（载运工具运用工程专业论文）基于adams的卡车与高速公路路缘石碰撞仿真及优化分析.pdf

7 3 0 3 2 籼2y 1 s i m u l a t i o na n d o p t i m i z a t i o na n a l y s i so fc r a s h b e t w e e n t r u c ka n dc u r bo nt h eh i g h w a yb a s e do na d a m s ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：l iy i s u p e r v i s o r ：p r o f l i uh a o x u e c h a n g a nu n i v e r s i t y , x i a n ，c h i n a 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。 论文储繇喔灸 劲肜年，月z 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： 导师签名： 唿锭加勿年乡月z 日 砒年y 月2 f 日 摘要 近年来，随着我国高速公路通车里程数和汽车保有量的大幅增加，以及国家对交通 安全重视程度的提高，高速公路交通安全问题大为改善。路面设施的技术水平不断提高， 车辆性能不断改善，但是由车辆与路面附属设施所引发的交通事故仍然较多，不仅降低 了我国高速公路的运输效率，也造成大量的财产损失和生命伤害。高速公路防护设施的 安全水平对车辆的行驶安全性影响显著，当前对于高速公路防护设施安全性的研究多集 中在护栏上，且以实车足尺碰撞试验为主，对其他道路防护设施以及与之相关的事故研 究较少。 本文针对大型车辆碰撞路缘石的事故开展相关研究，参照混凝土路缘石行业标准， 运用虚拟样机技术a d a m s 建立卡车模型和路缘石模型。根据相关标准和资料，试验选 取h 1 型、f 1 型、r 1 型、r a 3 型、r a 5 型、t l 型六种路缘石；试验车速为6 0k m h 、 7 0k m h 、8 0k m h 及9 0k m h ；碰撞角度为l o o 、2 0 。和3 0 0 。依据汽车理论和相关力学原 理，本文在a d a m s n i e w 中进行车辆与六种路缘石的碰撞仿真，分析碰撞前后车辆的 运动轨迹以及某些运动学参数的变化趋势，比较论证六种路缘石的防护性能，分析其设 计的合理之处。依据试验结果和分析结论，本文在r a 3 型路缘石的基础上，扩展设计 并提出m 1 型、m 2 型、n 1 型及n 2 型路缘石。经对比试验，论文分析了所提出的四种 路缘石在防护性能上较r a 3 型的优劣，为高速公路路缘石的设计与安装提供理论参考， 以期降低此类碰撞事故的伤害程度。 关键词：高速公路防护设施，路缘石，a d a m s ，卡车模型，碰撞试验 s i g n i f i c a n t l y w h i l e ，m o s ts t u d i e so nt h es e c u r i t yo fp r o t e c t i o nf a c i l i t i e so nt h eh i g h w a yf o c u s o nt h ef e n c e a n dr e a lf u l l s c a l ec r a s ht e s ti sd o m i n a n t ，o t h e rp r o t e c t i o nf a c i l i t i e sa n dr e l a t e d i n c i d e n t sa r es t u d i e dr a r e l y i nt h i sp a p e r , t h er e s e a r c ho nc o l l i s i o na c c i d e n t sb e t w e e nl a r g ev e h i c l ea n dc u r b sw a s c o n d u c t e d b yr e f e r i n gt oc o n c r e t ec u r bi n d u s t r ys t a n d a r d s ，c u r b sa n dt r u c km o d e l sw e r eb u i l t b a s e do nt h ev i r t u a lp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g ya d a m s a c c o r d i n gt ot h er e l e v a n ts t a n d a r d sa n d i n f o r m a t i o n ，s i xc u r b si n c l u d i n gh 1 ，f 1 ，r 1 ，r a 3 ，r a 5 ，a n dt 1 w e r ec h o o s e n t e s t i n g v e l o c i t i e si n c l u d e d6 0k m h ，7 0k m h ，8 0k m ha n d9 0k m h b e s i d e s ，i m p a c ta n g l e s i n c l u d e d10o r2 0 。