硕士论文-基于adamscar的汽车通过减速带时的平顺性及行驶安全性研究.pdf

分类号：U 2 7 ；U 4 6 1 0 7 l O 0 6 2 2 0 9 9 5 涟爹太津 硕士学位论文 基于A D A M S C A R 的汽车通过减速带时的 平顺性及行驶安全性研究 任玉晓 导师姓名职称余强教授 申请学位级别工学硕士学科专业名称车辆工程 论文提交日期 2 0 0 9 年5 月2 2 日论文答辩日期2 0 0 9 年5 月3 0 日 学位授予单位长安大学 答辩委员会主席 学位论文评阅人 刘晶郁教授 刘晶郁教授 崔选盟教授 两斐 路面减速带是安装在道路上目前广泛使用的道路强制控速设施，对于减缓车辆的行 驶速度、减少交通事故的发生有着良好的效果。目前，减速带在道路中得到了广泛的使 用。但现实中的减速带产品种类繁多，参差不齐，对于不同限速道路上的减速带的选择 仍不明确。因此有效和安全的使用路面减速带可以大幅度的减少由超速引起的交通事 故，有效地保障交通安全，对于道路行车安全具有重要的意义。 本文通过分析车辆通过路面橡胶减速带的实际为车辆受到路面脉冲输入的过程， 选取了轮荷冲击系数和车身加速度作为评价车辆通过路面减速带响应的指标。 基于多体系统动力学软件A D A M S C A R ，通过修改模板参数及关键点位置，建立前 悬架系统、转向系统、后悬架系统、制动系统、动力传动系统、车身、轮胎等子系统， 组建整车模型，并根据实际情况建立了包含路面减速带的用于虚拟仿真分析的B 级路 面。 在A D A M S C A R 中进行3 Dr o a d 整车仿真分析。并在后处理模块 A D A M S P o s t P r o c e s s o r 中获得分析所需的数据及曲线。分别针对路面减速带的横断面轮 廓形状，减速带的宽度和高度对样车进行了虚拟仿真试验。 基于仿真试验所获得的试验数据，以车身垂向加速度和轮荷冲击系数为评价指标， 首先对三种典型的横断面轮廓曲线的减速带对车辆通过时的平顺性和行驶安全性的影 响进行了比较分析，然后分别对减速带的宽度和高度对车辆的影响进行了分析。 论文得出了在不同道路限速条件下应该如何合理的选择减速带的横断面轮廓和减 速带的宽度及高度，对于路面减速带的应用具有一定的指导意义，对于减少道路交通安 全事故，提高车辆的行驶安全性具有重要的意义。 关键词：汽车；A D A M S C A R ；仿真；减速带；平顺性；安全性；控制车速 A b s t r a c t P a v e m e n ts p e e d c o n t r o lh u m pw h i c hi si n s t a l l e do nt h er o a di sc u r r e n t l yw i d e l yu s e da s o n eo ft h ec o m p u l s i v es p e e dc o n t r o lf a c i l i t i e s T h eh u m pc a l ls l o wt h es p e e do fv e h i c l e sa n d r e d u c et h eo c c u r r e n c eo ft r a f f i ca c c i d e n t s A tp r e s e n t ，t h es p e e d c o n t r o lh u m pi sw i d e l yu s e d o nt h er o a d sa r o u n dt h ew o r l d H o w e v e r ，t h es p e e d - c o n t r o lh u m p SP a r a m e t e r si sv e r yr a n d o m ， i t Sn o tc l e a rt oc h o o s et h eh u m po nd i f f e r e n tr o a d st h a th a v ed i f f e r e n ts p e e dl i m i t T h e e f f e c t i v ea n ds a f eu s eo fs p e e d - c o n t r o lh u m pc a nr a d i c a l l yr e d u c e sa c c i d e n t sc a u s e db y o v e r s p e e d ，e f f e c t i v e l yp r o t e c t st h et r a f f i cs a f e t y , i si m p o r t a n tf o rt h er o a dt r a f f i cs a f e t y B ya n a l y z i n gt h ep r o c e s st h a tv e h i c l e sc r o s s i n gs p e e d c o n t r o lh u m p ，t h ep r o c e s si si n f a c ta st h ev e h i c l e sr e c e i v ep u l s es i g n a l sf r o