（载运工具运用工程专业论文）高速公路典型地形环境风下的行车安全研究.pdf

t h ei n f l u e n c eo ft h et e r ra i no n t h ew i n dv e l o c i t y d r i v i n gs a f e t yi nt h eh i l l ya r e a ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o s o u t h e a s tu n i v e r s i t y f o rt h ea c a d e m i c d e g r e eo f d o c t o r o fe n g i n e e r i n g b y p e n gj i a s u p e r v i s e db y p r o fl ix u h o n g s c h o o lo f t r a n s p o r t a t i o n s o u t h e a s tu n i v e r s i t y a p r i l2 0 1 o 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究_ t 作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：弋比日期：呈2i 垒：8 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电 子信息形式刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：师签名：丝日期：圣2 丝星：壁 摘要 摘要 侧风会改变行驶车辆的受力状态，使其受到的侧向力成倍增大，造成侧向失衡，导致车 辆侧翻或驶离既定道路。高速公路上车辆行驶速度较高，且某些特定路段会产生强烈的环境 风，更容易产生风诱交通事故。在高速公路风诱交通事故频发的背景下( 尽管一些事故产生 的原因是多方面的) ，研究高速公路典型地形对自然风的加强作用，探讨不同车型在环境风 作用f 的行车安全，是提升我国高速公路交通安全管理水平的内在需求，也是建立不同气候 条件下交通安全管理预警系统的理论基础之一，具有重要的现实基础和深远意义。本文从高 速公路环境风作用下保证车辆行驶安全的角度出发，以建立适合我国的风速预警系统为目标， 选取某特定m p v 车型以及高速公路典型地形为研究对象，对高速公路风诱交通事故易发点 的判定方法和环境风作用下的车辆最大安全行驶速度理论模型进行了探索性研究。 论文首先分析了环境风作用下的车辆行驶安全相关问题的历史演变规律，探讨了研究高 速公路典型地形的环境风作用下车辆行驶安全研究的方法和思路。同时，对高速公路典型地 形下的环境风分布规律、路面不平度对车辆的激励以及“风车路”仿真环境等问题的研究 方法进行了深入探讨。 接着，利用空间儿何学原理和计算流体力学理论构建了高速公路高架路段和山谷路段的 f l u e n t 模犁；遵循由浅入深、由易到难、由特殊到一般的规律，先后研究了孤立山体、 孤立山谷和多山谷组成的典型地形周同的环境风分布规律；分析了环境风极人值点的出现位 置，探讨了各极大值点的环境风速等关键性指标与地形特征值、入射风速、入射角度等影响 因素之间的关系，得到了高速公路典型地形对自然风的加速率与各影响冈素之间关系的数学 模型。 其次，基于多体动力学软件a d a m s ，建立了以某m p v 实车为原型的虚拟样机模犁； 建立了基丁快速傅里叶变换理论的三维路面不平度模型，并基于三角网格理论和空间几何学 原理，创建了生成三维路面文件的通用模型，包括：常点的生成和单元生成算法，导入形成 a d a m s 所需的三维路面仿真环境；采用基于离散风压中心的方法，模拟了侧风对车辆作用 的作用，并导入a d a m s 形成侧风条件，与车辆模型、路面不平度模型共同组成了“风车 路”的系统仿真环境。并使用日本t m l 公司的“s 1w - n d a ”六分力测量仪器，采用对比 m p v 车辆右前轮胎所受六分力的道路实验方法，证明了该虚拟样机模型的正确性。 再次，经过理论分析确定了该m p v 车辆保持安全行驶所允许的最大侧偏距离阂值；使 用正交试验方法对上述m p v 虚拟样机进行仿真实验，确定了车速、风速、天气、路面等冈 素对车辆行驶安全影响的重要度；再接下来以晴天为例，通过仿真实验得到了该车侧偏距离 与行驶车速及所受侧风之间的关系，并采用理论推导方法和神经网络方法建立了车辆行驶侧 偏距离与车速、风速关系的数值模型。 