a n d3 0 。a c c o r d i n gt oa u t o m o t i v et h e o r ya n dr e l a t e dm e c h a n i c s ，c r a s h e s b e t w e e nt r u c ka n dc u r b sw e r es i m u l a t e di na d a m s v i e w , w h i l et r u c kt r a j e c t o r i e sa n dt h e c h a n g e so fc e r t a i nk i n e m a t i cp a r a m e t e r sb e f o r ea n da f t e rt h ec o l l i s i o nw e r ea n a l y z e dt o d e m o n s t r a t et h ep r o t e c t i v ep e r f o r m a n c eo fs i xc u r b sa n da n a l y z ew h a tt h er e a s o n a b l ed e s i g n s a r e b a s e do nt e s t i n gr e s u l t sa n dc o n c l u s i o n s ，t h i sp a p e rp r o p o s e de x t e n d e dc u r bt y p e s m 1 ， m 2 ，n 1 ，n 2 b yc o n d u c t i n gc o m p a r a t i v ee x p e r i m e n t ，a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fm 1 ， m 2 ，n 1a n dn 2i nt h ep r o t e c t i v ep e r f o r m a n c ec o m p a r e dt or a 3w e r ea n a l y z e d i ti se x p e c t e d t h a tt h i sp a p e rp r o v i d e sat h e o r e t i c a lr e f e r e n c ef o rc u r bd e s i g n i n g sa n di n s t a l l a t i o no nh i g h w a y , a n dr e d u c e st h ed a m a g eo fc r a s h e so nh i g h w a y k e y w o r d s ：h i g h w a yp r o t e c t i o nf a c i l i t i e s ，c u r b s ，a d a m s ，t r u c km o d e l s ，c r a s ht e s t 目录 第一章绪论1 1 1研究背景1 1 - 2国内外研究现状3 1 3 研究目的及意义5 1 4 论文组织结构及技术思路6 1 4 1论文组织结构6 1 4 2 技术思路6 第二章基于a d a m s 的卡车与路缘石模型8 2 1 基于a d a m s 的三轴卡车模型8 2 1 1a d a m s 建模功能实现概述8 2 1 2 三轴卡车建模理论8 2 1 3 整车模型参数的获取9 2 1 4 整车模型的建立1 0 2 1 5 整车模型有效性验证与评估。1 6 2 2 路缘石模型的建立。