（载运工具运用工程专业论文）基于adams的高速公路路缘石碰撞仿真及优化设计研究.pdf

摘要 近年来，我国高速公路里程和汽车保有量急速增长，在获得巨大经济效益和社会效 益的同时，交通事故亦日趋严重，已严重影响人民的生产生活。这其间，高速公路中央 隔离带等相关隔离设施问题较为突出，引发了大量恶性交通事故。目前，国内外对高速 公路中央隔离设施的研究多采用实车足尺碰撞实验，成本较高；而基于虚拟模型的仿真 实验则是值得探讨的一种有效方法。 本文在对高速公路路缘石碰撞受力分析的基础上，以a d a m s 系列软件为技术平台， 建构了基于该软件的三维小型汽车模型、路缘石模型以及汽车一路缘石碰撞模型：在不 同碰撞速度( 6 0 k m h 、8 0 k m h 、l o o k m h ) 、不同碰撞角度( 1 0 。、2 0 。、3 0 。) 、不同 路缘石类型( h i 型、r l 型、f l 型、r a 3 型、i b m 5 型) 的条件下，进行非重复交叉式汽车 一路缘石碰撞仿真实验；对碰撞后汽车模型的速度、加速度、运行轨迹以及翻车情况等 进行分析：以此为依据，比较不同路缘石类型的碰撞性能。同时，在此基础上，对性能 较好的路缘石截面线形进行进一步改进，设计出更为合理的路缘石类型，降低了汽车碰 撞后翻车的可能性，亦有助于汽车碰撞后恢复原有行车路线，为高速公路中央隔离设施 及安全行车提供参考。 关键词：高速公路、路缘石、汽车模型、仿真实验 a b s t r a c t r e c e n ty e a r s ，t h em i l e a g eo fr o a da n dt h en u m b e ro fv e h i c l eh a v ei n c r e a s e ds h a r p l y ，w h i c hb r i n g s h u g ee c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t s ，b u t ，a sar e s u l t ，t h ep r o b l e mo ft r a f f i ch a sb e c o m ei n c r e a s i n g l ys e r i o u s ， a f f e c t i n gt h ep e o p l e sp r o d u c t i o na n dl i v i n gs e r i o u s l y h i g h w a yt m f f i cs a f e t yf a c i l i t yh a sas e r i o u si m p a c t o nt r a f f i c ，t h ec e n t r a li s o l a t i o na s s o c i a t e dw i t ht h ei s o l a t i o nf a c i l i t i e sh a sb e e nam o r ep r o m i n e n tp r o b l e m s i nt h eh i g h w a y ，t h et r a f f i ca c c i d e n t s ，w h i c ha r ec a u db yi t ，a l em a l i g n a n t a tp r e s e n t ，t h em a i ns t u d ya t h o m ea n da b r o a di sr e a lf u l l s c a l ec r a s ht e s tv e h i c l e ，w h i c hc o s t sa l er e l a t i v e l yh i g h w h i l ee x p e r i m e n t b a s e do nt h ev i r t u a lm o d e la n ds i m u l a t i o ni sa ne f f e c t i v em e t h o dt oe x p l o r e t h i sp a p e re s t a b l i s h e d3 da u t o m o b i l em o d e l ，c u r bm o d e la n da u t o m o b i l e - c u r bc o l l i s i o nm o d e lw i t h t h es o f t w a r en a m e da d a m so nt h eb a s i so fa n a l y z i n gt h ec u r bo nt h ef r e ew a xc o l l i s i o ns i m u l a t i o n e x p e r i m e n t sw e r em a d eu n d e rt h e d i f f e r e n tc o n d i t i o n s ，s u c ha sc o l l i s i o nv e l o c i t y ( 6 0 k m h ，8 