路面二次激励下重型车辆建模与性能仿真(附件)
车辆在路面行驶过程中，由于路面不平（凸起，凹陷和不连续）等原因，一方面道路对车辆的作用力使得车辆产生振动；另一方面，由于车辆的振动，使得路面受到的力波动变化，从而路面产生进一步变形。这样既引起道路破坏，又引起车辆的振动，破坏车辆平顺性。对此，利用MATLAB下的Simulink模块仿真重型车辆在车-路耦合下的运动情况，并分析重型车辆的性能变化。在此模型中，将车辆简化为1/4车辆模型，将道路简化为地基梁。结果表明，车辆性能受车辆自身和行驶道路的影响巨大。车辆的行驶速度越快，路况越差，车辆的振动越剧烈，同时车辆对路面的冲击也越大，车辆与道路的寿命都将减少。由此，提高道路质量，改善车辆悬架性能很有必要。关键词 地基梁，1/4车辆模型，车-路耦合动力学，Simulink仿真，仿真波形分析目 录
1 引言 1
1.1 选题背景及意义 1
1.2 国内外相关领域发展现状1
1.3 本文主要研究问题及方法 3
2 车-路耦合动力学理论模型建立 4
2.1 1/4车辆简化模型建立 4
2.2 地基梁道路模型建立 6
2.3 车-路耦合动力学模型建立 8
3 仿真参数的确定 9
4 仿真模型建立及波形分析 9
4.1 仿真模型建立 9
4.2 波形分析 10
4.3 对比仿真分析 12
结论 16
致谢 17
参考文献 18
1 引言
1．1 选题背景及意义
1.1.1 选题背景
汽车作为当今重要的运输工具，汽车受路面不平度等因素影响巨大，直接关系到人身与货物的安全，运输的成本等。此外，目前交通运输发展趋势逐渐趋于快速化和重型化。正是由于此发展趋势，使得道路由于汽车动载而引起的早期破坏逐渐成为交通运输的重要问题。同时，由于道路的早期破坏，使得路面不平度增大，路面质量等下降，反过来更加使得车辆的振动性能恶化，进一步破坏汽车的平顺性能，操纵稳定性能，进而严重影响安全驾驶，汽车寿命等。在车辆各项性能遭受破坏的同时，地面受到车辆对其的动态载荷进一步加大。由此可见，车辆和路面之
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
本等。此外，目前交通运输发展趋势逐渐趋于快速化和重型化。正是由于此发展趋势，使得道路由于汽车动载而引起的早期破坏逐渐成为交通运输的重要问题。同时，由于道路的早期破坏，使得路面不平度增大，路面质量等下降，反过来更加使得车辆的振动性能恶化，进一步破坏汽车的平顺性能，操纵稳定性能，进而严重影响安全驾驶，汽车寿命等。在车辆各项性能遭受破坏的同时，地面受到车辆对其的动态载荷进一步加大。由此可见，车辆和路面之间相互作用，相互影响，组成一个相互耦合的系统。车辆行驶在路面不平度较小的路面上，车辆的平顺性，安全性可获得保障，同时车辆对道路路面的损坏也可相应减少，从而车辆寿命和道路寿命都得以延长。因此，对车-路耦合系统的研究是非常必要的。目前对车-路耦合系统静力学的研究在车辆载荷不太大，车辆行驶速度不太高的情况下是基本适合的。但当前的交通运输中，车辆行驶速度日益提高，车辆重型化运输模式也日益鲜明，车辆对路面静力载荷的大小和作用形式与车辆对道路动态载荷的大小和作用形式的差异日渐明显。这就表明对车-路耦合静力学研究已逐渐与实际情况相形见绌，实际的动力学已远非静力学模型所能表达了。因此，建立车-路耦合动力学模型更与实际相符合，建立的必然性尤为突出。
1.1.2 选题研究的意义