1 8 2 2 1 路缘石概念与分类1 8 2 2 2 路缘石的力学性质1 9 2 2 3 各种路缘石模型建立方法1 9 第三章高速公路三轴卡车与路缘石的碰撞仿真试验2 1 3 1 碰撞仿真试验设计：2 1 3 1 1碰撞理论2 1 3 1 2 试验方案设计一2 2 3 1 3 路缘石安全性评价标准2 3 3 2 仿真试验结果分析2 3 3 2 1 车速为6 0 k m h 仿真结果分析2 4 3 2 2 车速为7 0k m h 仿真结果分析一3 0 3 2 3 车速为8 0k m h 仿真结果分析3 5 3 2 4 车速为9 0k m h 仿真结果分析3 8 3 3 碰撞结果综合分析4 2 第四章高速公路路缘石优化设计4 4 4 1 路缘石设计改进方案4 4 4 2 试验结果验证4 5 4 2 1r a 3 型与m l 型、m 2 型路缘石仿真试验分析4 5 4 2 2r a 3 型与n 1 型、n 2 型路缘石仿真试验分析4 7 4 3 碰撞结果综合分析5 7 第五章结论与展望6 l 5 1 结论6 1 5 2 展望6 l 参考文献6 3 附录1 轮胎文件6 5 附录2 路面文件6 7 附录3 整车设计点明细6 8 攻读学位期间取得的研究成果一7 l 致谢7 2 长安人学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 随着我国首条高速公路“沪嘉( 上海浦桃工业区一嘉定县) 高速公路”于1 9 8 8 年建成 通车，各地市纷纷兴建高速公路。1 9 9 7 年之后我国高速公路建设进入到快速发展阶段， 截止2 0 0 9 年底高速公路通车里程已达到6 5 万公里，仅次于美国，位居世界第二。国务院 于2 0 0 4 年审议通过的国家高速公路网规划给出了我国高速公路的终极骨架布局，形 成横贯东西纵贯南北中心城市向外辐射的高速公路布局形式，即“7 9 1 8 ”规划，如图1 1 所示。高速公路不同于其他等级公路，它是能适应年平均昼夜小客车交通量为2 5 0 0 0 辆 以上、专供汽车分道高速行驶、并全部控制出入的公路【2 】。公路工程技术标准j t g 8 0 1 2 0 0 3 对高速公路作了如下要求：一般能适应1 2 0 公里d , 时或者更高的车速，路线顺 畅，纵坡平缓，路面有4 个以上车道宽度，路中间设置中央隔离带；采用沥青混凝土或 水泥混凝土高级路面，为保证行车安全设有齐全的标志、标线、信号及照明装置；禁止 行人和非机动车在路上行走，与其他线路采用立体交叉、行人跨线桥或地道通过【2 】。高 速公路的这些特点决定了行驶于其上的车辆需要适当控制车速，防止车速过高或过低， 车辆之间需保持足够的车间距以及横向安全距离，行驶中的紧急制动和急转方向盘都是 非常危险的操作。 我营蠢遵公路瞬橇甥隰 j 、 h 图1 1“7 9 1 8 ”规划图 过去的2 0 0 9 年，我国汽车行业进入到前所未有的发展机遇期，全年汽车产销量超过 1 3 5 0 万辆，首次超越美国成为世界汽车产销第一大国。截至2 0 0 9 年底，全国机动车保有 第一章绪论 量为1 8 6 ，5 8 0 ，6 5 8 辆，其中汽车保有量为7 6 ，1 9 3 ，0 5 5 辆，载货汽车保有量为1 3 6 8 6 1 万辆， 占汽车总量的1 7 9 6 。载货汽车中的中重型卡车承担着省际、城际以及区域间的大量货 物运输任务，是我国公路运输中最重要的交通工具之一。统计资料表明，随着道路等级 的不断提高，运行于高速公路上的中重型卡车逐渐朝着大吨位、高车速的方向发展，加 之汽车保有量的逐年增加，不可避免会带来一系列问题，如载货汽车超速超载行驶，驾 驶员疲劳驾驶等引发的各种交通事故。 近几年，高速公路上的交通事故无论是事故数量还是导致的伤亡人数及财产损失无 不令人触目惊心。2 0 0 3 年至2 0 0 7 年的五年间我国高速公路上共发生1 0 5 6 8 7 起道路交通事 故，占五年交通事故总起数的4 5 ，造成7 7 5 0 5 人受伤、3 0 5 8 8 人死亡，直接财产损失达 到2 6 2 亿元，高速公路平均每年发生交通事故2 1 1 3 7 起，死亡6 1 1 8 人，受伤1 5 5 0 1 人，造 成的直接财产损失达3 0 5 2 亿元【3 】。图1 2 为2 0 0 3 2 0 0 7 年间我国高速公路年统计死亡人数 与里程数的变化趋势图。 6 0 0 0 0 5 0 0 0 0 4 0 0 0 0 3 0 0 0 0 2 0 0 0 0 1 0 0 0 0 o 面一j a 三等罨 面。- 1 害5 3 3 百7 4 9 0 0 a 一石 一 一厶了j 2 0 0 3 年2 0 0 4 年2 0 0 5 年2 0 0 6 年2 0 0 7 年 年份 e i 噩甄酉疆蘑酹蓟匠三直垂至盘至壅蔓垂团 图1 2 我国高速公路死亡人数与里程数的变化趋势图 2 0 1 0 年公安部发布的最新道路交通事故统计数据表明：2 0 0 9 年全国高速公路交通安 全状况依然严峻，很多重特大交通事故都涉及到中重型载货车【4 】。以西汉高速公路( 二 连浩特至河口国道主干线陕西段) 为例，自2 0 0 7 年9 月3 0 日通车起，半个月里共发生交 通事故2 3 起，其中多数事故与大型运载车辆有关。2 0 0 9 年西汉高速公路交通事故依然频 发，5 月份共发生三起严重交通事故，均与中重型载货车有关。中重型载货车由于载重 量大，高速行驶状态下遇到长大下坡往往因刹车片过热而导致刹车失灵。此外，因疲劳 驾车或酒后驾车等违规行为导致车辆失控撞向路面防护设施的状况也时有发生。