最后，在融合前文研究结论的基础上，分别使用理论推导方法、神经网络方法建立了风 诱交通事故易发点的辨别方法和高速公路环境风作用下的车辆最大安全行驶速度模型；并以 此为理论依据，提出了符合我国国情的高速公路风速预警系统应当具有的特点、功能和结构 特征，并探讨了建设基于g p s 和g s m 网络的环境风预警设备的思路。 关键词：交通安全管理；高速公路典型地形；环境风；虚拟样机；路面不平度；环境风预警 系统； a b s t r a c t a b s t r a c t t h ev e h i c l e si nh i 曲v e l o c i 田m i 曲ts l i d eo rb e e nb l o w no v e rw h e nt l l e ym e e tw i lc r o s s w i n d w h i c hw o u l dm a 鲫i 母l el a t e r a lf o r c eo fv e h i c l 锱m 锄yt i m e s b o t ht h ev e h i c l e s h i g hv e l o c 时 a n dt l l et e m i n 锄p l i f i c a t i o no fw i n ds p e e di ns o m es e c t i o n so ff r e e v 旧ya r en l em a i ns i g n i f i c a n t c o n 仃i b u t et o 、访n d r e l a t c da c c i d e n t s t bi m p r o v en l e 仃a m cm a n a g e i i l e n tl e v e l ，廿1 e 锄p l i f i c a t i o n e f f to nw i i l ds p dc a u s e db yt e m i i lc o n d i t i o n 锄dt h ev e h i c l e s “v i n gs a f e 婶c h a r a c t e r i s t i c s u n d e rn l ee n e c to ft e r r a i l lc r o s s w i n ds h o u l db es t i l d i e d c o n s e q u e n t l y ，ac e n a i nm p v m i c l ew a s c h o s a st h er e s e a r c ho b i e c tt os t i l d yt oo b t a i nt 1 1 em a x i m a ls a f e “v i n gs p e e dm o d e la n dt h e j u d g m e n tm e t h o do ft h es p o tw h e r ew i n d - r e l a t e da c c i d e i l t sf - r e q u e n t l yh a p p e n f i r s t l y p r o b l 锄sr e l a t e dt on l e “v i n gs a f e 付c h a m c t 甜s t i ca n dt h et e c h n i c a lr o u t eo f s t t l d 弧n gt l l ed r i 、，i n gs a f e 时c h a m c t e r i s t i cu n d 盯m ee 仃e c to ft l l ec r o s s w i n dc a u s e db yt l l et y p i c a l t 锄i no nt h ef h e w a yw e r ei n 仃d d u c e d m e a n w h i l e ，p 】o b l 伽ss u c ha sl ed i s t r i b u t i o n c h a r a c t 舐s t i co ft e m i nc r o s s w i n d ，t h er o a di n e g u l 撕钾e x c i t a t i o nt o w a r