0 k m h , l o o k r n h ) ，c o l l i s i o na n g c l ( 1 0 0 ，2 0 0 ，3 0 0 ) a n dd i f f e r e n tc u r b s ( h i ，r i ，f i ，r a 3 ，a a s ) ；t h e nv e l o c i t y , a c c e l e r a t i o na n dt h et r a c ko f a u t o m o b i l ea f t e rc o l l i s i o nw e r ea n a l y z e da n dr e s e a r c h e d , a n dab e t t e rc u r bc a n b ed e s i g n e do nt h eb a s i so fc o m p a r i s o na m o n gd i f f e r e n tc u r b s ，w h i c hr e d u c e st h ep o s s i b i l i t yo fr o l l - o v e r a n dh e l p sv e h i c l er e t u r ni t s o r i g i n a ll a n e a f t e rc o l l i s i o n i ti si m p o r t a n tt o p r o v i d er e f e r e n c ef o r e s t a b l i s h m e n to ft h es e g r e g a t ei n s t a l l a t i o na n dd r i v m gs a f e t y k e y w o r d s ：f r e e w a y ：c u r b ；a u t o m o b i l em o d e l ；s i m u l a t i o n 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 阑弱 渺罗年多月日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：同晶 导师签名 俨7 年月日 矽夕年月日 虫人学颈学位论空 第一章绪论 1 1 课题的提出及意义 2 0 世纪9 0 年代以来，我国高速公路建设迅猛发展，有力地推动了国民经济的发展。 据统计，1 9 8 9 年我国高速公路通车里程仅为2 7 1 千米，到1 9 9 9 年在1 0 年间就突破了1 万千米，目前，我国的高速公路通车里程超过35 万千米。 根据2 0 0 4 年1 2 月1 7 日通过国务院审议的国家高速公路网规划，将利用3 0 年 的时间实现“7 9 1 8 网”届时我国高速公路将达到8 5 万千米，预计到2 0 1 0 年以前，我 国高速公路的建设规模将初步形成网络，国家高速公路网总体上实现“东网、中联、西 通”的目标。东部地区基本形成高速公路网，长江三角洲、珠江三角洲、环渤海地区形 成较完善的城际高速公路网络；中部地区对外连接通道全面建成，地区内部中心城市间 实现高速沟通：西部地区实现东西互动、通江达海。图1 - 1 所示为国家高速公路布局方 案m 。 雷卜1 国家高速公路阿布局方案 一批高等级公路的相继建成和投入使用，使我国公路网的质量有了明显提高，带来 了巨大的经济和社会效益，充分显示了高等级公路的优越性，为国家经济建设发展打下 了可靠的基础。 但是，随着公路里程和汽车保有量的急速增长，交通事故亦日趋严重，已严重影响 了人民的生产生活。表1 - 1 所示为1 9 9 8 年2 0 0 7 年十年间全国公路里程、道路交通事故、 道路交通死亡人数及道路交通受伤人数情况。由表1 - 1 数据可以看出，近五年来，交通 事故有递减的趋势，然而巨大的交通事故次数和死伤人数仍然不容乐观。 第一章绪论 表1 - 1 我国道路交通情况统计 年份公路里程( 万千米) 交通事故数( 次) 死亡人数( 人)受伤人数( 人) 1 9 9 81 2 7 8 53 4 6 1 2 97 8 0 6 72 2 2 7 2 1 1 9 9 91 3 5 1 74 1 2 8 6 08 3 5 2 92 8 6 0 8 0 2 0 0 01 4 0 2 7 6 1 7 0 0 0 9 4 0 0 04 1 9 0 0 0 2 0 0 11 6 9 8 0 7 6 0 0 0 0 1 0 6 0 0 05 4 9 0 0 0 2 0 0 2 1 7 6 5 27 7 3 0 0 01 0 9 0 0 05 6 2 0 0 0 2 0 0 31 8 0 9 86 6 7 5 0 7 1 0 4 3 7 24 9 4 1 7 4 2 0 0 41 8 7 0 75 6 7 7 5 39 9 2 1 74 5 1 8 1 0 2 0 0 53 3 4 5 24 5 0 2 5 49 8 7 3 84 6 9 9 1 1 2 0 0 63 4 5 7 03 7 8 7 8 18 9 4 5 54 3 1 1 3 9 2 0 0 73 5 8 3 73 2 7 2 0 98 1 6 4 93 8 0 4 4 2 虽然我国高速公路建设速度发展很快，但修建高速公路在我国因实践时间短，技术 标准在相关方面落后于建设发展，大部分技术指标都是引用国外的规定，很多同我国实 际道路运营状况并不完全吻合。