mt h er o a d S e l e c t e dt w op a r a m e t e r st oa p p r a i s e t h er e s p o n s e sw h e nt h ev e h i c l ec r o s st h eh u m p O n ep a r a m e t e ri st h ei m p a c tf a c t o ro fw h e e l l o a d ，t h eo t h e ro n e i s b o d ya c c e l e r a t i o n B a s e do nm u l t i - b o d yd y n a m i c ss o f t w a r eA D A M S C A R , t h r o u g ht h er e v i s i o no f t e m p l a t ep a r a m e t e r sa n dt h eh i g h l i g h tp o i n t ，t h ea u t h o re s t a b l i s haf r o n ts u s p e n s i o ns y s t e m s ， s t e e r i n gs y s t e m s ，r e a l s u s p e n s i o ns y s t e m s ：b r a k es y s t e m s ，p o w e r t r a i n ，b o d y , t i r e s ，a n do t h e r s u b s y s t e m st os e tu pv e h i c l em o d e l A n da c c o r d i n gt ot h ea c t u a ls i t u a t i o n ，as t o c h a s t i cr o a d w i t hs p e e d c o n t r o lh u m pw h i c ha d a p tt oA D A M Si sc r e a t e db y r o a dr o u g h n e s st h e o r y R t m n i n g3 DR o a dF u l l - V e h i c l eA n a l y s i si nA D A M S C A R A c q u i r ed a t e sa n dc u r v e sf o r n e x ta n a l y s i sf r o mt h eA D A M S P o s t P r o c e s s o rw h i c hi st h e P o s t p r o c e s s i n gm o d u l eo f A D A M S R u n n i n ga n a l y s i st h a tl e tt h ev e h i c l et h r o u g ht h eh u m pw h i c hh a v ed i f f e r e n ts e c t i o n p r o f i l e ，w i d t ha n dh e i g h t B a s eo nt h ed a t e sf r o mt h ea n a l y s i s ，a n dg e tt h ei m p a c tf a c t o ro fw h e e ll o a da n db o d y a c c e l e r a t i o na st h ee v a l u a t i o nn o r m A tf i r s t ，r e s e a r c ht h ed r i v i n gc o m f o r ta n dt h es a f e t yo f v e h i c l et h a tc r o s s i n gs p e e d c o n t r o lh u m pw h i c hh a v ed i f f e r e n ts e c t i o np r o f i l e A n dt h e n r e s e a r c ht h er e s p o n s e st h a tt h ev e h i c l ec r o s s i n gt h ed i f f e t e n tw i d t ha n dh e i g h th u m p F r o mt h ea n a l y s i si tC a no b t a i nh o wt oc h o o s et h eh u m p Ss e c t i o np r o f i l ea n dt h e p a r a m e t e r so fw i d t ha n dh e i g h to nd i f f e r e n tr o a d st h a th a v ed i f f e r e n ts p e e dl i m i t T h e d i s s e r t a t i o nh a v es i g n i f i c a n c ef o rt h