d sv e h i c l ea n dm em e m o d t oe s t a b l i s h m e n tt h e “w i n d v c l h i c l e r o a d ”s y s t 锄，a r ed i s c u s s e dd e 印l y s e c o n d l y ，c o n s i d e r i n gt l l es p a t i a lg e o m e n yp r i n c i p l ea i l dt h ec o m p u t a t i o n a ln u i dd y n 锄i c s t l l e o r y e l e v a t e d 锄d l l e y 行w a ys e c t i o n s 、耽鹏b u i l ti i l t 0f l u e n tm o d e l st 0f i n do u tt h e d i s t r i b u t i i l gc h a 豫c t e f i s t i c so ft l l ec r o s s w i n dc a u s e db yt h e 帅i c a lt e n a i n t h es i i n u l a t i o ni e s u l t s m e 他l a t i o n s h i pb e m nt l l et e n a i l lc r o s s 、衍n ds p e e d s ，m et e r 翰j nc h a m c t 嘶s t i c s ，m ei i l l e tw i n d 柚g l e sa n dn l ei i l l e tw i i l ds 矾 e d s b e s i d 部。t l l em o d e lo fa c c e l e m t i o no nt h em a ) 【i m a lt 眦a i l l c r o s s w i n ds p e e ( 1 sc o u l da l s ob ed m 、n6 0 mt l l es i m u l a t i o nr e ：s u l t s 1 1 1 i r d l y ，b a s e do nac e r t a i nm p vv e h i c l e ，a 、，i r t l l a lp r o t o 帅ew 够c 咒a t e di i lt l l ea d a m s e i l v i r 0 姗e n t 1 1 1 e na3 df f rs t o c h 鹬t i cr o a dm o d e lw a se s t a b l i s h e db a s e do nm es i n g l e - p o i n t f f tm o d e l ，t l l 即m es i i i m l a t i o nr c s u l tw 嬲g a i l l e db ym a t l a b w h a t sm o r e ，b a s e do nt h et h e o 珂 o ft r i a n g l en e 咐o r l ( ，ag e n e r a l3 dv i r t i l a lr o a dm o d e lw i mt l l ea r i n l i n e t i co fn o d e sa n de l e i l l e n t s w 弱c r e a t e d t h e nas p e c i f i e d3 d 啊r t u a lr o a df i l ew a si m p o r t e di n t 0a d a m st 0f o mm e3 一d 、，i r t l l a lr o a d a r e rt h a t ，am e t h o db 鹬e do nt l l et 1 1 e o r yo fd i s c r e t ep r e s s u 陀c t e rw a sa p p l i e dt o s i n l u l a t et l l ef o r c e sa c t i i l go nm ev i 出i c l ec a u s e db yt l l ec r o s s w i n di na d a m s t h ew i n df o r c e ，t