如高速公路中央带的隔离型式，主要是引用日本的规定， 在与我国国情结合方面尚存在一些技术上的问题，某种程度上导致了交通事故随着高速 公路里程的不断增加而上升的情况。 虽然高速公路的事故与驾驶员及车辆技术状况有一定关系，但高速公路交通安全设 施亦有一定影响，这其间中央隔离带的相关隔离设施一直是高速公路一个较为突出问 题，其引发的交通事故大多是恶性的。据日本高速公路上的事故调查资料显示，与中央 分隔带接触、冲撞、爬上和冲断波形梁护栏的事故占事故总数的2 2 2 5 。据调查， 我国高速公路上的事故与中央分隔带有关的也超过了2 0 ，且由此造成的特、重大恶性 事故占同类事故比例的6 2 ，每年大约有1 3 的死亡事故发生在这些位置，并且与路缘 石的设置有着紧密的关系。 以往国内外通过在理论分析和模拟实验的基础上，通过实车足尺碰撞实验来进行。 实车足尺碰撞实验是目前国内外采用的主要研究方法，但是由于实验需要大型的实验场 地以及成套的实验装置和数据采集系统，要花费大量的人力、物力，实验成本较高。而 基于虚拟模型进行仿真实验是值得探讨的一种有效方法，比起实车实验的方法，虚拟样 机仿真实验有以下优点： 在公路安全指标确定的过程中，有些实验具有危险性和毁灭性，而虚拟样机仿 真实验根本不存在这种问题。 在研究安全指标过程中，需要进行大量的实验，而受自然环境、驾驶员的影响， 很难保证实验条件基本相同，对实验结果的影响也不得而知，而虚拟样机仿真实验可以 2 长安大学硕士学位论文 很容易的控制各种实验条件，得到精准的实验结果。 实车碰撞的费用较大，动用人手较多，实验工作繁琐，而虚拟样机仿真实验则 很好的解决了工作量大、实验成本高等诸多问题。 本文利用美国原m d i 公司的a d a m s 仿真分析软件，对道路路缘石形式进行仿真 研究，旨在探讨路缘石形式及相关机理，以提高高速公路车辆运行的可靠 性。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 西方发达国家在高速公路出现的初期就开始着手这方面的研究。美国是开展公路护 栏研究工作最早、最深入的国家，从1 9 2 0 年起就开始了这方面的研究，在理论分析和 模拟实验的基础上，通过实车足尺护栏碰撞验证实验和公路上的应用实践，积累了大量 资料和丰富经验，得出了适合本国的护栏型式，在其国内目前建有多处大型实车足尺实 验场，并配置有先进的测试仪器和设备。日本于上世纪5 0 年代开始进行这方面的研究， 并取得了很大的成绩。同时，许多研究人员也同时开展了计算机仿真模拟工作，r o b e r t t h m o s n o 建立了汽车与偏转混凝土护栏碰撞的动态二维模型，m a r kb b a t e m n a 对缆索护 栏的碰撞特性进行了计算机仿真，1 b l a k e r 和a w n y a o l r 阐述了4 索安全护栏的研 究和应用【1 1 。 近几十年来，国外一些研究机构相继提出了一些由简单到复杂的有效的力学模型， 并开发了相应的计算机软件。其中h v o s m 系统将车辆模型化为由车身、悬架和轮胎组成 的具有1 1 个自由度的多体系统，能够模拟车辆与各类护栏碰撞的过程，给出碰撞过程中 车辆承受的加速度和车辆在三维空间中的运动姿态。g u a r d 程序将车辆简化为具有6 个 自由度的空间运动体，采用三维有限元模型模拟各类护栏。虽然这些模拟方法都具有较 大的局限性，但能反映护栏性能随其结构参数和碰撞条件变化的大致趋势。多方面的研 究工作奠定了这方面仿真研究的基础【2 】。 1 2 2 国内研究情况 在国内，1 9 9 2 年前后，中国公路工程咨询监理总公司组织有关人员对全国已通车的 高速公路进行调查，并完成我国第一次实车足尺碰撞实验。随后交通部公路科研所出于 研究钢制波形梁护栏的防撞性能，编制相关部颁标准的需要，在北京、海南先后做过两 次共2 7 辆次的实车冲击钢制波形梁护栏实验；1 9 9 8 年在北京成立的私营企业深华科公 司也先后作了一些实车碰撞实验；同济大学受上海市内环线工程建设指挥部委托，曾做 第一章绪论 过汽车冲撞钢筋混凝土护栏足尺模型实验；交通部公路交通实验场、国家汽车质量检测 中心( 襄樊) 、湖南大学等单位也建立了各具特色的汽车碰撞实验系统，进行过相关实验， 并在实验的基础上，建立了相关的模型，虽然能说明一定的情况但与真实情况存在着一 定的偏差。缩尺模型实验依据相似理论设计和制造实物原型的缩尺比例模型，缩尺模型 实验可以节省实车冲撞实验的大量经费，但由于缩尺，材料等不同，结果并不可靠。鉴 于我国的实际经济能力及公路安全发展的需要，近两年国内一些关于汽车中央隔离带 碰撞的仿真研究还处于探索阶段，同时，目前国内还没有较为全面、系统的进行汽车 路缘石碰撞方面的研究【羽。 