xs轴的惯性矩．车身俯仰运动方程+(Ixs-Izs)pr-Izxs(r2-p2)=ksFL(-)cF+ksFR(zsFR-zuFR)cF-ksBL(zsBL-zuBL)cB-ksBR(zsBR-zuBR)cB+csFL(-)cF+csFR(-)cF-csBL(-)cB-csBR(-)cB+(FxFL+FxFR+FxBL+FxBR)(h+hs)，整车非悬挂质量的垂向运动+csi(-)+ksi(zui-zsi)-kti(z0i-zui)=0，其中，mui为整车的4个非悬挂质量；kti为4个轮胎的等效弹簧刚度．汽车车轮的旋转运动其中，Ri为4个轮胎的半径；Iui为4个轮胎的旋转转动惯量；ωi为4个车轮的旋转角速度； Tbi为4个车轮的制动力矩．数学模型式(7)～式(14)较好地体现了汽车各运动形式之间的相互耦合机理．为进一步研究整车非线性动力学模型中的动态载荷分布的耦合机理，考虑载荷的纵向载荷转移和侧向载荷转移以及与非悬挂质量和悬架参数有关的向心力，得到4个车轮垂直载荷的计算公式为[7]其中，Fzi为4个车轮的垂直载荷；L为汽车的轴距；R0为汽车转弯半径；h0为汽车质心到侧倾轴的距离；kφF为汽车前轴当量侧倾刚度；kφB为汽车后轴当量侧倾刚度.根据汽车纵向、侧向动力学关系，得到4个车轮的侧偏角分别为在Matlab/simulink下，建立上述动力学模型的仿真模型．该模型包含：汽车沿坐标轴的3种平移运动模块，纵向运动、侧向运动和垂向运动；绕坐标轴的3种旋转运动模块，侧倾运动、俯仰运动和横摆运动；轮胎垂直载荷计算模块；轮胎侧偏角计算模块；路面输入模型 [8]．路面输入模型采用滤波白噪声，以滤波白噪声作为第一个车轮的路面输入，其他车轮处的路面输入通过轮辙之间的相关性[9]来确定．某款车整车主要结构参数：m=1 520 kg，ms=1 180 kg，ksi=40/40/35/35 kN/m，kti=220 kN/m，csi=1.4/1.4/1.2/1.2 kN·s/m(i=FL，FR，RL，RR)，在Matlab/simulink下进行2种路况仿真，设置仿真步长为10 ms，采用4阶Runge-Kutta方程的ode45算法运算．整车行驶平顺性主要受到悬架本身的结构参数和汽车在行驶过程中制动与转向等因素影响，而悬架系统的主要性能参数包括车身质心的垂直加速度、悬架动挠度、轮胎动载荷以及车身俯仰角和侧倾角等指标．为此，根据QC/T582-1999和GB/T6323.2-94进行了整车行驶平顺性在2种工况下的仿真．1) 汽车初始速度为70 km/h时，在最大管路压力下进行紧急制动，分别得到制动情况下轮胎的垂直载荷变化曲线(图3)、车身俯仰角变化曲线(图4)和汽车质心垂向加速度变化曲线(图5)．图3中，汽车制动时轮胎的垂直载荷变化曲线表明前轮垂直载荷增加、后轮垂直载荷减小．图4中，汽车俯仰角曲线变化表明在制动过程中车身的俯仰角增大，说明汽车在紧急制动情况下，制动加速度导致前、后轴的载荷转移和车身姿态发生了较大变化．图5中，车身质心垂向加速度曲线变化表明，紧急制动情况下使得汽车质心垂向加速增加．这表明紧急制动会极大地影响汽车的行驶平顺性．图6中，由汽车的制动距离变化曲线可见，考虑纵向与垂向运动耦合影响因素的比没有考虑纵向与垂向运动耦合的动力学模型，汽车在制动距离有所减小，原因是汽车制动时由汽车悬架减振器消减了汽车的振动，表现为把汽车的部分动能转化成了热能．2) 汽车初始速度为50 km/h时，设仿真时间5 s，对方向盘施加一个三角脉冲转角进行转向，分别得到转向情况下轮胎的垂直载荷变化曲线(图7)、汽车侧向加速度变化曲线(图8)和车身侧倾角变化曲线(图9)．图7中，汽车转向时车轮的垂直载荷发生了侧向转移，虽然纵向力的总和基本没变，但转向内侧轮胎垂直载荷减小，同时转向外侧垂直载荷增加．由于作用于轮胎的纵向力与侧向力彼此耦合，作用于轮胎的侧向力增加的同时导致其纵向力减小，转向制动情况比单纯制动情况的制动距离有所增加．图8中，转向过程中轮胎转向角峰值增加时，汽车的车身侧倾角也在变大，导致车身姿态发生变化．图9中，转向角增加时，汽车侧向的加速度也在变大，有时候会导致轮胎发生侧滑．这都表明汽车行驶平顺性在不断恶化，影响了汽车的行驶安全性．基于Newton-Euler方法建立的14-DOF整车非线性耦合动力学模型能较好地反映纵向、侧向和垂向运动相互的影响，通过在Matlab/simulink平台对模型进行仿真验证，结果表明，建立的动力学模型能较好地反映底盘的制动、转向和悬架等子系统之间的相互影响关系．【相关文献】[1] SATO Y, EJIRI A, IIDA Y, et al. Micro-G Emulation system using constant tension suspension for a space manipulator[C]. Proceedings of the 1991 IEEE International Conference on Robotics and Automation Sacramento. California, 1991.[2] 姚燕生，梅涛.悬架模块的动力学建模与仿真[J].机械工程学报, 2006,42(7):30-34.[3] LIAO Y G, DU H I. Modeling and analysis of electric power steering system and its effect on vehicle dynamic behavior [J]. IJVAS, 2003,1(3):351-362.[4] IKENAGA S, LEWIS F L, CAMPOS J, et al. Active suspension control of ground vehicle based on a full vehicle model [C]. Proceedings of the American Control Conference Chicago, Illinois, June, 2000.[5] BYUNG R L, KYU H S. Slip-ratio control of ABS using sliding mode control[J]. SMAEUU, 1993,1(2):72-77.[6] SEGAWA M, NAKANO S, NISHIBARA O, et al. Vehicle stability control strategy for steer by wire system [J]. JSAE Review, 2001,22(4):383-388.[7] 祝辉.基于磁流变减振器的汽车底盘集成控制研究[D].安徽:合肥工业大学, 2009.[8] 陈萌三，余强.汽车动力学[M].北京:清华大学出版社, 2009.[9] 杨谋存.半主动悬架系统设计与车辆性能协调研究[D].镇江:江苏大学, 2004.[10] 吴利军,王建强.汽车驾驶辅助实时仿真系统的整车动力学模型[J].农业机械学报,2008,10(10):14-29.。