l l e 、，i r t i l a lp r o t o t y p ea n dn l e3 dv i r t u a lr o a dm o d e lm a k eu po ft h e “w i n d v b h i c l e r o a d ”s i m u l a t i o n s y s t e m a ti 嬲t ，ar o a dt e s te q u i p p e dw i t ht h e “sl “n d a ”s i x - c o m p o n tw h lf o r c e 仃a n s d u c e r w 勰m a d et op r o v en l ec o 盯e c t i l e s so ft l l es i m u l a t i o ns y s t e i l l f o u r t h l y ，t l l l o u 曲t 1 1 et l l e o r e t i c a la n a l y s i s ，l ea l l o w e dm a x i m a ll a t e r a ld i s p l a c e m to ft h i s c e n a i nm p vv e h i c l ew a sd e t e n n i n e d t h e no n l l o g o n a lt e s t sw e r ea p p l i e dt oa c q u i r et h e i m p o r t 锄c eo ff a c t o r ss u c h 嬲v e h i c l es p e e d ，w i n dv e l o c i t mw 朗t l l e r ，r o a dc o n d i t i o n ，t o 、) l ，a r d st 1 1 e d r i 订n gs a f e 咄a f t 盯t h a t ，i i lm ec o n d i t i o no fs u nd a ms i m u l a t i o nr e s u l t sw e 佗c a 币e do u tt 0 c o n c l u d et l l er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt l l el a t e r a ld i s p l a c 锄e n t ，t l l ev e h i c i es p e e d 锄dt l l ew i n d v e l o c i t y a sar e s u l t ，t w ok i n d so fm o d e l sa b o u tt h el a t e r a ld i s p l a c 锄e n ta n dt l l ev e h i c l es p e e da n d m ew i n dv e l o c i t yw e c a t e db yu s i n 2m et l l e o r e t i c a ld 甜v a t i o nm e 廿1 0 d 锄dt l l en e u r a ln 酿o r k m e t h o ds e p a r a t e l y f i n a l l y b 勰e do nt i l e 血s i o no ft l l ec o n c l u s i o n sm e i l t i o n e dd b o v e ，t h em a x i i n a ls a f ed r i v i n g s p e e dm o d e l 锄dt l l ej u d g m 铋tm e m o do fn l es p o t 、】l ，h e 他w i n d r e l a t e da c c i d t s 眈q u n yh a p p w e r ec r e a t e db yu s i n g l et l l e o r e t i c a ld 酣v a t i o nm e m o d 锄dn l en e u r a ln e 细o r km e t l l o ds 印a r a t e l y t a l ( i n gt l l e s em o d e l sa n dm e t l l o d s 鸽t 1 1 et l l e o r e t i c