1 3 本文研究内容和技术路线 1 3 1 研究内容 本文研究的主要内容有以下几点： 1 ) 对高速公路路缘石进行力学分析，建立路缘石的力学仿真模型： 2 ) 建构符合基本条件的多自由度汽车三维模型及汽车路缘石碰撞模型； 3 ) 在不同条件下进行碰撞仿真实验，根据实验结果提出合理的路缘石形式。 1 3 2 研究方法 依靠a d m a s 软件平台，建立小型车辆模型和路缘石模型，在不同碰撞车速、不同 碰撞角度、不同路缘石类型的条件下进行多组碰撞仿真实验，分析研究碰撞实验后车辆 的运动速度、运动轨迹等参数，并在此基础上，提出合理的路缘石形式。本文的技术路 线框图如图1 2 所示。 4 长安大学硕士学位论文 图l - 2 本文技术路线框图 5 第二章基于a d a m s 的小车路缘石碰撞模型 第二章基于a d a m s 的小车一路缘石碰撞模型 2 1 基于a d a m s 的小型汽车模型 2 1 1 小型汽车建模理论分析 本文的小型汽车模型在a d a m s v i e w 环境中建立，本节就a d a m s 的设计流程、常用 功能、基本算法做简单介绍。 1 ) a d a m s 的设计流程 a d a m s 的设计流程如图2 1 所示，依照以下流程建立的整车模型可以进行整车的动 力学仿真分析，如：汽车稳态转向特性、角阶跃输入瞬态响应、直线制动、转向制动等 运动仿真分析，也可和路缘石模型联合起来，进行碰撞仿真分析。 建立模型创建构成模型的物体( p a r t ) ( b u i l d )创建物体之间约束副( c o n s t r a i n s ) 施加力( f o r c e ) 和力矩( t o r q u e ) i 弋， 测试模型 对模型进行初步仿真( s i m u l a t i o n ) ( t e s t ) 测量模型运动特性( m e a s u r e ) 上上 l 验证模型比较物理实验数据与仿真实验数据，验 l ( v a li d a t e ) 证模型正确性 上上 细化模型增加摩擦力、修改物体材料、建立柔性 ( r e f i n e )体、添加柔性约束等 上 迭代定义设计点和设计变量，参数化模型 ( i t e r a t e ) 上上 优化模型改变模型设计变量进行多次仿真，寻找 ( o p ti m iz e ) 最优方案 图2 - 1a d a m s 的设计流程 6 长安大学硕上学位论文 2 ) a d a m s 常用功能 ( 1 ) a d a m s 的建模功能 a d a m s 的零件库 a d a m s 建立的模型中的零件具有质量、转动惯量并可以运动。在仿真中，所有力和 约束都必须施加在零件上。 a d a m s v i e w 提供了完整的零件库，可以创建三种不同类型的零件： a 刚体：具有质量和各种转动惯量的零件，不能变形。 b 柔性体：具有质量、转动惯量，且在力的作用下可以发生变形的零件。 c 质点：只具有质量的零件，质点没有外形，也没有转动惯量和角速度。 此外，a d a m s v i e w 提供了一个特殊的零件一地面( g r o u n d ) ，用户创建模时， a d a m s v i e w 将自动为用户创建地面。“g r o u n d 零件没有质量及初始速度，不会增加系 统的自由度，全局坐标系就建立在“g r o u n d 上。 零件建好后，a d a m s 可以自由算出零件的质量( 零件的体积乘以零件材料密度) 、质 心位置及沿各个轴的惯性矩、惯性积。当然，用户也可以自己指定。 给零件施加约束和运动 创建了构成模型的物体后，就需要使用约束副将它们连接起来，以定义物体间的相 对运动。a d a m s v i e w 提供的约束副有： a 理想约束( i d e a l i z e dj o i n t ) ：是指具有物理意义的约束副，如：旋转副、移动副、 齿轮副等； b 虚约束( j o i n tp r i m i t i v e ) ：用于限制物体之间的相对运动，如：限制一个物体的 运动轨迹与另一个物体的运动轨迹必须平行等； c 高副约束( c o n t a c t ) ：用于定义两个物体在运动中的接触情况等。 a d a m s v i e w 提供的运动驱动( m o t i o n s ) 主要用于驱动模型按一定的规律运动。 加入约束可以减少系统的自由度数，a d a m s v i e w 中的每种约束都减少不同自由度 数。在进行仿真时，a d a m s 的分析器- a d a m s s o l v e r 能够自动计算模系统总的自由度数 及是否存在冗余约束。 给零件施加作用力 a d a m s v i e w 的力库中主要提供三种力的模型： a 应用力：如通常的( f o r c e ) 和力矩( t o r q u e ) 等； b 弹性联接：器如弹簧力( s p r i n g ) ，橡胶衬套( b u s h i n g ) 等； 7 第二章基于a d a m s 的小车路缘石碰撞模型 c 特殊力：如轮胎( t i r e ) 、空气动力( a e r o d y n a m ic ) 等。 ( 2 ) a d a m s 的测量功能 在用a d a m s 模拟仿真过程中或过程之后，可以定义一些测量量，在a d a m s 中，测量 分为两类，一类是a d a m s 预先定义好的，另一类是用户可以自己定义。模型中几乎所有 的特性量都可以被测量，如弹簧提供的力，物体间的距离，物体间的夹角等。在定义了 这些测量量后，仿真进行时，a d a m s v i e w 自动显示出测量量的曲线图，使用户可以看到 仿真和测量的结果。 预定义的测量( p r e d e f i n e dm e a s u r e s ) 预定义的测量常用的测量对象及测量特征值如表2 - 1 所示。 表2 - 1 一些预定义的测量 对象可测量的特征量 零件质心位置；质心速度：质心加速度；质心角速度；质心角加速度；动能： 平动动能；平动动量；对质心的转动动量；势能增量等 质点 质心位置；质心加速度；质心速度；动能；平动动能；转动动能：势能增 量等 弹性体质心位置；质心速度；质心加速度：质心角加速度；动能；平平动动能； 转动动能；平动动量；对质心的转动动量：势能增量；应变势能等 力、力矩、单元力；单元扭矩；平动位移；平动速度；平动加速度；角速度；角加速 弹簧等度等 约束约束上的力；扭矩；平动位移；平动加速度；角速度；角加速度等 运动功耗：单元力；单元力矩；平动位移；平动速度；平动加速度；角速度； 角加速度等 用户自定义的测量( u s e rd e f i n e dm e a s u r e s ) 用户自定义的测量包括： a a d a m s v i e wc o m p u t e dm e a s u r e ：是用户定义的设计表达式，表达式可含有 a d a m s v i e w 中的任意变量，a d a m s v i e w 在仿真中或仿真后对其进行求解。 b a d a m s s o l v e rf u n c t i o nm e a s u r e ：是用户自己定义的函数表达式( f u n c t i o n e x p r e s s i o n ) ，表达式中可以使用用户在a d a m s s o l v e r 中自定义的任何子程序，同时可 以使用高效率的a d a m s s o l v e r 描述语言( e x p r e s s i o nl a n g u a g e ) 。a d a m s s o l v e r 在仿真 中进行求解。 长安大学硕士学位论文 3 ) a d a m s 的计算流程 a d a m s 的整个计算过程( 指从数据的输入到数据的输出，不包括前、后处理功能模 块) 可以分为以下几个部分： ( 1 ) 数据的输入； ( 2 ) 数据的检查； ( 3 ) 机构的装配及过约束的消除； ( 4 ) 运动方程的自动形成； ( 5 ) 积分迭代运算过程； ( 6 ) 运算过程中的错误检查和信息输出； ( 7 ) 结果的输出。 a d a m s 的计算流程如图2 2 所示【1 l 。 图2 - 2a d a m s 的工作流程图 9 第二章基于a d a m s 的小车路缘石碰撞模型 4 ) a d a m s 仿真算法的基本理论【3 】 车辆虚拟样机建模的过程，就是通过对组件、约束、柔性连接( 力) 及轮胎( 力) 等的定义，来确定车辆各部分的组件特性及其连接关系，从而形成一系列车辆多体系统 动力学控制方程；而车辆虚拟样机仿真的过程，就是采用一定的仿真算法，求解车辆多 体系统动力学控制方程。像车辆系统这样复杂的系统，其控制方程一般为复杂的大规模 微分一代数方程组( d a e s d i f f e r e r n t i a la l g e b r a i ce q u a t i o n s ) 。微分一代数方程与常 微分方程( o d e s ) 有很大不同，如在标准假设下，常微分方程组对任意初始条件有唯一 解，而微分一代数方程组则可能无解，或只有在初始条件满足某相容条件时才有相应的 解。因此，需采用一些特殊的算法，才能得到微分一代数方程的解。 在复杂机械系统的运动过程中，可能会出现系统中不同构件之间的运动速度差别很 大的情况，这就会使描述系统运动的微分一代数方程组呈现出刚体特性。刚性方程组数 值积分过程中存在快变分量和慢变分量的差别，快变分量要求积分步长很小，而慢变分 量则使得在该步长条件下计算步数很多、舍入误差较大。 这样就使得收敛精度和收敛效率之间的矛盾更加突出。这是求刚性方程组数值解的 困难所在，因此，必须采用专用于求解刚性问题的数值方法。 用于处理非刚性问题的算法，有a b a m ( a d a m s b a s h f o r t h - a d a m s - m o u l t o n ) 方法等。 这些方法不能用于刚性问题的求解，否则会出现不收敛或收敛速度过慢等问题。另外还 有r k f ( r u n g e k u t t a f e h l b e r g ) 方法可用于非刚性问题或轻微刚性问题，但不能得到 高精度的解。