ec h o o s eo ft h es p e e d c o n t r o lh u m p ，a n dC a nr a d i c a l l y r e d u c e sa c c i d e n t sc a u s e db yo v e r s p e e d ，e f f e c t i v e l yp r o t e c t st h et r a f f i cs a f e t y , i si m p o r t a n tf o r t h er o a dt r a f f i cs a f e t y K e yw o r d s ：v e h i c l e ；A D A M S C A R ；s i m u l a t i o n ；s p e e d - c o n t r o lh u m p ；c o m f o r t ；s a f e t y ； c o n t r o ls p e e d 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：径五蛳珈7 年箩月姻论文作者签名：缸厶蚴珈7 年5 月姻 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：饪L - 导师签名： Z o o 夕年岁月z z 日 枷卜n 荔日 长安大学顶十学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 进入2 l 世纪以来，我国经济保持了持续快速增长的势头，随着人民生活水平的提 高，机动车的保有量越来越大，但随之而来的是交通事故的急剧增长，严重影响了人们 的生命安全。影响交通安全的因素有很多，其中，人作为机动车的操作者，人为因素最 为关键。据统计资料表明，机动车驾驶员操作失误及违法引起的道路交通事故在各类交 通事故中占到了绝对的比例，达到了8 0 9 0 ，死亡人数高达7 0 8 0 | 1 】。最新资 料表明，2 0 0 6 年，全国共发生道路交通事故3 7 8 7 8 1 起，造成8 9 4 5 5 人死亡，4 3 1 1 3 9 人 受伤，直接财产损失1 4 9 0 亿元。其中，因机动车驾驶员违法行为导致交通事故3 2 3 7 1 5 起，造成7 6 6 2 6 人死亡、3 7 4 1 0 9 人受伤，分别占总数的8 55 、8 57 和8 68 。因为 驾驶员操作问题而导致的交通事故种类有很多，通过对其的研究可以发现，自2 0 0 1 年 咀来，因车辆超速行驶而导致的交通事故数量一直位于各种违法行为的第二位( 如图l1 所示) ，超速行驶是导致交通事故的最主要原园之一I 。 图l12 0 0 1 2 0 0 6 年机动车驾驶人各种违法行为导囊事故起教的比较 从图l l 可以看出，虽然由超速行驶导致的事故数量在所有驾驶员违法行为中不是 最高的，但是超速行驶所带来的交通事故的严重程度却是最大的，通过统计资料可以看 出，由超速行驶所带来的道路交通事故的死亡人数大大超过了其他违法行为所引起的死 亡人数，如图l2 所示。 第一章绪论 图1 22 0 0 1 2 0 0 6 年机动车驾驶人各种违法行为导致死亡人数的比较 在引发交通事故的各种因素中，超速行驶足其中晟重要的，在备类道路上都较为普 遍，其原因主要有以下几个方面：在平直路面上，由r j 二道路较为平整附属设施比较完 备，所以车辆行驶速度较高，驾驶员看到紧急情况时做出反应时间太短，车辆碰到障碍 物时的速度依然很大，所以其动能大，致使车辆结构发生较大的变形，从而引发的事故 就较为严重；山区公路具有弯多、弯急、陡坡以及弯坡组合等特点，在山区等特殊的路 面条件下，车辆要经常做曲线运动，在速度较高时产生的离心力也较大，由力学的知识 可知，车辆所受离心力的大小与其转弯半径成反比与车辆行驶速度的平方成正比。当 车辆行驶在半径比较小的弯道上面时，由于转弯半径过小，如果车辆不按设计车速行驶， 则可能在成倍增长的离心力作用下使得其失去控制，从而导致侧翻或驶出路面的危险情 况发生，导致特大恶性交通事故发生。虽然超速行驶所带来的事故死亡人数远远高于其 他违法行为而引起的死亡人数，有关于此的安全宣传也非常的多，但是由于我国汽车驾 驶员安全意识普遍比较差，所以一些驾驶员在经济利益的驱使下，为了赶时间、争速度、 节约运输成本，违章超车、超速行驶现象比较普遍，严重危害了道路行车安全。 综上所述，超速行驶是导致我国交通事故数量多、程度严重的主要原因，要有效减 少公路道路交通事故的发生，就必须采取强有力的措施把在这些公路受限路段上超速行 驶车辆的车速降下来。目前，虽然道路交通标志、标线比较齐全，但由于驾驶员素质参 差不齐，麻痹思想严重，仅仅靠警示、教育还不能根本解决这一问题。所以，采取某种 强制性控速措施，有效限制车辆的行驶速度是非常必要的。 公路强制控速是近年来基于高等级公路交通安全的严峻形势应运而生的一种强化 型道路安全措施，其基本原理是主动在公路特殊路段( 急弯或连续长大坡等交通事故多 长安大学硕士学位论文 发路段) 的行车道上设置某种突起设施，当汽车以较高车速通过其上时会产生激烈的机 械振动，这种振动从轮胎输入经由车身及座椅传递给汽车驾驶员，使其产生很不舒服的 感觉，另外，车辆驾驶员根据常识预计到车辆通过减速带时会带来车辆剧烈振动，并由 此产生身体的不舒服感以及可能会造成车辆机件损坏的顾虑。