而高速 2 o o o 0 0 o 0 o 0 o o o o o 0 o o o 0 o o 7 6 5 4 3 2 l o 长安人学硕士学位论文 公路行车环境的特殊性决定了一旦有交通事故发生，很容易造成沿线交通大面积瘫痪【5 】， 特别在恶劣的气候条件下，单个车辆的事故往往引发多车参与的恶性交通事故。高速公 路在给人们出行带来便捷的同时，其存在的负面问题也不容忽视，发生在高速公路上的 大量交通事故严重威胁到交通参与者的人身和财产安全，同时也降低了高速公路的运输 效率。行驶于高速公路上的中重型卡车长期以来都是高速公路上的事故多发车型，该类 车能否安全行驶对高速公路的安全运营至关重要。 在由人、车、路及环境组成的交通系统中，多因素综合影响着道路交通安全。单就 道路而言，设置安全防护设施是提高交通安全水平的一种有效措施，常见的道路安全防 护设施包括护栏、路缘石、防眩板、分隔物等。在我国，针对道路安全水平的评定没有 统一的标准可依，在交通事故责任认定中也多考虑人和车的影响，而不太重视道路及路 上防护设施的安全性对交通事故的影响程度。高速公路由于行车环境的特殊性，一旦在 设计施工中存在安全隐患，产生的后续影响将难以估量，因此提高高速公路防护设施的 安全水平不失为一种有效的解决方法。从投入与产出的角度分析，道路安全防护设施的 造价一般低于道路总造价的5 ，对其进行改造是预防重特大交通事故最经济有效的一 种措施【6 】。目前，在我国大多数高速公路上，道路外侧靠近路肩的地方一般仅设置护栏， 而无路缘石，当车辆冲向路边时护栏可以起到拦截和缓和冲击的作用；中央分隔带处一 般同时设置有护栏和路缘石，路缘石位于护栏外侧，这种设置形式在一定程度上可以对 驾驶员起到警示作用【7 1 。统计数据显示，我国高速公路每年有死亡交通事故中约有三分 之一为车辆与路侧设施碰撞的单车事故。有研究结论表明：路缘石和护栏配合得当，可 以在一定程度上有效降低高速公路事交通事故的伤亡程度。本文以防护设施之一的路缘 石作为研究对象，进行碰撞分析。由于现实环境中不可能进行大量的实车碰撞试验，所 以本文运用机械系统动力学自动分析软件a d a m s ( c o m p u t a t i o n a ld y n a m i c s o f m u l t i b o d ys y s t e m s ) ，通过虚拟试验分析高速公路环境下三轴卡车与中央隔离带路缘石 的碰撞情况，比较高速公路施工标准中推荐的几种路缘石对行车安全的影响，并就路缘 石的设计与安装方式提出改进方案，以期降低高速公路上此类交通事故造成的伤害程 度，提高高速公路运输安全水平及运输效率。 1 2 国内外研究现状 a d a m s 是美国m d i 公司开发的机械系统动力学自动分析软件，也是目前最具权 威的动力学仿真软件，在国内外被广泛应用于航空航天、机械制造、交通运输、石油化 3 第章绪论 工等领域。a d a m s 的核心模块有v i e w 模块，p o s t p r o c e s s o r 后处理模块，c h a s s i s 底盘 模块，f l e x 柔性分析模块，c a r 轿车模块等1 8 , 9 。a d a m s 为设计人员提供了一个功能丰 富的操作平台以及二次开发环境。在交互式图形界面中，设计人员利用其中的零件库、 力库、约束库以及其它工具创建虚拟样机，模拟复杂机械系统的运动过程【9 】；在分析复 杂系统运动学关系和动力学关系时，a d a m s 以计算多体系统动力学为理论依据，结合 高速计算机实现对产品的仿真，试验的可重复性明显优于实体试验，设计人员可以在较 短时间间隙里观测到试验过程的全部历史，以曲线图的形式对仿真结果进行直观表达， 帮助设计人员及时发现并改进设计过程中存在的问题，大大缩短样机的设计开发周期， 降低该环节的费用。近几年，m d i 公司陆续推出了性能更加强大、功能更加完善的 a d a m s2 0 0 7 r 2 ，a d a m s2 0 0 8 r 2 1 0 ，1 1 】，目前在国内应用比较广泛的版本有a d a m s 2 0 0 3 、a d a m s2 0 0 5 r 2 。 a d a m s 在国外汽车行业的应用也是相当广泛的，美国曾经的三大汽车巨头在 a d a m s 的应用方面均投入了很多精力。在德国，b m w 是最早涉足a d a m s 并将其用 于车辆仿真分析的企业之一，早在1 9 9 4 年宝马公司就与美国m d i 公司合作对 a d a m s c a r 进行功能改进【1 2 ，1 3 ，14 1 。宝马一直致力于推动a d a m s c a r 的功能升级，直 到现在升级a d a m s c a r 依然是宝马进行底盘开发的一项战略。 目前，国内有很多汽车企业和科研院所以a d a m s 为平台开展与车辆相关的研究工 作。