一般采用基于向后差分b d f ( b a c k w a r d - d i f f e r w n c ef o r m u l a e ) 和多步积 分的方法处理刚性问题，包括定步长b d f 方法、d a s s l 方法、g e a r 方法和w i e l e n g a 刚 性方法等。这些方法主要包括预估和校正两个步骤。 预估过程指，在进行一个新步长的计算时，积分器采用每个系统变量的前步的值， 经给定阶次的差值，通过外插得到这一步长的预估值。采用的标准算法包括泰勒级数、 牛顿差分等。预估过程是显式的，只考虑前步的值，认为前步的数值是对当前值较好的 指示，并步保证其满足运动方程和约束方程。这只是校正过程开始时的一个初始猜测值， 保证其满足控制方程。 根据泰勒展开式预估在t 。一。时刻y 及其一阶导数y 的值，t a y l o r 展开式为： 儿一l ：+ 帆+ 等。4 - + 等虼n ) ( 2 1 多 儿一l = + ，+ i + i 虼” ( z l 多 l o 长安大学硕士学位论文 其中，h = t 州- t 。为积分步长，对于g e a rs t i f f 积分程序的格式是： 七 + ，= 仪，虬讲。一邛。以 ( 2 2 ) i = i 其中b o 、a 。为g e a r 积分系数，对上式可变换为： 以t2 去( 善昧m 叫) ( 2 - 3 ) 校正过程中，校正器是微分关系的隐式表达，建立当前步的状态值与其微分值之间 的关系。这种关系将非线性微分方程转化为系统变量的一系列非线性微分代数方程。 首先，求解系统方程g ，如g = ( y ，y7 ，t ) = o ，则方程成立，此时的y 为方程的解，否 则继续。 求解n e w t o n r a p h s o n 线性方程，得到y ，使系统方程g 更接近于成立： ，a y = g ( y ，y ，t 州) ( 2 4 ) 其中j 为系数的雅克比矩阵。 利用n e w t o n r a p h s o n 迭代，更新y y m = y + 缈 ( 2 5 ) 重复以上步骤，直至a y 足够小，当g 和a y 都达到很小时，则认为校正器收敛， 收敛到的值即为方程的解。 2 1 2 基于a d a m s 的小型汽车模型【3 1 本节将使用a d a m s v i e w 创建小型汽车的整车模型，它包括：汽车底盘模型、双横 臂式前独立悬架模型、转向机构模型、后悬架模型、轮胎模型和路面谱。 1 ) 创建设计点 在a d 姒s v i e w 的零件库中点击点( p o i n t ) ，选择“a d dg r o u n d 和“d o n ta t t a c h 。 在工作窗口中创建建立整车模型所需的共3 8 个设计点。各设计点分类、名称及坐标如 表2 - 2 所示。 第二章基于a d a m s 的小车路缘石碰撞模型 表2 - 2 车辆设计点坐标 设计点分类设计点名称 x 坐标 y 坐标z 坐标 底盘设计点v e h i c l e 06 0 0 0 0 0o l e f t _ l c a _ o u t e r - 1 3 3 9 2 4 32 7 0 3 1 56 9 7 4 3 2 l e f t u c a _ o u t e r - 1 3 2 4 8 4 95 9 4 9 9 26 4 0 1 8 3 l e f t _ l c a _ i n n e r - 1 4 2 8 9 3 2 3 2 7 8 9 61 9 2 0 4 8 l e f t _ u c a _ i n n e r 一1 2 9 5 8 6 16 6 6 7 0 63 1 6 7 0 2 l e f t _ t ie r o d _ o u t e r - 1 5 1 2 7 6 53 6 3 0 0 97 2 4 2 7 0 l e f t _ t ie r o d i n n e r 一1 5 9 4 5 5 64 4 4 1 9 52 5 7 7 7 0 l e f t _ k n u c k l e i n n e r 一1 3 3 4 4 8 83 7 7 5 7 76 7 8 5 2 2 前 l e f t m e el _ c e n te r 一1 3 3 5 0 0 03 7 5 0 0 08 2 5 0 0 0 悬 r i g h t _ l c a _ o u t e r 一1 3 3 9 2 4 32 7 0 3 1 56 9 7 4 3 2 架 r i g h t u c a _ o u t e r 一1 3 2 4 8 4 95 9 4 9 9 26 4 0 1 8 3 设r i g h t l c ai n n e r 一1 4 2 8 9 3 23 2 7 8 9 6- 1 9 2 0 4 8 计 r i g h t j 咒氏一i n n e r 一1 2 9 5 8 6 16 6 6 7 0 63 1 6 7 0 2 点 r i g h t _ t i e r o d _ o u t e r - 1 5 1 2 7 6 53 6 3 0 0 97 2 4 2 7 0 r i g h t _ t i e r o d _ i n n e r 一1 5 9 4 5 5 64 4 4 1 9 52 5 7 