车辆在道路上行驶时，路面不平度作为一种输入，加重车辆部件总成疲劳损伤，严重影响车辆疲劳寿命。车路耦合动力学模型的建立与研究使得模型与实际更贴近，更精确研究车辆与路面之间的相互动载情况，更加直观的反映出车路耦合系统中车辆动载和路面不平度之间关系，在计算车辆和道路疲劳寿命时更加准确。本文相继建立1/4车辆模型，道路简化模型，后续在此二者模型的基础上建立起车路耦合动力学模型，该模型可考虑路面不平度激励，车辆匀速行驶，车辆悬架参数及轮胎参数对此模型的影响，对推进相关车路耦合动力学模型的进一步研究有一定的意义。
1．2 国内外相关领域发展现状
对车辆动载与路面不平度之间的关系已受到人们许久的关注与研究。中西方各国的研究院人员到相关学者在此领域都已开展了广泛的研究。
在路面不平度研究方面[1~3]，美国政府先后投资数亿美元用于长时间的路面性能观测，但其主要方向仍然是车路耦合作用动力学的研究。这一研究提供了车辆对路面作用动态载荷的特征，通过对实际路面的分析，建立理论系统，进一步分析了减少车辆行驶中动态载荷对路面损伤的方法，从而使得路面充分发挥其功效，减少路面的后期养护费用，获得长远的经济效益。在我国，将车辆和道路作为一个耦合系统进行研究的相关人员不是很多，文献发表量也不及国外，研究开展的广泛性和深度远远不够。研究道路领域的工作者主要的视角放在道路方面，从道路力学出发，在设计道路时，分析车辆对道路的载荷作用，仅仅将此种载荷视为静载，而未考虑车辆动载与路面不平度之间相互的动力学特性，这样与实际相差较大。此外，车辆方面的研究人员就与道路方面的研究人员相反了，车辆研究工作者主要从车辆角度出发，研究车辆的悬架和轮胎的参数从而提高车辆的平顺性，但只是将道路的不平度作为一种随机信号对车辆产生激励，较少涉及车辆在道路上行驶过程中实际路面不平对车辆造成的振动与冲击。
在对道路进行简化和建模方面，Alpan团队将路面视为无数个单自由度的振动模，每个振动模型包括质量，阻尼原件，弹性元件等，只考虑路面上固定载荷下路面的受力响应。 Monismith团队将路面视为简化的分层弹性体，在前人基础上考虑了具有一定车速的车辆对道路所施加的具有一定频率率的动态载荷，从而与实际更进一步，修正了静态载荷的分析结果。Siddharthan更进一步的引入弹性力学的相关方法，在对道路研究时，运用弹性模量，剪切模量等更加直接体现沥青材料力学特性的参数，更精确分析了路面的层状体系模型[4]。Park团队将格林函数引入到对道路模型的研究之中，将道路视为具有刚性基础的上层状体系，进而研究其动力响应。Hardy和Cebon将道路视为具有一定弹性和阻尼的无限长梁，将路面不平度视为随机信号输入，同时引入了积分法研究路面的动力响应。Battiato等人在简化的分层道路基础上，加入线性叠加原理，将道路模拟为两层或者三层的黏弹性体；而施加到道路的载荷的波形简化为半正弦的波形进行研究。
在车辆简化模型的建立方面，大多研究人员的侧重点都在汽车上，较少考虑将车辆和道路组成一个耦合系统进行研究，也较少考虑路面不平，车辆动载与车辆振动之间的相互关系。车辆动载与路面不平引起的二者间的相互作用是一个较新的科学研究分支，这一分支主要针对道路与车辆耦合后相互作用下的动力学研究。各相关领域的研究员们虽已在各自研究的道路方面，车辆方面颇有建树，但将二者综合研究的广泛性和研究力度有待加强。屈求真虽在建模中并未采用非线性因素，但其通过对悬架参数及非线性因素等研究，分析了车辆振动所受到的影响因素，为后人进一步对非线性因素研究做出基础[5]。钟阳团队曾在车辆二自由度，五自由度基础上研究车辆在路面不平度输入下车辆行驶速度与车辆对路面作用的载荷大小的关系[6]。郑钢铁团队认为较低自由度下的车辆模型不足以表述实际的车辆，其建立了九自由度的线性汽车模型，通过对模型的仿真，分析了车辆的载重，车速，悬架参数，轮胎参数等对道路产生的影响，从而更进一步的优化了车辆各方面的参数，减少对道路的破坏[7]。郑剑敏等的研究方向则是车辆在不同等级的路面条件下产生的振动。尤晋