上述生理和心理感觉预见 可以降低驾驶员对该段公路的行车安全感觉( 主观感觉) ，从而促使车辆驾驶员自觉、 主动地降低车速，达到提高此类特殊公路路段行车安全性的目的。 路面减速带就是进行速度控制的较为有效的方法。目前，国内外己采用的减速带主 要有道钉减速带、热塑振动减速带、水泥台减速带、路面凹形槽减速带、驼峰式减速带 和减速丘等。2 0 世纪8 0 年代以来，国内外对减速带减速效果和几何设计进行了大量研 究。路面减速带是目前欧美各国应用最广泛、效果最好的交通控速设施之一。作为强制 型道路安全交通设施，减速带对遏制交通事故发生发挥了重要作用。但是减速带缺乏人 性化设计与论证，在安全、舒适和方便等方面尚未达到较高水平。减速带设计应既能起 到强制控速的效果，也要使其产生的振动对车辆的破坏度及对乘客的舒适度影响在安全 的范围之内【”1 。 随着路面减速带越来越广泛的应用，车辆在通过减速带时的平顺性和行驶安全性 问题就显得越来越重要。在不同车速条件下的最佳道路减速带结构形式应该如何设计对 于道路交通安全是一个很重要的现实问题。 1 2 汽车虚拟试验 汽车试验由其特点决定了它具有危险性和复杂性，所以相关的计算机仿真随之而 生，随着计算机软件和硬件的快速发展，许多新的概念产生了，如虚拟试验技术( V i r t u a l E x p e r i m e n tT e c h n o l o g y ) ，虚拟现实技术( V i r t u a lR e a l i t yT e c h n o l o g y ) ，虚拟原型试验仿真 技术( V i r t u a lP r o t o t y p i n gE x p e r i m e n tS i m u l a t i o nT e c h n o l o g y ) ，虚拟仿真技术( V i r t u a l S i m u l a t i o nT e c h n o l o g y ) 和虚拟试验场( V i r t u a lP r o v i n gG r o u n d ) 等等。虚拟试验技术是一种 先进的计算机仿真技术，它以高性能计算机系统为支撑平台。是近年来随着多媒体技术、 计算机图形学、人机接口技术、并行技术、人工智能、传感器技术等一系列技术的迅速 发展而发展起来的，基本上是伴随着计算机的发展而发展起来的新技术。 伴随汽车工业的建立汽车试验作为汽车工业的重要组成部分逐渐成长起来了。由于 汽车与工业、农业、国防以及人民生活都有密切关系，因此在它出现的一百多年时间里 里得到了迅猛的发展。汽车工业能有今天的高水平与其试验工作分不开的。随着计算机 第一章绪论 技术的发展，电子计算机的应用对汽车试验起了巨大的推动作用，通过应用计算机来模 拟汽车试验已成为现实。从广义上讲，任何不使用或部分使用实际硬件来构造试验环境， 完成实际物理试验的方法和技术都可以称为虚拟试验。虚拟试验可以定义为在虚拟环境 中进行的试验。而虚拟试验环境是基于软件工程研制的仿真试验系统，它允许设计者将 虚拟原型安装在其上进行“试验”，借助交互式技术和试验分析技术，使设计者在设计 阶段就能对产品的运行性能进行评价或体验。或者虚拟试验就是在计算机系统中采用软 件代替部分硬件或全部硬件来建立各种虚拟的试验环境，使试验者可以如同在真实的环 境中一样完成各种预定的试验项目，使所取的试验效果接近或等价于在真实的环境中所 取得的效果。将汽车试验与虚拟现实技术相结合，即所谓的汽车虚拟试验己经成为汽车 研发和性能分析中的重要方向。 虚拟试验具有诸多优点。虚拟试验系统不仅可以作为真实试验的前期准备工作，而 且可以在一定程度上替代传统的试验。与传统的试验相比它的优点主要表现在以下几个 方面： ( 1 ) 可以大幅度减少样机制造试验次数，缩短新产品试验周期，同时，降低实际试验 费用。 ( 2 ) 虚拟试验技术应用于复杂产品的开发中，可以实现设计者、产品用户在设计阶段 信息的互相反馈，使设计者全方位吸收、采纳对新产品的建议。 ( 3 ) 虚拟试验技术代替实际试验，实现了试验不受场地、时间和次数的限制，可对试 验过程进行回放、再现和重复。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 虚拟仿真技术发展概况 近年来，随着计算机技术、图形学技术及计算方法的不断提高，在机械系统仿真 ( M S S ) 领域，国外研制了很多基于多体系统动力学理论开发的仿真分析软件，如A D A M S 和D A D S 等。所谓M S S 技术，即把分散的零部件设计与分析技术结合在一起，以提供 一个全面了解产品性能的方法，并通过仿真分析中的反馈信息来指导设计。其中由美国 机械动力公司开发的A D A M S 软件最有代表性，它采用虚拟样机技术，将大位移、非线 性分析求解与使用方便的用户界面相结合，并提供与其他C A E 软件如控制分析软件 M a t l a b 、有限元分析软件A N S Y S 等的集成扩展设计手段。A D A M S 是当前求解机械系 统空间位移运动学的主要软件，在汽车、航空、机器人等领域有广泛应用。