7 7 0 r i g h t _ k n u c k l e i n n e r 一1 3 3 4 4 8 83 7 7 5 5 76 7 8 5 2 2 l e f t m e e l _ c e n t e r - 1 3 3 5 0 0 0 3 7 5 0 0 0 - 8 2 5 0 0 0 l e f t _ s p r i n g _ l o w e r 一1 3 1 4 3 9 06 2 0 8 6 65 2 3 4 7 3 l e f t s p r in g _ u p p e r 一1 3 1 4 3 9 09 1 0 8 6 65 2 3 4 7 3 r i g h t _ s p r i n g _ l o w e r - 1 3 1 4 3 9 06 2 0 8 6 6- 5 2 3 4 7 3 r i g h t _ s p r i n g _ u p p e r 一1 3 1 4 3 9 09 1 0 8 6 65 2 3 4 7 3 转 p i t m a n _ a r mp i v o t - 1 6 2 4 0 0 04 5 1 0 0 0 1 7 2 5 0 0 向 i d l e r _ a r m _ p i v o t - 1 6 2 4 0 0 04 5 1 0 0 01 7 2 5 0 0 机 l o w e r _ s e c t o r _ s h a f t _ p o i n t - 1 4 4 4 0 0 0 4 5 1 0 0 01 7 2 5 0 0 构i d l e r _ a r m _ c e n t e r - 1 4 4 4 0 0 04 5 1 0 0 01 7 2 5 0 0 设s t e e r i n g _ s h a f t _ p i v o t - 1 2 3 2 0 0 05 6 2 0 0 02 3 0 5 0 0 计 s t e e r i n g _ w h e e l _ p i v o t 一8 7 3 5 0 06 7 8 6 0 02 6 0 0 0 0 点 s t e e r i n g _ w h e e l c e n t e r - 2 6 0 0 0 01 0 3 3 2 0 02 6 0 0 0 0 l e f t r c a _ p i v o t 6 8 9 3 7 03 7 5 0 0 03 6 3 2 2 0 l e f t - r c a _ o u t e r 1 2 6 5 0 0 03 7 5 0 0 06 9 5 5 6 0 后 r l w h e e l c e n t e r 1 2 6 5 0 0 03 7 5 0 0 0 8 2 5 0 0 0 悬 r i g h t _ r c a _ p i v o t 6 8 9 3 7 03 7 5 0 0 03 6 3 2 2 0 架 rig h t r c a _ o u t e r1 2 6 5 0 0 0 3 7 5 0 0 06 9 5 5 6 0 设 r r 一1 l 1 1 e e l c e n t e r 1 2 6 5 0 0 03 7 5 0 0 08 2 5 0 0 0 计 r l _ s p r i n g l o w e r 1 0 7 0 4 2 03 7 5 0 0 05 8 3 2 2 点 r l s p r i n g _ u p p e r 1 0 7 0 4 2 06 4 1 - 0 0 05 8 3 2 2 r r s p rin g _ l o w e r 1 0 7 0 4 2 03 7 5 0 0 0 - 5 8 3 2 2 r r s p rin g _ u p p e r 1 0 7 0 4 2 06 4 1 0 0 0 - 5 8 3 2 2 1 2 长安大学硕上学位论文 2 ) 创建小车模型构件 在设计点v e h i c l e c m 处，创建球体作为底盘，并修改质量、转动惯量、转动惯量 参考坐标系，完成底盘的创建。 在a d a m s v i e w 的零件库中选择圆柱体，定义半径，并选择设计点l e f t l c ao u t e r 和l e f t u c a _ o u t e r ，创建前悬架左侧的主销。依据上述方法，依次创建好其他1 1 个构 件。 建立好底盘及前悬架的物体模型后要施加约束副及弹簧( 力) ，根据实际各构件间的 受约束情况及仿真的简化需要，在前悬架左侧主销和前悬架左侧上横臂之间、前悬架左 侧主销和前悬架左侧下横臂、前悬架左侧拉臂和前悬架左侧转向拉杆、前悬架右侧主销 和前悬架右侧上横臂、前悬架右侧主销和前悬架右侧下横臂及前悬架右侧拉臂和前悬架 右侧转向拉杆之间均以球铰加以约束，在前悬架左侧拉臂和前悬架左侧主销、前悬架左 侧转向节和前悬架左侧主销、前悬架右侧拉臂和前悬架右侧主销及前悬架右侧转向节和 前悬架右侧主销之间以固定副加以约束。 在前悬架左侧上横臂和底盘、前悬架左侧下横臂和底盘、前悬架右侧上横臂和底盘 及前悬架右侧下横臂和底盘之间以旋转副为约束。 