a lb a s i s ，m ec o n f i g l l r a t i o na n d 如n c t i o no ft e r r a i l l c r o s s w i i l de 砌y - w 锄i i l gs y s t 锄sf - 0 r 丘e e w a yi i lc h i n aw e 陀酉v t m b e s i d 骼，ak i n do fe q u i p m e n t b a s e do nn l eg p s 锄dg s mn e t 、) l ，0 r kw a sd e s i 鲫e dt om m i i l dt l l e “v e 璐o ft h et e 册i nc r o s s w i n d 1 ( e yw o r d s ：舰伍cs a f e t ) rm 觚a g 锄即t ；咖i c a ls e c t i o no ft h e6 优w a y ；t e n a i nc r o s s 讹d ；、，i 1 1 1 l a l p r o t o t y p e ；r o a di n e g u l 耐t ye x c i t a t i o n ；t e m l i i lc r o s s w i i l de 砌y - w 锄i i l gs y s t e m s ； 1 1 目录 目录 中文摘要i a b s t l a c t i i 第1 章绪论l 1 1 立题的背景及意义l 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 风荷载的模拟2 1 2 2 复杂地形环境风的研究3 1 2 3 车辆一路面系统的建模与仿真3 1 2 4 侧风对交通安全影响的研究一4 1 2 5 行车安全的保障措施6 1 2 6 风速预警系统在交通领域的研究应用7 1 2 7 国内外研究小结8 1 3 研究思路、方法与技术路线9 1 3 1 研究思路9 1 3 2 研究方法1 0 1 3 3 技术路线l l 1 4 主要研究内容一1 1 1 5 本章小结1 2 第2 章环境风对行车安全影响的研究方法一1 3 2 1 典型地形环境风的研究方法。13 2 1 1 典型地形的确定1 4 2 1 2 山体特征的描述1 5 2 1 3 风速的数值模型1 6 2 1 4f l u e n t 仿真环境构架l7 2 1 5 模型检验问题1 7 2 2 路面不平度对车辆作用的研究方法18 2 2 1 常用路面不平度单点激励模型。1 8 2 2 2 三维路面不平度激励模型的发展一19 2 2 3 模型检验问题1 9 2 3 车辆多体动力学建模方法1 9 2 3 1 概念介绍2 0 2 3 2 “风车路”仿真环境的构建方法2 l 2 3 3 模型检验问题2 1 2 4 本章小结2 2 第3 章典型地形下的高速公路环境风研究2 3 3 1 孤立山体对环境风的增强作用。2 3 3 1 1 坡度对孤立山体周同环境风的影响2 3 3 1 2 入射风速大小对山体周围环境风的影响2 9 3 1 3 山体尺寸对其周围环境风的影响3 3 3 1 4 三维孤立山体周围环境风研究3 6 3 1 5 结论4 2 东南大学博士学位论文 3 2 山谷地形对环境风的增强作用4 3 3 2 1 山体间距对山体周同环境风的影响。4 3 3 2 2 山体尺寸对山谷周围环境风的研究4 7 3 2 3 风速的入射角度对环境风的影响。4 9 3 2 4 结论5 2 3 3 复杂地形周围环境风研究5 2 3 - 3 13 座山体组成的复杂地形5 2 3 3 24 座山体组成的复杂地形5 8 3 3 3 结论6 2 3 4 典型地形环境风的数学模型构建6 3 3 4 1 山体顶端最大风速加速率模型6 3 3 4 2 山体下游最大风速加速率模型。6 7 3 4 3 山体下游最大风速加速率出现位置模型7 0 3 4 4 结j 沧7 2 3 5 本章小结7 2 第4 章“风一车一路”仿真环境建模7 3 4 1 车辆多体动力学模型的构建7 3 4 1 1 坐标系的选择及单位设定。