一汽、二汽、上海通用、上海大众、长安、奇瑞、北汽福田等在这方面的应用性研 究成果颇丰。上海大众以双横臂悬架为基础在a d a m s 环境下设计出了一种四杆式前悬 架，并对a d a m s c a r 进行二次开发得到新的四杆式前悬架模板和双扭杆复合式后悬架 模板，同时基于a d a m s v i e w 进行二次开发得到了a d a m s s v w 自动化建模仿真系统。 国内汽车自主品牌的代表奇瑞一直致力于汽车虚拟仿真的研究，下设的乘用车工程研究 院对a d a m s 的应用主要是基于该软件进行整车性能仿真试验，并结合实车碰撞试验进 行新车型的开发，在a d a m s 的应用方面投入很大。在国内，一些开设机械及汽车相关 专业的高等院校如清华大学、同济大学、西南交通大学、长安大学等以a d a m s 为基础 也进行了大量的理论性研究。鲍卫宁是比较早涉足该软件的研究者之一，其基于a d a m s 建立了某轿车的麦弗逊式前悬架动力学模型，分析了车辆跳动和转向时悬架各种参数的 变化特征，并提出了对悬架进一步优化分析的方法【”1 ；赵礼东将a d a m s 应用在油田重 型专用钻机上，对钻机底盘进行建模，评估一种新的后三桥平衡悬架对底盘性能的影响 【l6 】；张胜平以a d a m s 为平台建立了一个四轮小轿车模型，通过虚拟碰撞试验分析不同 4 长安人学硕上学位论文 形式中央分隔带对车辆的保护效果【7 l ：倪寿勇结合c a t i a 在m ) a m s 中建立了某型号 半挂车的钢板弹簧模型，分析板簧建模和板簧动特性的相关问题，总结了悬架在极限工 况下发生板簧运动干涉的原因，并给出了结构改进方案【l7 】；肖力军等人基于a d a m s 对汽 车底盘及悬架系统进行仿真，并对汽车前悬架部分参数进行优化，在仿真试验中适当增 加车辆侧倾中心高度从而实现了对车辆侧倾稳定性的改善f l8 】；董英娟基于a d a m s 对某型 号汽车的系统结构以及所受的振动激励进行分析，依据a d a m s 的路面生成原理开发了随 机路面生成软件，实现随机路面输入的汽车平顺性仿真【l9 1 。由此看见，a d a m s 在国内交 通运输领域的应用多以车辆为核心进行整车设计，分析车辆自身的操稳性、转向特性等， 在交通安全领域的应用性研究比较少，其中将车辆与道路防护设施结合起来的研究实例 就更少了。 长期以来，国外在研究道路防护设施与车辆碰撞问题时多以实车足尺试验为主，美 国、德国、日本的相关机构在这方面所做的大量试验都是针对车辆与护栏的碰撞问题。 国内相关机构就道路上的护栏形式与安全性进行的研究亦是以实车足尺试验为主，如周 炜等人通过实车碰撞试验分析碰撞过程中的动态响应，研究护栏、车辆和乘员的特性以 及相互间的作用关系；姚启明等人对防撞护栏的防撞机理进行了深入分析，给出护栏与 车辆碰撞过程中护栏所受碰撞力的计算表达式【2 0 1 。而张胜平是国内比较早地将交通设施 的安全性与虚拟样机技术a d a m s 相结合分析道路安全性能的研究者之，他将a d a m s 应用于车辆与高速公路中央分隔带的碰撞分析中，基于a d a m s 建立了l o 自由度四轮小 汽车模型和护栏、路缘石模型，在虚拟环境下对车辆与高速公路中央分隔带的碰撞进行 仿真；张娟继张胜平之后从这一角度作了进一步的分析论证【2 i 】；周晶以四轮小轿车和路 缘石为建模对象，在a d a m s n i e w 中进行碰撞试验，对多种路缘石的安全性能进行论证， 并在虚拟试验基础上对路缘石进行设计改进。 1 3 研究目的及意义 如何对高速公路上的基础设施进行改进，以提高高速公路的安全水平，一直是车一 路系统领域研究的重点课题。本文以高速公路防护设施中的路缘石为研究对象，以 a d a m s 为平台建立车辆和路缘石模型，针对高速公路上三轴卡车与路缘石的碰撞情形 进行仿真，分析各种路缘石的防护性能，并为优化设计打下基础，旨在为高速公路防护 设施的设计和安装提供参考。 目前，国内所使用的路缘石仍然沿用2 0 0 2 年中华人民共和国建材行业标准中对于混 第一章绪论 凝土路缘石制定的相关标准。该标准给出了若干类型的路缘石，其中部分类型在实际使 用中存在一些问题，对于这些路缘石的设计合理与否，也一直没有理论和实践的有力论 证。除此之外，实车碰撞试验的成本太高，耗时过长，在现实条件下通过实车试验研究 路缘石的防护性能可操作性不强。本文基于a d a m s 进行虚拟试验，得到了大量试验数 据，对现行标准中路缘石的设计理论进行论证，综合多种路缘石的合理之处进行设计改 进，从虚拟试验角度对路缘石的设计安装方式进行探讨，研究的可操作性强。所以本文 的研究内容与研究方法具有一定的现实指导意义。 1 4 论文组织结构及技术思路 1 4 1 论文组织结构 本文的组织结构如下： 第一章，绪论。介绍论文的研究背景，探讨了论文的研究意义，描述了论文主题的 国内外研究现状，并对论文进行了综述。 