最后选择设计点l e f t _ s p r i n g _ l o w e r 和l e f t _ s p r i n g _ u p p e r 创建前悬架左侧弹簧， 选择设计点r i g h t s p r i n g _ l o w e r 和r i g h t _ s p r i n g _ u p p e r 创建前悬架右侧弹簧，完成汽 车的前悬架模型。 类似于上述创建前悬架模型的方法，创建后悬架模型、转向机构。 3 ) 创建轮胎和路面 通过调用a d a m s v i e w 中的轮胎文件和路面文件，在已创建好的悬架模型中添加轮 胎和地面。图2 - 3 所示为建立轮胎的对话框。其中轮胎文件和路面文件详见附录2 和附 录3 。 第= 摹f a d a m s 的小车一路缘石m 掩模型 图2 _ 3 熏立轮胎对话框 至此，小型汽车模型建立完毕。图2 4 所示为建立完成的小型汽车模型。 图2 _ 4 小型r 苹模型 2 2 基于a d a m s 的路缘石模型 2 2 1 路缘石功能与种娄瑚 目前国内使用的路缘石大多基于中华人民共和国建材行业标准j c 8 9 9 2 0 0 混凝土 路缘石设计完成，该标准是在参照采用德国d i n 4 8 3 1 9 8 1 混凝土路缘石、欧洲c e n p r e n l 3 4 0 ：1 9 9 3t 混凝土路缘石和法国n f p 9 8 3 0 2 ：1 9 8 2 预制混凝土路绦石和捧水 沟的技术指标基础上，总结我国混凝土路缘石科研成果和生产使用的实践经验并结合 我国国情而制定的。 i ) 路缘石功能 高速公路上使用路缘石的目的和功能很多，首先可以对路面捧水起到导流、汇集的 作用( 俗称拦水带) ，此外路缘石具有一定的导向功能和防撞性能，即车辆失控越出行车 道碰撞到路缘石后会改变行驶方向，车辆与路缘石碰撞后，能够降低车辆越出路外的速 度， 长安人学硕士学位论文 2 ) 路缘石分类 按照材质，路缘石可分类为水泥混凝土路缘石和天然石材路缘石。 按照路缘石的线形，分类为直线型路缘石和曲线型路缘石，其中曲线型路缘石可按 照需要配合直线型路缘石选用。 依据j c 8 9 9 2 0 0 2 混凝土路缘石，按照路缘石的截面尺寸分类为h 型、t 型、r 型、f 型、l 形状的r a 型路缘石和p 型平面石。 h 、t 、r 、f 、p 型路缘石的的规格尺寸如表2 - 3 所示，r a 型路缘石的规格尺寸如表 2 - 4 所示。 表2 3h 、t 、r 、f 、p 型路缘石的规格尺寸 单位：姗 型号宽度b高度h长度l h 12 5 03 5 0 h 22 4 03 0 0 1 0 0 0 h 3 2 0 03 0 0 7 5 0 h 4 1 8 03 0 0 5 0 0 h 5 1 8 02 5 0 h 61 7 02 8 0 h 71 5 03 0 0 h 81 5 02 5 0 1 - 1 91 5 04 2 0 t i1 5 03 5 0i 0 0 0 t 21 0 03 0 0 7 5 0 5 0 0 t 31 2 03 0 0 1 5 0 t 41 0 02 5 0 t 5 8 02 5 0 r i1 8 02 2 0i 0 0 0 r 21 5 02 2 0 7 5 0 5 0 0 r 31 5 03 5 0 f i2 0 02 0 0i 0 0 0 f 22 0 02 5 0 5 0 0 3 5 0 f 31 5 02 2 0 f 41 2 03 5 0 p i1 5 01 2 01 0 0 0 p 23 0 01 2 0 7 5 0 5 0 0 p 3 5 0 01 5 0 第二章基于a d a m s 的小车路缘石碰撞模型 表2 - 4r a 型路缘石的规格尺单位：册 型号总宽度b 。项面宽度b z总高度h -底座最小高长度1 r a l4 5 01 1 03 0 0 - 4 0 01 8 55 0 0 r a 27 4 01 5 03 5 0 - 4 0 0 1 5 0 - 2 0 0 5 0 0 r a 3 2 5 01 2 03 5 0 1 2 02 5 0 r a 42 5 0 1 2 03 0 0 1 2 02 5 0 r a 52 5 0 1 0 0 2 5 01 0 02 5 0 路缘石的具体截面图形如附录1 所示。 本文主要研究标准推荐的h l 型、t l 型、r 1 型、f l 型路缘石及l 形状的r a 3 型水泥 混凝土直线型路缘石。 2 2 2 路缘石力学性能 i ) 抗折强度和抗压强度 依据j c 8 9 9 - 2 0 0 2 混凝土路缘石，直线型路缘石抗折强度等级分为c f 6 0 、c f 5 0 、 c f 4 0 、c ，3 0 ，如表2 - 5 所示。 表2 - 5 路缘石的抗折强度单位：m p a 等级c f 6 0c r 5 0c f 4 oc f 3 0 平均值c 如6 0 05 0 04 0 03 0 0 单块最小值c r t 。 4 8 04 o o3 2 02 4 0 依据j c 8 9 9 2 0 0 2 混凝土路缘石，曲线型及直线型、截面l 状路缘石抗压强度等 级分为c 。4 0 、c 。3 5 、c c 3 0 、c c 2 5 ，如表2 6 所