7 4 4 1 2 创建底盘模型一7 4 4 1 3 前桥及前悬架模型7 4 4 1 4 转向机构模型7 5 4 1 5 后悬架模型7 6 4 1 6 轮胎模犁7 7 4 1 7 外观模型一7 8 4 2 三维路面不平度时域模型的建立7 8 4 2 1 常用非三维路面不平度时域模型一7 8 4 2 2 基于f f t 方法的三维随机路面建模8 4 4 2 3a d m s 中三维路面通用模型构建8 6 4 2 4a d a m s 虚拟样机仿真算例8 8 4 2 5 结论8 9 4 3 侧风对车辆作用的等效模拟8 9 4 3 1 概念解释8 9 4 3 2 风压中心位置的模拟9 0 4 3 3 侧风对车作用的模拟9 2 4 3 4 方法的正确性检验9 3 4 4 “风车路”系统模型的正确性验证9 4 4 4 1 仿真模型正确性的道路实验验证9 4 4 4 2 车辆模型的侧风稳定性检验1 0 3 4 4 3 小结一1 0 5 4 5 本章小结10 5 第5 章侧风作用下的高速公路行车安全实验1 0 7 5 1 高速公路车辆行驶的安全阂值1 0 7 5 2 高速公路行车安全的影响因素重要度分析1 0 8 5 2 1 正交试验介绍1 0 8 u 目录 5 2 2 影响冈素确定1 0 9 5 2 3 影响因素分析的正交试验1 1 l 5 3 高速公路行车安全速度阂值建模研究l1 3 5 3 1 建模实验条件设定11 3 5 3 2 晴天行车安全模型构建1 1 4 5 4 本章小结l l8 第6 章基于环境风的高速公路交通安全管理1 1 9 6 1 研究思路l l9 6 2 高速公路环境风作用下的车辆最人安全行驶速度研究1 2 0 6 2 1 车速和环境侧风、车辆特征参数之间的关系1 2 0 6 2 2 高速公路高架路段的车辆最大安全行驶速度研究1 2 1 6 2 3 途经山体卜游高速公路路段的车辆最人安全行驶速度研究1 2 2 6 2 4 分车型和天气的最大安全行车速度研究1 2 2 6 2 5 小结1 2 3 6 3 风诱交通事故易发点的辨别方法1 2 3 6 3 1 理论推导方法1 2 3 6 3 2 神经网络方法1 2 4 6 3 3 小结1 2 5 6 4 高速公路环境风预警系统建立1 2 5 6 4 1 国外先进的高速公路天气信息系统介绍1 2 5 6 4 2 建立适合我国国情的高速公路环境风预警系统1 2 7 6 4 3 环境风预警设备的构建设想1 3 3 6 5 本章小结1 3 5 第7 章结论与展望1 3 7 7 1 论文研究的主要内容及结论13 7 7 2 论文的主要创新点1 3 8 7 3 需要进一步研究的方向l3 8 参考文献一l3 9 攻读博士学位期间发表论文及参与科研情况一1 4 7 i i i 第l 章绪论 1 1 立题的背景及意义 第1 章绪论 随着我国高等级公路和高速公路的大力兴建，各类汽车实际行驶速度得以人人提高，对 汽车高速行驶的性能研究也日益重要。汽车高速行驶的稳定性和安全性的研究是目前国外汽 车领域中的前沿研究方向，针对不良天气下的车辆高速行驶安全研究则是其中重要一块。 不良天气对交通安全的影响土要有四种形式【1 】：一是降低车辆和道路之间的附着力( 在 雨、雪、路面结冰等天气下) ；二是降低能见度( 雾、雪、暴雨和沙尘等天气) ；三是改变了 汽车的受力状态，使车辆受的侧向力成倍增人，造成行车过程中的侧向失去平衡，导致侧翻 ( 在强侧风横风天气下) ；四是对驾驶员心理的不良影响。其中，对强侧风天气下的交通安 全研究已日益成为国内外的热点。 图1 1 风诱交通事故图片 我国的交通安全形势十分严峻，且近年来尤为突出，交通事故死亡人数居高不下。依据 中国统计年鉴2 0 0 9 ，仅在2 0 0 8 年一年间就发生全国共发生道路交通事故2 6 5 2 0 4 起，造 成7 3 4 8 4 人死亡、3 0 4 9 1 9 人受伤，直接财产损失1 1 亿元。统计表明，在这些交通事故中， 相当部分是由于高速行驶的汽车受侧风影响产生了非稳态转向，驾驶员或难以及时或没有足 够的经验消除侧风的影响而产生不正确的反应，致使汽车行驶稳定性失控所造成的。由侧风 ( 义称“横风”) 诱发的交通事故称为风诱交通事故。 与其他交通事故相比，风诱交通事故有着明显的特点【2 】。 ( 1 ) 后果更严重。从造成人员死亡或丧失行为能力的事故数量的百分比来看，风诱交 通事故比非风诱事故要分别高出约7 0 ，造成非丧失行为能力的严重事故比例也要高出2 0 ， 而只造成轻伤或物品损坏的事故的事故百分比，则是非风诱事故更多一些。 ( 2 ) 表现形式更突出。风诱交通事故的表现形式主要为车辆驶出原有车道或被风吹至 倾翻，这两种情况所占比例超过8 0 ，发生比例高出非风诱事故4 5 倍。 ( 3 ) 发生地点特殊。