第二章，基于a d a m s 的卡车与路缘石模型。分析了在a d a m s 中建立整车模型和 路缘石模型的基本理论及建模的具体思路，依据相关简化理论，建立1 8 个自由度的三 轴卡车模型和六种路缘石模型，并对三轴卡车模型进行了有效性验证。 第三章，高速公路三轴卡车与路缘石的碰撞仿真试验。分析了a d a m s 所依据的碰 撞理论，给出了三轴卡车与路缘石之间碰撞试验的方案和路缘石安全性评价标准，通过 7 2 次碰撞试验分析几种路缘石的防护性能。 第四章，高速公路路缘石优化设计。在前一章试验结果的基础上对防护性能较好的 路缘石进行设计扩展，对扩展后的路缘石按照相同的试验方案进行分组对比试验，分析 扩展后的几种型号路缘石的防护性能。 第五章，结论与展望。对论文进行了总结性陈述，概括本文的研究成果与结论，对 研究分析中仍待改进之处进行了阐述，并对今后基于a d a m s 研究车路系统相关问题 提出了建设性意见。 1 4 2 技术思路 本文选择混凝土路缘石标准中具有代表性的六种路缘石h 1 型、r 1 型、f 1 型、t l 型、r a 3 型、r a 5 型进行碰撞试验。多数研究者在进行车辆与路边设施的碰撞分析时经 常选取1 5 0 的固定碰撞角度1 7 1 ，该研究方法在一定程度上反映了道路上车辆与路边设施 6 长安大学硕i ：学位论文 的部分碰撞情形。为了尽可能全面的考虑高速公路上车辆与路缘石的碰撞情况，本文在 1 0 0 3 0 0 范围内选取了三个碰撞角度，分别为1 0 0 、2 0 0 和3 0 0 。对于三轴卡车而言，其最 高设计车速一般低于小轿车，这也决定了行驶于高速公路上的三轴卡车在与路缘石发生 碰撞时车速的取值范围。本文结合所选车型的设计最高时速和高速公路限速值将试验车 速确定为6 0 k m h 、7 0 k m h 、8 0 k m h 和9 0 k m h 。为了尽可能准确模拟高速公路运行环境， 本文选择a d a m s2 0 0 5 r 2 v i e w 作为仿真平台，参照混凝土路缘石( j c 8 9 9 2 0 0 2 ) 国 家标准，建立三轴卡车模型及多种路缘石模型，将整车模型与道路环境结合起来进行分 析，模拟车辆以不同时速( 6 0 k m h ，7 0 k m h ，8 0 k m h ，9 0 k m h ) 、不同碰撞角度( 1 0 0 、2 0 0 、 3 0 0 ) ，与不同类型路缘石( h 1 型、t 1 型、r 1 型、r a 3 型、r a 5 型、f 1 型) 的碰撞。 利用a d a m s 强大的运动学、动力学分析功能对仿真试验得到的大量数据包括碰撞后车 辆质心的运动轨迹、车辆在水平面的速度及其他方向的位移和速度进行对比分析，论证 现有路缘石的防护性能，以论证结果为基础扩展路缘石的设计类型和安装方式，寻找出 导向性能和缓冲性能更好的路缘石，最终应用在高速公路上，以期降低车辆在偏离正道 撞向中央隔离带路缘石时发生翻车的几率。具体技术路线如图1 3 所示。 图1 3 技术路线 7 第二章基于a d a m s 的卡车与路缘石模型 第二章基于a d a m s 的卡车与路缘石模型 2 1 基于a d a m s 的三轴卡车模型 2 1 1a d a m s 建模功能实现概述 a d a m s v i e w 提供的交互式界面中包含有菜单、主工具栏、图形区和状态栏，建立 模型的过程主要用到主工具栏、工具包、菜单和一些对话框。另外，用户还可以通过直 接输入命令来代替相应的操作，使用主工具栏或菜单等操作实际上也是引发一定命令来 修改数据库的过程。v i e w 的主工具栏中包括几何建模工具包、运动副工具包、载荷工 具包、测量工具包以及视图控制按钮、仿真按钮、动画按钮等。另外，在v i e w 中有几 个常用窗口，包括信息窗口、命令窗口、数据库导航对话框、坐标窗口、函数构造窗口、 表格编辑对话框以及模块插件对话框【勿。 a d a m s 提供了非常丰富的函数，这些函数分为设计过程函数和运行过程函数两种。 设计过程函数用于建立仿真模型的过程中，帮助用户实现对模型的参数化设计，而运行 过程函数仅能用在仿真的计算过程中，依赖于模型仿真过程的时间或模型在仿真过程中 的状态，在一个仿真的进行过程中会随着时间或者状态的变化对应不同的值【2 2 1 。本文在 建模时用到了s t e p 函数，s t e p 函数分为设计过程函数和运行过程函数两种形式，分 别是s t e p ( a ，x 0 ，h o ，x l ，h 0 和s t e p ( x ，x 0 ，h o ，x i ，h i ) 。前者由数组a 的x 值生成点( x o ，h o ) 和( x l ，h 1 ) 之间的阶跃曲线，返回一个y 值数组，后者的x 为自变量。在v i e w 中一般选择时间t i m e 为自变量，函数值可作为位移、力、转矩、转速等的输入量。 