李克平：车路协同仿真

2012-5-18报告大纲一. 背景与目标二. 车路协同系统仿真评价方法三. 基于VISSIM/NS2紧耦合的仿真原型系统实现四. 案例测试与分析2012年5月22日2/32一. 研究背景与目标车路协同（VII）是未来ITS的核心研究热点当前 ITS 方案传统 ITS技术ITS前沿技术 S前沿技术车路协同匝道信号控制出行信息系统一体化运输走廊管理系统 ICM智能驾驶驾驶员车辆电子认证收费综合汽车安全系统 IVBSS 出行辅助系统 MSAA 通信设备基础设施交通管控中心2012年5月22日3/32一. 研究背景与目标车路协同系统定义基于无线通信、传感探测等技术进行车路信息获取，通过车车、车路信息交互和共享，实现车辆和基础设施之间智能协同与配合，达到优化利用系统资源、提高道路交通安全、缓解交通拥堵、节能减排的目标。

GPS 交通控制中心DSRC2012年5月22日4/32一. 研究背景与目标车路协同系统（VII）在ITS领域有着广阔的应用前景，但目前尚处于开发试验阶段，而利用仿真手段可以灵活评价其系统效益。

信息的覆盖范围、发送频率、连接性能等都影响着VII运行效益和OBU驾驶行为，对车载通信的仿真是VII仿真的重点之一。

交通仿真软件可以全面细致模拟传统交通行为，但无法满足VII 环境下的通信仿真需求，因此研究如何整合交通仿真软件、通讯仿真软件以及VII应用策略是实现VII仿真的关键。

2012年5月22日5/32二. 车路通讯仿真整合方法仿真器耦合一体化仿真模型体化仿真模型简化通讯模型以通讯距离、丢包率以通讯离包率等统计参数描述通讯过程，代替通讯仿真软件的功能主要代软件的功能。

主要代表有：Moritz(2007); Hema(2007); Dion(2009); Henrik(2009) Sun（2010,2011）等Joel(2001); Fei(2009); h k l Schakel(2010) Sun(2012)考虑VII信息环境下多车协同驾驶的跟驰和换道行为特征，开发新的交通流仿真模型。