其在汽车行 4 长安大学硕士学位论文 业的使用率达到了4 3 ，该软件在为客户提供的通用平台( A D A M S V I E W ) 同时，还专门 提供了用于车辆分析的专门模块( A D A M S C A R ) ，使用起来非常方便。国外早就开始应 用虚拟样机技术，并形成了一系列商用化和功能化的虚拟样机仿真系统软件，这就是汽 车领域运用功能化虚拟样机新技术的大趋势。美国福特公司早在2 0 世纪7 0 年代就已在 其开发的轻型车上采用了这样的技术，之后，通用公司、克莱斯勒公司以及德国、日本 等国的汽车公司，都纷纷开始研究与运用虚拟样机技术。各大汽车公司己经拥有二次开 发的A D A M S C A R 系统用于整车的设计与开发。目前，这些先进的汽车设计公司都己 将虚拟样机技术广泛应用于新产品的开发，该技术己从研究和支持发展成为产品开发中 的成熟技术。 1 3 2 虚拟样机技术的基本概念 虚拟样机技术又称为动态仿真技术，是指在产品设计开发过程中，将分散的零部件 设计和分析技术( 指在某单一系统中零部件的C A D 和F E A 技术) 揉合在一起，在计算 机上建造出产品的整体模型，并针对该产品在投入使用后的各种工况进行仿真分析，预 测产品的整体性能，进而改进产品设计、提高产品性能的一种新技术。 在传统的设计与制造过程中，首先是概念设计和方案论证，然后进行产品设计。在 设计完成后，为验证设计，通常要制造样机进行试验，有时这些试验甚至是破坏性的。 当通过试验发现缺陷时，又要回头修改设计并再用样机验证。只有通过周而复始的设计 试验一设计过程，产品才能达到要求的性能。这一过程是冗长的，尤其对于复杂的系 统，设计周期无法缩短，更不用谈对市场的灵活反映了。样机的单机制造增加了成本， 在大多数情况下，工程师为了保证产品按时投放市场而中断这一过程，使产品在上市时 便有先天不足的毛病。在竞争的市场背景下，基于物理样机上的设计验证过程严重制约 了产品的质量的提高、成本的降低和对市场的占有。 虚拟样机技术是从分析解决产品整体性能及其相关问题的角度出发，解决传统的设 计与制造过程弊端的高新技术。在该技术中，工程设计人员可以直接利用C A D 系统所 提供的各零部件的物理信息及其几何信息，在计算机上定义零部件间的连接关系并对机 械系统进行虚拟装配，从而获得机械系统的虚拟样机，使用系统仿真软件在各种虚拟环 境中真实地模拟系统的运动，并对其在各种工况下的运动和受力情况进行仿真分析，观 察并试验各组成部件的相互运动情况，它可以在计算机上方便地修改设计缺陷，仿真不 同的设计方案，对整个系统进行不断改进，直至获得最优设计方案以后，再做出物理样 机。 5 第一章绪论 虚拟样机技术可使产品设计人员在各种虚拟环境中真实地模拟产品整体的运动及 受力情况，快速分析多种设计方案，进行对物理样机而言难以进行或根本无法进行的试 验，直到获得系统级的优化设计方案。虚拟样机技术的应用贯穿在整个设计过程当中， 它可以用在概念设计和方案论证中，设计师可把自己的经验与想象结合在计算机内的虚 拟样机里，让想象力和创造力充分发挥。当虚拟样机用来代替物理样机验证设计时，不 但可以缩短开发周期，而且可以提高设计质量和效率。 1 3 3 虚拟样机技术的形成与发展 虚拟样机技术源于对多体系统动力学的研究。工程中的对象是由大量零部件构成的 系统，对他们进行优化设计与性态分析时可以分为两大类：一类称为结构，他们的特征 是在正常的工况下构件间没有相对运动，如房屋、建筑与各种车辆的壳体以及各种零部 件的本身，人们关心的是这些结构在受到载荷时的强度、刚度与稳定性；另一类称为机 构，其特征是系统在运行过程中这些部件间存在相对运动，如航空航天器、汽车与机车、 机器人等复杂机械系统。此外，在研究宇航员的空间运动、在车辆的事故中考虑乘员的 运动以及运动员的动作分析时，人体也可认为是躯干与各肢体间存在相对运动的系统。 上述复杂系统的力学模型为多个物体通过运动副联接的系统，称为多体系统。 对于复杂机械系统，人们关心的问题大致有三类。一是在不考虑系统运动起因的情 况下研究各部件的位置与姿态以及它们变化速度与加速度的关系，称为系统的运动学分 析。运动学分析中，系统中一个或多个构件的位置或相对位置与时间的关系是规定好的， 其余构件的位置、速度和加速度与时间的关系，可以通过求解位置的非线性方程组和速 度、加速度的非线性方程组来确定。二是当系统受到静载荷时，确定在运动副制约下的 系统平衡位置以及运动副静反力，这类问题称为系统的静力学分析，此时主要是分析在 各种力的作用下，各构件的受力和强度问题。三是讨论载荷、系统与运动的关系，即动 力学问题。 研究复杂机械系统在载荷作用下各部件的动力学响应是产品设计中的重要问题。己 知外力求系统运动的问题归结为求非线性微分方程的积分，称为动力学正问题。已知系 统的运动，确定运动副的动反力的问题是系统各部件强度分析的基础，这类问题称为动 力学的逆问题。现代机械系统离不开控制技术，产品设计中经常遇到这样的问题，即系 统的部分构件受控，当他们按某已知规律运动时，讨论在外载荷作用下系统其他构件如 何运动，这类问题称为动力学正逆混合问题。 随着国民经济的发展和国防技术的需要，机械系统越来越复杂，表现为这些系统在 6 长安大学硕士学位论文 构型上向多回路与带控制系统的方向发展。