风诱交通事故的总量并没有非风诱事故多，但在特定路段却并不 少。风诱交通事故多发生在某些特定地点，特殊的地形特征使该点形成较强的环境风，继而 诱发交通事故。 ( 4 ) 大风季节更易诱发风诱交通事故。在y a q u i n ab a yb d d g e ，1 9 9 7 年至2 0 0 4 年之间， 大风季节的平均事故发生率为1 3 5 1 4 m i l l i o nv m t ，而全年总体平均事故率为o 8 0 4 3 m i l l i o n 们，说明侧风会显著提升交通事故的发生率。 风诱交通事故后果非常严重，具体来说主要有四个方面。包括给车辆、货物、道路等带 来损害，造成人员伤亡，造成车速下降、道路封闭等交通延误以及显著的经济损失，以美国 东南大学博士学位论文 蒙大拿州的统计数据为例【3 】，每件风诱交通时间造成人员受伤时将消耗1 8 ，0 0 0 美元，造成人 员死亡时将消耗3 0 ，0 0 0 美元，而以i 8 0 公路段为例，由于风诱交通事故导致的路段封闭将 造成每小时l ，0 0 0 ，0 0 0 美元的损失。 汽车在行驶过程中如果受到较强侧风的作用，可能发生侧滑、倾翻等安全问题。从侧风 对车辆行驶安全性的影响来看，6 级以下侧风对以法定速度行驶的车辆影响较小，而随着侧 风的增强和车辆行驶速度的增加，汽车的行驶安全性会受到极大的威胁。当汽车通过有地形 变化的道路时，如峡谷或山脉的隘口，其风速甚至会达到周围风速的l o 倍左右，因而会形 成激烈的环境风；某些公路的路段往往高出周围的乡野，这种地形结构义会引起局部路段的 风速增大，也会形成强烈的环境风；车辆会车、超车、队列时，亦可能形成较强的环境阵风。 国内外学者对复杂地形的环境风研究，多为山体对风场的影响、桥梁抗风、山区建筑选址等， 直接针对高速公路路段途经的典型地形环境风的研究还较少。 从交通安全管理措施来看，我国对不良天气条件，尤其是大风条件下的交通安全管理与 控制方面的研究还较为滞后，缺乏相应预警机制，应对措施也多以静态的信息提示、关闭高 速公路等被动防御方式为主，手段较为单一，实时性和可读性不强，管理效果不好；同时， 也缺乏对驾驶员系统的行车安全教育，造成出行者在遭遇危险时的应变不足。以上问题直接 影响高速公路运输生产的安全、经济和效率。 近年来我国交通设施不断完善、公路等级不断提高、汽车_ t 业飞速发展，以及车辆设计 速度不断提高等冈素增加了风诱交通事故发生的几率，故探讨、制定相应的交通安全管理措 施，提升高速公路环境风作用下的行车安全管理水平成为亟待解决的课题。风诱交通事故发 生位置具有的特殊性和相对确定性，使得研究高速公路上的风诱交通事故黑点的产生机理， 减小或控制风诱交通事故发生率，制定相应交通安全管理策略，提升高速公路交通安全管理 水平成为可能。 1 2 国内外研究现状 按照国际风r t 程协会的定义，风上程学科主要研究“大气边界层中风与人类在地球表面 的活动及其劳动成果之间的相互作用”，具体包括结构风上程、载运工具风工程以及环境风 丁程三人分支m 。本文的研究的汽车行驶过程中受到的侧风作用属于第二类。 1 2 1风荷载的模拟 目前，工程问题中的风绝人多数可以看作平稳高斯随机过程【5 】。平稳高斯随机过程的模 拟方法可以分为三人类【6 】：谐波叠加法、线性滤波法和小波分析方法，这些方法主要体现风 的脉动特性和时空相关性。 谐波法基于三角级数求和，王之宏【7 】通过谐波叠加法将脉动风速时程模拟为平稳高斯随 机过程；曹映泓【s 】等给出了风谱c h o l 伪k y 分解的显式表达式；阎石等1 9 j 应用谐波叠加法得到 了特定风谱的功率谱密度和相关函数；张冬兵【i o 】、马麟等【l l j 分别利用f f t 算法和l a g 砌g c 插值方法改进谐波合成法。 线性滤波法基于线性滤波技术，也称为时间系列法。o 硼l 等【1 2 】采用a r 时间系列建模 方法模拟平稳随机风荷载，用于斜拉桥的风振响应分析。王修琼和张相剧1 3 j 基于多维a r 算 法提出混合回归模型；舒新玲，周岱【1 4 】提出采用a r 模型模拟节点随机脉动风速时程的快速 实现方法；王建平【l s 】探讨了a r 模型方法实现考虑空间相关性影响的水平脉动风荷载的模拟 2 第l 章绪论 方法。 小波分析方法是f o 面e r 分析思想的发展与延拓，能够快速、准确地提取样本的局部谱 密度特征。国外学者已将小波变换应用于风振分析【1 6 】【1 7 】【l 引，模拟非平稳随机风荷载、处理局 部效应等。