2 1 2 三轴卡车建模理论 根据相关学者的研究结论以及现实操作经验，在a d a m s 中建立三轴车动力学模型 时无需对车辆上所有结构进行模拟，如可略去与本试验研究关系甚微的传动系统，并对 部件和部件之间的连接进行简化。如谢东等人在a d a m s 环境下卡车及悬架模板的建 立一文中对一个七吨载货车进行简化建模，经过转向盘角阶跃输入和稳态回转仿真试 验，验证了所建模型的正确性。诸如此类的研究结论均证实了这些简化方式可以比较准 确地反映实车的运动学和动力学特性，仿真结果与实际之间误差较小。本文所建的三轴 卡车动力学模型包括前后悬架系统、转向系统、车架、底盘、车桥及轮胎和路面。 在建模过程中对整车模型做了如下简化：1 ) 除轮胎和螺旋弹簧之外所有零部件均 简化为刚体；2 ) 零部件之间的所有连接均简化为铰链连接，忽略铰链内部间隙；3 ) 各 8 长安大学硕上学位论文 运动副之间的摩擦力不计；4 ) 前后悬架均采用独立悬架；5 ) 略去发动机的动力总成、 传动系统，将其一并视为簧载质量简化成刚体，用位于车辆质心处的小球表示，即代表 底盘c h a s s i s 2 3 。 三轴卡车悬架一般采用钢板弹簧悬架，本论文在建立整车模型时将悬架系统简化为 独立悬架，以螺旋弹簧代替钢板弹簧。目前，在a d a m s 中建立钢板弹簧悬架的理论有 以下四种：利用a n s y s 建立钢板弹簧有限元模型，生成带有m n f 后缀的模态中性文件， 将模态中性文件导入v i e w ，与v i e w 中其他部件进行连接【1 6 1 。利用v i e w 中自带的 d i s c r e t ef l e x i b l el i n k 功能将刚体离散成多个小单元块，每一小块视为一个刚体，块与块 之间通过b e a m 梁连接，而b e a m 梁的刚度矩阵和阻尼矩阵由a d a m s 软件根据钢板 弹簧的截面形状及材质自动计算得出，并通过a d a m s 提供的接触力定义各片钢板弹簧 之间的接触。在c h a s s i s 模块中建立钢板弹簧模型，再导入到v i e w 中【1 6 】。将钢板弹 簧简化成螺旋弹簧。第一种方法对a n s y s 中的建模有较高要求，对于使用者而言需要掌 握a n s y s 和a d a m s 两种软件，建模难度和工作量很大；如果使用第二种方法要得到足 够高的计算精度，就要将各片钢板弹簧离散成足够多的段，这样将大大增加整车模型的自 由度，导致仿真计算量增加，容易出现仿真失败【2 4 】；而在c h a s s i s 模块中建立钢板弹簧 模型需要具备足够的钢板弹簧尺寸参数，并且再导入到v i e w 中需要修改很多文件信息； 采用螺旋弹簧代替钢板弹簧可以降低仿真的工作量，该方法对钢板弹簧的尺寸参数要求 不多，可操作性强。本文按照第四种方法对三轴卡车的悬架系统进行简化处理，最终建 立的整车模型包括双横臂式前独立悬架模型、转向系统模型、后悬架模型、底盘及车身 模型、轮胎以及路面模型。 2 1 3 整车模型参数的获取 本文在建模过程中涉及到的参数包括整车模型参数和路缘石参数，而整车模型参数 又包括质量特性参数、几何特性参数、力学特性参数和外界参数，路缘石参数的介绍见 后文。获取车辆参数的途径主要有四种：1 ) 汽车厂家提供的数据；2 ) 运用a d a m s 自 动获取以及运用c a d 软件分析得到；3 ) 参照相关车型的c a d 图纸；4 ) 作图法获取。 本文所建立的整车模型多数几何特性参数参照了该车型的c a d 图纸，个别几何定位参 数通过作图法确定，多数零部件的质量特性参数在a d a m s v i e w 中根据其几何特征自 动获取，其他部件的质量参数参照厂家提供的数据以及运用c a d 软件分析获取。本论 文中涉及到的主要车辆参数来源于北汽福田欧曼b j 4 2 5 3 s m f j b s 3 半挂牵引车，其余部 9 第二章基于a d a m s 的卡车j 路缘石模型 分数据参考了与该车型相似度较高的解放c a 4 2 4 1 p 2 k 1 7 t 1 牵引车，最终选取的整车结 构和质量参数如表2 1 所示。 表2 1 车辆参数 结构参数 数值 单位 前轴与中轴的轴距 3 3 0 0n l l n 中轴与后轴的轴距 1 3 5 0m m 前轮距2 0 2 0n l m 双后桥轮距1 8 0 0 ，1 8 0 0 m m 前轴至簧载质量质心的水平距离 2 2 0 3 ( 空载) ，3 0 5 4 ( 满载) m m 最大允许轴荷 7 0 0 0 ( 前轴) ，1 8 0 0 0 ( x 叹后轴)k g 整车最大总质量 1 6 2 8 0 k g 整各质量 9 8 8 0 k g 轴数 3 汽车簧载质量 8 7 0 0 ( 空载) ，1 5 0 0 0 ( 满载)k g 整车满载质心高度 1 2 5 0m m 弹簧刚度 1 2 3 0n m m 轮胎半径 5 0 7m m 2 1 4 整车模型的建立 1 ) 创建设计点及底盘 本文采用标准的i s o 坐标制，x 轴负方向指向车辆正前方，y 轴正方向指向车辆左 侧，z 轴正方向指向车辆正上方，参照获取的车辆参数建立三轴车整车模型。