机械系统的大型化与高速运行的工况使机械 系统的动力学性态变的越来越复杂。复杂机械系统的运动学、静力学与运动学的性态分 析、设计与优化向科技工作者提出了更大的挑战。 2 0 世纪6 0 年代，古典的刚体力学、分析力学与计算机相结合的力学分支多体 系统动力学在社会生产实际需要的推动下产生了。其主要任务是：建立复杂系统运动学 和动力学程式化的数学模型，开发实现该数学模型的软件系统，用户只需输入描述系统 的最基本数据，借助计算机就能自动进行程式化处理；开发和实现有效的处理数学模型 的计算方法与数值积分方法，自动得到运动学规律和动力学响应；实现有效的数据后处 理，采用动画显示、图表或其他方法提供数据处理结果。目前，多体系统动力学己形成 了比较系统的研究方法。其中主要有工程中常用的以拉格朗日方程为代表的分析力学方 法、以牛顿一欧拉方程为代表的矢量学方法、图论方法、凯恩方法和变分方法等。 由于多体系统的复杂性，在建立系统的动力学方程时，采用系统独立的拉格朗日坐 标将非常困难，而采用不独立的笛卡儿广义坐标比较方便；对于具有多坐标的完整或非 完整约束系统，用带乘子的拉式方程处理是十分规格化的方法。导出的以笛卡儿广义坐 标为变量的动力学约束方程是与广义坐标数目相同的带乘子的微分方程，还需要补充广 义坐标代数约束方程才能封闭。C h a c e 等人应用吉尔( G e a r ) 的刚性积分算法并采用稀 疏矩阵技术提高了计算效率，编制了A D A M S ( A u t o m a t i cD y n a m i cA n a l y s i so f M e c h a n i c a l S y s t e m ) 程序；H a u g 等人研究了广义坐标分类、奇异值分解等算法，编制了= D A D S ( D y n a m i cA n a l y s i sa n dD e s i g ns y s t e m ) 程序。 R o b e r s o n 和W i t t e n b u r g 等人创造性地将图论引入多体系统动力学，利用图论的一些 基本概念和数学工具描述机械系统各物体之间的结构特征。借助图论工具可使各种不同 结构的系统能用统一的数学模型来描述，以相邻物体之间的相对位移作广义坐标导出多 体系统的一般形式的动力学方程。 S c h i e h l e n 等人采用牛顿一欧拉方法对多体系统进行建模。由于随着组成多体系统物 体数目的增多，物体之间的连接情况和约束方式就会变的非常复杂，当对作为隔离体的 单个物体列出牛顿一欧拉方程时，铰约束力的出现使未知变量的数目明显增多，因此牛 顿一欧拉方法必须加以发展，制定出便于计算机识别的刚体联系情况和铰约束形式的程 式化，并自动消除铰的约束能力。S c h i e h l e n 等人在列出牛顿一欧拉方程后，将不独立的 笛卡儿广义坐标变换成独立变量，对完整约束系统用达伦贝尔原理消除约束反力，对于 非完整约束，则运用J o r d a n 原理消除约束反力最后得到与系统自由度数目相同的动力学 第一章绪论 方程，并编制了计算机程序N E W E U L 。 尽管虚拟样机技术的核心是机械系统运动学、动力学和控制理论，但没有成熟的三 维计算机图形技术和基于图形的用户界面技术，虚拟样机技术也不会成熟。虚拟样机技 术在技术与市场两个方面的成熟也与计算机辅助设计( C A D ) 技术的成熟及大规模推广 应用分不开。首先，C A D 中的三维几何造型技术能够使设计师们的精力集中在创造性 设计上，把绘图等繁琐的工作交给计算机去做。这样，设计师就有额外的精力关注设计 的正确与优化问题。其次，三维造型技术使虚拟样机技术中的机械系统描述问题变得简 单。第三，由于C A D 强大的三维几何编辑修改技术，使机械系统设计的快速修改变为 可能，在这基础上，在计算机上的设计一试验一设计的反复过程才有时间上的意义。 虚拟样机技术的发展也直接受其构成技术的制约，主要表现在对计算机硬件的依 赖。数值方法上的进步发展也会对基于虚拟样机的仿真速度及精度有积极的影响。 综上所述，虚拟样机技术是许多技术的综合，其核心部分是多体系统运动学与动力 学建模理论及其技术实现，数值算法提供了求解这种问题的有效快速算法，C A D F E A 等技术的发展为虚拟样机技术的应用提供了技术环境。 1 3 4A D A M S 软件简介 A D A M S ( A u t o m a t i cD y n a m i cA n a l y s i so fM e c h a n i c a ls y s t e m ) 软件是美国M D I ( M e c h a n i c a ld y n a m i cI n c ) 公司( 现己被M S C 合并) 开发的机械系统动力学仿真分析 软件，它使用交互式图形环境和零件库、约束库、力库，创建完全参数化的机械系统几 何模型，其求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格朗日方程方法，建立系统动力学 方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学、动力学分析，输出位移、速度、加速度和 反作用力曲线。 