我国学者【1 9 。2 ，】多使用小波技术对模拟的风速时程进行时频分析，用小波系数描述 风速信号特性，对大跨空间结构风进行模拟。 对风机理的研究，以及最终得出的数学抽象，是构成流体力学软件的基础与核心。 1 2 2复杂地形环境风的研究 国外学者多基于计算流体力学软件对复杂地形的环境风进行仿真研究。国内有关于山区 地形环境风的研究，多为山体对风场的影响、桥梁抗风、山区建筑选址等，以数值模拟方法 为主，并通过现场实测及风洞实验验证模拟结果。 y 0 s h i h i s am a l l i ”m a 等【2 4 j 指出在强风下，高速公路上的大跨度桥、有高桥墩的桥等特定 建筑有聚风性，增加驾驶员的操控难度：r a 舯a rs i 曲i 6 m s s o n 和j 6 n 嬲t h 6 rs n 霉b i 6 m s s o n l 2 5 j 指出，在冰岛由风引发的交通事故大多发生在那些地形特征将风力放人的地区，譬如狭窄的 海湾等地；葡萄牙波尔图人学的a m 肌r i z i 等人【2 6 】采用k - 模型及三维的非正交网格系统， 数值模拟了海拔高度为1 0 0 0 m 的一块山体的风场，给出离地面3 0 m 高度处的风速分布情况； 日本九州人学t a k a l l o 打u c h i d a 和y u j io h y a l ”】基于大涡模拟方法，采用5 0 m 间距的网格模拟 9 5 l ( 1 t l 5 l ( i l l 的山地地形的非稳态风场。 覃掣2 8 】基于实测资料，分析了山谷风的时空变化规律；陈平【2 9 】应用f u j e n t 软件建立 二维及三维典型地形模型，讨论了不同高度、不同坡度的孤立山丘及山谷在不同风向角情况 下的风场流动特性：庞加斌【3 0 】通过山区基本风速分析、四渡河峡谷地形模型风洞实验以及 气象资料和实测风速数据分析，探讨内陆山区深切峡谷人桥桥位的风特性问题；李朝1 3 l j 建 立了某山地地形三维风场模型，采用f u j e n t 数值模拟了两种风向下，该地形流场的风速 和风向分布；胡蜂剧强j 基于f l u e n t 平台实现对山区地形风特性的c f d 数值模拟，并通过 桥位风观测分析，探索了典型山区桥址风场分布规律。 1 2 3车辆一路面系统的建模与仿真 研究“车辆一路面”相互作用的方法主要包括道路实验法和虚拟样机仿真实验法等。从 实验成本、可操作性、可重复性等多方面看，仿真实验无疑都具有显著的优势，它在交通安 全、车辆丁程等生产、研究领域日益成为最为主流的研究方法，道路实验则是验证虚拟样机 仿真模型正确与否的重要手段。在虚拟样机仿真实验中，路面对车辆的激励作用通常以路面 不平度指标来体现。 ( 1 ) 虚拟样机技术 目前国外采用功能化虚拟样机( f 、伊) 技术并协同道路动载响应动力学建模来研究“车辆 一道路”的相互作用已成为未来的一种发展趋势3 3 】【3 4 】【3 5 】。国内学者任卫群等3 6 】f 3 7 1 采用功能 化虚拟样机和计算机辅助控制系统设计技术进行联合仿真的方法进行“车一路”系统动力学 的研究和主动悬架控制系统的设计；王国权、余群等【38 】建立了详细的数字化功能样机，进 行汽车平顺性的虚拟实验研究。 ( 2 ) 路面不平度 国内外学者对汽车平顺性的研究在近些年取得了长足的进步。仿真模型的发展经历了线 性到非线性、频域到时域、一维到三维、数学模型到仿真输出的过程。 3 东南人学博1 ：学位论文 关于路面不平度的模拟，国内外许多学者进行了大量研究，但多数局限于单轮胎、单轮 辙或双轮辙模型的研究，其中主要的方法有：( 1 ) 谐波叠加法；( 2 ) 线性滤波法； ( 3 ) 小波分析法。 c e b o n 及n e w l a l l d 【3 9 】提出了的f f r 反变换路面随机激励时域仿真算法，本质是谐波卺加 法；张永林【删随后将其拓展为双轮辙模犁，并提出用m 方法对其进行改进；徐延涮4 2 】提 出了基于谐波叠加法的三维路面模型；彭佳 4 3 】、何杰m 】对白噪声法、谐波叠加法、f f l 法、 a r a r m a 法4 种模型在指定环境下的效率与结果进行了仿真分析和比较。 常见的线性滤波法包括白噪声法和a r a r m a 法等。檀润华等【4 5 】在国内率先提出了基 于白噪声方法的单点时域模型；张永林【4 6 则在此基础上将白噪声模型拓展到多点单轮辙和 多点双轮辙领域；唐光武、成思源【47