1 引言 1
1.1 选题背景及意义 1
1.2 国内外相关领域发展现状1
1.3 本文主要研究问题及方法 3
2 车-路耦合动力学理论模型建立 4
2.1 1/4车辆简化模型建立 4
2.2 地基梁道路模型建立 6
2.3 车-路耦合动力学模型建立 8
3 仿真参数的确定 9
4 仿真模型建立及波形分析 9
4.1 仿真模型建立 9
4.2 波形分析 10
4.3 对比仿真分析 12
结论 16
致谢 17
参考文献 18
1 引言
1．1 选题背景及意义
1.1.1 选题背景
汽车作为当今重要的运输工具，汽车受路面不平度等因素影响巨大，直接关系到人身与货物的安全，运输的成本等。此外，目前交通运输发展趋势逐渐趋于快速化和重型化。正是由于此发展趋势，使得道路由于汽车动载而引起的早期破坏逐渐成为交通运输的重要问题。同时，由于道路的早期破坏，使得路面不平度增大，路面质量等下降，反过来更加使得车辆的振动性能恶化，进一步破坏汽车的平顺性能，操纵稳定性能，进而严重影响安全驾驶，汽车寿命等。在车辆各项性能遭受破坏的同时，地面受到车辆对其的动态载荷进一步加大。由此可见，车辆和路面之
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥3^5`1^9`1^6^0`7^2$
本等。此外，目前交通运输发展趋势逐渐趋于快速化和重型化。正是由于此发展趋势，使得道路由于汽车动载而引起的早期破坏逐渐成为交通运输的重要问题。同时，由于道路的早期破坏，使得路面不平度增大，路面质量等下降，反过来更加使得车辆的振动性能恶化，进一步破坏汽车的平顺性能，操纵稳定性能，进而严重影响安全驾驶，汽车寿命等。在车辆各项性能遭受破坏的同时，地面受到车辆对其的动态载荷进一步加大。由此可见，车辆和路面之间相互作用，相互影响，组成一个相互耦合的系统。车辆行驶在路面不平度较小的路面上，车辆的平顺性，安全性可获得保障，同时车辆对道路路面的损坏也可相应减少，从而车辆寿命和道路寿命都得以延长。因此，对车-路耦合系统的研究是非常必要的。目前对车-路耦合系统静力学的研究在车辆载荷不太大，车辆行驶速度不太高的情况下是基本适合的。但当前的交通运输中，车辆行驶速度日益提高，车辆重型化运输模式也日益鲜明，车辆对路面静力载荷的大小和作用形式与车辆对道路动态载荷的大小和作用形式的差异日渐明显。这就表明对车-路耦合静力学研究已逐渐与实际情况相形见绌，实际的动力学已远非静力学模型所能表达了。因此，建立车-路耦合动力学模型更与实际相符合，建立的必然性尤为突出。
1.1.2 选题研究的意义
车辆在道路上行驶时，路面不平度作为一种输入，加重车辆部件总成疲劳损伤，严重影响车辆疲劳寿命。车路耦合动力学模型的建立与研究使得模型与实际更贴近，更精确研究车辆与路面之间的相互动载情况，更加直观的反映出车路耦合系统中车辆动载和路面不平度之间关系，在计算车辆和道路疲劳寿命时更加准确。本文相继建立1/4车辆模型，道路简化模型，后续在此二者模型的基础上建立起车路耦合动力学模型，该模型可考虑路面不平度激励，车辆匀速行驶，车辆悬架参数及轮胎参数对此模型的影响，对推进相关车路耦合动力学模型的进一步研究有一定的意义。