A D A M S 软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范围、碰撞检测、峰值载荷 以及有限元的输入载荷等。它的核心仿真软件包括交互式图形环境A D A M S V I E W 和仿 真求解器A D A M S S O L V E R ，以及其他扩展模块。 A D A M S V I E W ( 界面模块) 是以用户为中心的交互式图形环境，它提供丰富的零 件几何图形库、约束库和力库，将便捷的图标操作、菜单操作、鼠标点取操作与交互式 图形建模、仿真计算、动画显示、优化设计、X _ Y 曲线图处理、结果分析和数据打印 等功能集成在一起。 A D A M S O L V E R ( 求解器) 是A D A M S 软件的仿真“发动机”，它自动形成机械系统 模型的动力学方程，提供静力学、运动学和动力学的计算结果。A D A M S S O L V E R 有各 8 长安人学硕士学位论文 种建模和求解选项，以便精确有效地解决各种工程问题。 A D A M S C A R ( 轿车模块) 是M D I 公司与A u d i 、B M W 和R e n a u l t 等公司合作开发 的整车设计模块，它能够快速建造高精度地整车虚拟样机，其中包括车身、悬架、传动 系统、发动机、转向机构、制动系统等，可以通过高速动画直观再现各种试验工况下整 车地动力学响应，并输出标志操纵稳定性、制动性、平顺性和安全性地特征参数【3 3 0 4 1 。 1 3 5 道路控速设施的研究现状 通过分析国内外车速与交通安全关系的研究现状，可以得出车速在影响交通安全方 面起到了举足轻重的作用，从研究中可以发现，速度梯度和运行车速在诱发交通事故的 过程中是最重要的两个变量。因此，如何选择有效的控速设施来降低运行车速成了国内 外学者的研究热点。 ( 1 ) 国外研究现状 道路强制性控速设施在美国、日本及欧洲等经济发达国家已是一项比较成熟的技 术，应用比较广泛。北美国家对一些山区公路的受限路段，较多采取在建设施工时就一 次成形的方法，在新建路面上用专用机械压出凹槽型的道路减速带来，这种减速带是下 凹的，最高面与道路齐平。日本是一个多山之国，为了保证公路交通的行车安全，热塑 振动减速标线被广泛应用。英国是较早采用道路强制减速带的国家之一，从2 0 世纪8 0 年代开始即把驼峰式减速带陆续应用于英国本土的公路事故多发路段，为控制车速，减 少交通事故发挥了积极作用。近年来英国运输研究实验室又发明了新型瓦楞形减速带， 其原理与某些高速公路边上设置的条状减速带相同，但前者会使振动造成的噪音向外扩 散，影响到周边的居民及建筑物；而后者则相反，震动和噪音都只传至车内，故能对驾 驶员产生影响，起到控制车速的作用，更主要的一点是它对各种车辆都具有明显效果【2 8 】。 减速带作为强制性控速设施的一种，在国外得到了较为广泛的应用。随着减速带的 大量推广，国外关于它的设计、安装以及应用范围都制定了较为成熟的标准。 ( 2 ) 国内研究现状 国内关于控速设施的研究开始的比较晚，其发展趋势基本上是沿着国外的脚步。近 年来国内在强制性控速设施方面也有了一定的研究。与其他强制性控速设施相比，如： 水泥台减速带、凹形槽减速带、道钉减速带、热塑振动型减速标线等等。道路强制控速 设施技术近年来国内业内取得了很大的认同，很多地区公路管理部门和维修单位己经在 其影响比较大的公路事故多发路段大量使用强制减速措施进行通行车速的强制控制。 纵观国内关于控速设施的研究现状，虽然各种控速设施都有了一定的研究成果，但 9 第一章绪论 相比起国外，我国的研究程度较浅，各种控速设施的适用范围都较为狭窄。 关于路面橡胶减速带，中华人民共和国交通运输部于2 0 0 8 年0 6 月0 2 日发布了路 面橡胶减速带的交通行业标准( 路面橡胶减速带J T T 7 1 3 2 0 0 8 ) ，并于2 0 0 8 年1 0 月 0 1 日开始实施。该标准规定了路面橡胶减速带产品的结构尺寸及偏差、技术要求、试验 方法、检验规则、标志、包装、运输及储存。对于减速带的应用起到了很好的指导作用。 然而由于标准中减速带尺寸标准范围较大，现实中的减速带产品种类繁多，参差不齐， 对于不同限速道路上的减速带的应用仍不明确。 1 4 本论文研究的主要内容 本论文的研究方法和目标是基于A D A M S C A R ，建立虚拟试验用虚拟样车模型，然 后进行虚拟试验仿真分析，获得试验数据，根据评价指标对车辆通过减速带时的平顺性 和行驶安全性进行研究，以便找到既能保证行车安全，又能充分发挥强制控速效果的道 路减速带形式，为道路减速带的开发和使用提供了理论依据。主要研究内容如下： ( 1 ) 通过分析车辆通过路面减速带的过程，选取了轮荷冲击系数和车身加速度作 为评价车辆通过路面减速带平顺性和行驶安全性的指标。 ( 2 ) 基于多体系统动力学软件A D A M S C A R ，建立用于虚拟仿真试验的虚拟样车， 并根据实际情况建立了包含路面减速带的用于虚拟仿真分析的B 级路面。 ( 3 ) 在A D A M S C A R 中进行3 DR O A D 整车仿真分析。并在后处理模块 A D A M S P o s t P r o c e s s o r 中获得分析所需的数据及曲线。