首先在v i e w 中对界面的相关参数进行设置，如图2 1 和图2 2 所示，对单位和栅格的尺寸进行设置。 在v i e w 主工具栏中点击零件库中的，创建设计点“t r u c kc m ”，坐标为( 1 7 1 9 ，1 1 1 8 ，0 ) 。 点击零件库中的q ，在该设计点处创建半径为l o o m m 的球体，命名为c h a s s i s ，即底盘模 型。此球体的几何尺寸对整车模型没有实际意义，但其质量特征参数关系到车辆的动力 学和运动学特性，故需根据实际数据对球体的质量和转动惯量进行修改，如图2 3 所示。 1 0 长安人学硕士学位论文 、 u n i t ss e t t 踊sn w o r k f n 口b d5 时r 、郇，飞 rs h o ww o r k i n gg r i d 固 l e n g t h m i l l i m e t e r r e c t a n a u i a rp 。i a r m a s s k i l o g r a m ，xy s i z e 6 0 0 0 03 0 0 0 0 f o r c en e w t o n s p a c i n g( 钿m m ) ( 卯m m ) t i m es e c o n d c o l o r w e i g h - ，d o t sc o n t r a s t 1 一 a n g l e d e g r e e 7 ，a x e sc o n t r a g t ，1 ， f r e q u e n c y h e d z ， u ”。s c o “。a 。71 t r i a d s o l i d m m k sm k sc g si p s s e tl o c a t i o n 。 s a to r i e n t a t i o n o kc a n c e l o k a p p i y c a n c e i 图2 1 单位设置图2 2 栅格设置 ：r雠。督i鼬毋0 b o d y c h a s s i s c a t e g o r y m a s sp r o p e r t i e s 。一一一，二一，一一一， d e f i n em a s sb yu s e ri n p u t m a s s2 5 e + 0 0 4 i x x2 1 6 e 铟1 1 o c d i a g o n a lt e r m s l y y4 4 8 e 4 0 1 i 1 2 z4 0 b e 0 1 1 c e n t e ro fm a s sm a n ( e r c h a s s i s ，c m i n e r t i ar e f e r e n c em a 爪e r 目 耿酬y 妇n c e l 图2 3 设置底盘质量和转动惯量 2 ) 创建前悬架 前悬架采用双横臂式独立悬架，包括上横臂、下横臂、拉臂、转向节、主销、转向 拉杆等。建成的三轴卡车前悬架模型如图2 4 所示，其中连接上横臂和底盘的螺旋弹簧 的刚度和阻尼分别为1 2 3 0 n m m 和8 0 0 0 n s r a m ，如图2 5 所示。上横臂和下横臂分别与 底盘之间通过旋转副连接，上、下横臂分别通过球副连接主销，主销和拉臂之间通过固 定副连接，拉臂与转向拉杆之间通过球面副连接，转向节和对应的轮胎之间通过旋转副 连接，中间杆c e n t e r l i n k 和左右转向拉杆( l e f t t i e r o d ，r i 曲哂e r o d ) 之间通过胡 克副连接【2 5 2 6 1 。前悬架系统与转向系统的连接通过转向摇臂与中间杆之间的旋转副实 现，表2 2 给出了右前悬架使用的约束。 第二章基于a d a m s 的卡车与路缘石模型 ?呻搿，- ，蚝。圳o n m 甾，r m j a c h o nb o u y l n l i c r e 蛐o ne l o d yc h h m s 乳南e o oa n do = m l _ n 0 s t w ，sc o e m c i m1 2 3 0 0 d l m p c n gc 口坼c _ _锄0 l 哪”d p t h t p r o l d0 0 o h 帅l - r 畸mc d - - h df r m 嘶- p r o ) 8 p n 呻g r a p h n ：o n i f s l m s p e c l f i l d ， d a m p e r g r 卵h l co n i f o a