1．2 国内外相关领域发展现状
对车辆动载与路面不平度之间的关系已受到人们许久的关注与研究。中西方各国的研究院人员到相关学者在此领域都已开展了广泛的研究。
在路面不平度研究方面[1~3]，美国政府先后投资数亿美元用于长时间的路面性能观测，但其主要方向仍然是车路耦合作用动力学的研究。这一研究提供了车辆对路面作用动态载荷的特征，通过对实际路面的分析，建立理论系统，进一步分析了减少车辆行驶中动态载荷对路面损伤的方法，从而使得路面充分发挥其功效，减少路面的后期养护费用，获得长远的经济效益。在我国，将车辆和道路作为一个耦合系统进行研究的相关人员不是很多，文献发表量也不及国外，研究开展的广泛性和深度远远不够。研究道路领域的工作者主要的视角放在道路方面，从道路力学出发，在设计道路时，分析车辆对道路的载荷作用，仅仅将此种载荷视为静载，而未考虑车辆动载与路面不平度之间相互的动力学特性，这样与实际相差较大。此外，车辆方面的研究人员就与道路方面的研究人员相反了，车辆研究工作者主要从车辆角度出发，研究车辆的悬架和轮胎的参数从而提高车辆的平顺性，但只是将道路的不平度作为一种随机信号对车辆产生激励，较少涉及车辆在道路上行驶过程中实际路面不平对车辆造成的振动与冲击。
在对道路进行简化和建模方面，Alpan团队将路面视为无数个单自由度的振动模，每个振动模型包括质量，阻尼原件，弹性元件等，只考虑路面上固定载荷下路面的受力响应。 Monismith团队将路面视为简化的分层弹性体，在前人基础上考虑了具有一定车速的车辆对道路所施加的具有一定频率率的动态载荷，从而与实际更进一步，修正了静态载荷的分析结果。Siddharthan更进一步的引入弹性力学的相关方法，在对道路研究时，运用弹性模量，剪切模量等更加直接体现沥青材料力学特性的参数，更精确分析了路面的层状体系模型[4]。Park团队将格林函数引入到对道路模型的研究之中，将道路视为具有刚性基础的上层状体系，进而研究其动力响应。Hardy和Cebon将道路视为具有一定弹性和阻尼的无限长梁，将路面不平度视为随机信号输入，同时引入了积分法研究路面的动力响应。Battiato等人在简化的分层道路基础上，加入线性叠加原理，将道路模拟为两层或者三层的黏弹性体；而施加到道路的载荷的波形简化为半正弦的波形进行研究。
在车辆简化模型的建立方面，大多研究人员的侧重点都在汽车上，较少考虑将车辆和道路组成一个耦合系统进行研究，也较少考虑路面不平，车辆动载与车辆振动之间的相互关系。车辆动载与路面不平引起的二者间的相互作用是一个较新的科学研究分支，这一分支主要针对道路与车辆耦合后相互作用下的动力学研究。各相关领域的研究员们虽已在各自研究的道路方面，车辆方面颇有建树，但将二者综合研究的广泛性和研究力度有待加强。屈求真虽在建模中并未采用非线性因素，但其通过对悬架参数及非线性因素等研究，分析了车辆振动所受到的影响因素，为后人进一步对非线性因素研究做出基础[5]。钟阳团队曾在车辆二自由度，五自由度基础上研究车辆在路面不平度输入下车辆行驶速度与车辆对路面作用的载荷大小的关系[6]。郑钢铁团队认为较低自由度下的车辆模型不足以表述实际的车辆，其建立了九自由度的线性汽车模型，通过对模型的仿真，分析了车辆的载重，车速，悬架参数，轮胎参数等对道路产生的影响，从而更进一步的优化了车辆各方面的参数，减少对道路的破坏[7]。郑剑敏等的研究方向则是车辆在不同等级的路面条件下产生的振动。尤晋
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