对减速带的断面轮廓曲线，高度、 宽度对车辆的影响进行了研究。 ( 4 ) 对全文进行了总结。 1 0 长安大学硕士学位论文 第二章道路减速带控制车速原理及评价参数选择 2 1道路减速带的控制车速原理 车辆的行驶速度很大程度上取决于驾驶员的期望车速，而驾驶员的期望速度又是根 据其行驶安全感和乘坐舒适性决定的。如果驾驶员的安全感高、乘坐舒适性好，则他的 期望车速比较高；反之，驾驶员的期望车速就比较低。 道路减速带的减速是通过影响驾驶员的驾驶心理实现的。当车辆以较高车速通过道 路减速带时，剧烈的振动会从轮胎经由车身及座椅传递给驾驶员，产生强烈的生理刺激 ( 包括振动刺激和视觉刺激) 和心理刺激。生理刺激使驾驶员产生很强烈的不舒服感， 心理刺激会加深驾驶员的不安全疑虑，进一步降低了驾驶员对道路环境的安全感。一般 情况下，驾驶员认为不舒服感越强，车辆行驶安全性也越小，即安全感越小。由此可知， 道路减速带的设置会大大降低驾驶员行车安全感和乘坐舒适性的期望值，促使驾驶员选 择较低的期望车速。在期望车速的指导下，驾驶员将在没有外界压力的情况下，主动使 车辆以较低的行车速度接近道路减速带。 欧美各国相关研究结果表明，如果设计正确，布置合理，道路减速带可使8 5 的车 辆车速降低1 0 2 0k m h ，事故率降低约6 0 ，事故伤亡人数降低5 0 7 0 。对云南、 陕西高等级公路道路减速带使用效果调研发觋【”1 ，道路减速带可大幅降低车辆行驶速 度、事故发生率和事故严重程度。 2 2 理想道路减速带的设计 所谓的理想道路减速带就是我们希望得到的减速带，它安装在道路上时表现出最接 近我们希望得到的对车辆的响应。理想道路减速带必须保证车辆在通过时不会发生失 控，以及重要安全部件受到冲击时不会产生断裂等危险状况，即应该拥有较高的行驶和 结构安全性。车辆的行驶安全性绝不允许一直随着车速的增加而降低，而是应在降低到 一定程度后保持在一个稳定水平，甚至随着车速的升高行驶安全性还有所提高。 由道路减速带控制车速原理可知，车辆高速通过时，驾驶员所产生的不舒服感是道 路减速带能够有效控制车速的关键原因，不舒服感越强，驾驶员的减速愿望也越强。为 此，在车辆车速低于道路最高限速通过减速带时，驾驶员由于道路减速带而产生的不舒 服感应该维持在较低水平，也即应该拥有良好的乘坐舒适性，否则，驾驶员会使车辆的 行驶速度降的更低。 当车辆以高于道路路最高限速通过道路减速带时，驾驶员的不舒服感应随着车速的 1 1 第二章道路减速带控制车速原理及评价参数选择 增加而迅速增大，也即乘坐舒适性急速降低，驾驶员为了提高舒适性而主动降低车速。 否则，道路减速带将不会对驾驶人产生震撼效果，使其安全感变化不大，甚至错误地认 为，提高车辆的行驶速度还可以进一步减小振动，这将明显的不利于车辆的速度控制。 当车辆行驶速度继续增加，达到所有超速车辆的8 5 车速时( 在没有统计数据的情 况下，这一数值可以用公路限速加2 0k m h ) ，道路减速带给驾驶人造成的不舒服感不应 继续加大，也即乘坐舒适性不再恶化。虽然乘坐舒适性的降低有利于驾驶人降低车速， 但实际上只要乘坐舒适性降低到一定程度后，驾驶入就会采取减速措施，若进一步降低 乘坐舒适性，则驾驶入采取减速措施的紧迫感不明显。如果乘坐舒适性太差，一方面可 能会影响到驾驶人操纵车辆的能力，使车辆处于不稳定状态，增加了事故发生的可能性； 另一方面，驾驶人乘坐舒适性差，也说明车辆的行驶平顺性差，将可能导致车窗玻璃和 车身物件的破碎以及货物的震落。 理想道路减速带应具有的特性：随着车速的增加，行驶安全性降低到一定程度后能 维持在一个稳定水平，甚至有所提高；驾驶人的乘坐舒适性在车速低于公路限速时处于 较高水平，在高于公路限速而低于所有超速车辆的8 5 车速时应随车速的增加而迅速恶 化，在高于所有超速车辆的8 5 车速时能够维持在一个稳定的低水平状态【2 9 】。 车辆通过理想道路减速带时，其行驶安全性和乘坐舒适性与车速的关系如图2 1 所 示。 使 用 效 果 V t - - W - - 速 图2 1 理想减速带使用效果与车速的关系 。图中V l 为公路限速，V 2 为超速车辆8 5 车速。 2 3 道路减速带的行驶平顺性及安全性评价指标的选择 近年来，随着国家投资力度的加大，我国公路及城市道路的发展取得了可喜的成绩， 1 2 长安大学硕士学位论文 特别是山区公路的建设更是实现了跨越式发展。然而，目前我国机动车驾驶人员的交通 安全意识薄弱，道路交通安全管理水平还不太高，为了降低道路的事故发生率，避免恶 性交通事故的发生，道路减速带应该得到广泛的应用。但是，道路减速带的安装必须慎 重，一方面，必须使其有足够的减速效果；另一方面，安装时必须保证其使用的安全性 和可靠性。否则，将完全违背了安装道路减速带的初衷。公路工程技术标准中明确 规定，路面必须保证足够的平整度，否则会使行车阻力增大、油耗上升、轮胎磨损加速， 更重要的是路面与车轮之间相互的冲击力增大，造成行车颠簸加剧，致使汽车机件和路 面迅速被损坏。道路等级越高，对路面平整度的要求也越高。同时，中华人民共和国 公路法第四十六条规定任何单位和个人不得在公路上及公路用地范围内设置障碍以免 影响车辆行驶的安全性。 所以，虽然安装道路减速带可