避险车道制动床控系统车轮沉陷深度三维离散元分析

避险车道制动床控系统车轮沉陷深度三维离散元分析

1悬架系统及车轮沉陷深度的影响我国对护岸道路的研究较晚，目前护岸道路的设计缺乏足够的标准和指导。以上研究基于PFC为了进一步研究悬架系统K&C特性对车轮沉陷深度的影响，基于PFC2学习方法2.1dem研究dem离散单元法（distinctelementmethod，简称DEM）是由美国学者CundallP.A.在1971年基于分子动力学原理首次提出，在研究散体介质上具有很大的优势2.2接触模型类型PFC线性接触模型的g颗粒之间的法向作用力为：颗粒之间的切向作用力为：2.3离散元对车轮与砾石的接触车轮离散元是由多个半径相同的球体颗粒叠加而成的颗粒簇，车轮颗粒簇与真实车轮的外形相似。车轮离散元可以让车轮与砾石的接触部分离散化，成为多点接触，这样可以使轮胎颗粒与砾石间的接触力分布离散化，接触力分布更均匀，在三维空间内可以更有效地模拟带花纹的轮胎与砾石之间的相互作用情况。车轮离散元直径为1.1m，宽度为0.3m，车轮的转动惯量受传动系统影响，应根据不同车型设置。2.4制动床集料相互作用复杂砾石集料离散元用球体颗粒模拟并填满整个制动床。若建立一个全尺寸的砾石集料制动床模型（设长75m，宽1.2m，高0.6m），球体颗粒的数量将达到三百多万个，即便高性能的计算机也很难达到建模和仿真运算的要求，这也是利用三维模型研究失控车辆车轮与制动床集料相互作用较困难的主要原因。为此，提出一个可行的解决方法，即通过分段生成与删除部分集料离散元，使得集料离散元只存在于距离车轮中心前后5m的范围之内。此时球体颗粒数量仅为全尺寸制动床模型的1/15，计算工作量大幅度减少。仿真示意图，如图2所示。2.5非实体部件建模悬架系统的弹性元件弹簧与减振器产生的阻尼力对车轮的运动有较大影响。在PFC图中：k根据式（3）和式（4），利用Fish语言搭建车身与悬架系统的非实体部件，在仿真的每一个时步内求解运动学方程，分别求解非实体车身的位移、速度和实体车轮的位移、速度。根据运动方程的求解结果，计算出悬架系统对车轮的作用力。2.6能量消耗模型基于PFC失控车辆在避险车道制动床上强制减速过程中存在以下几种能量消耗：推土阻力消耗能量、压实阻力消耗能量、动能转换等。集料与车轮的相互作用模型，如图5所示。由图5可知集料对称剖分面的截图，故不能显示车轮两侧的砾石颗粒。3轮胎颗粒离散元参数标定标定分两个步骤：第一步，利用虚拟静力三轴压缩试验对砾石颗粒离散元参数进行；第二步，根据实车实验数据，利用仿真试验对轮胎颗粒离散元参数进行标定。静力三轴压缩试验与实车实验的数据均来自AI-Qadi(1991）的试验数据3.1集料的压缩试验结果第一阶段的虚拟静力三轴压缩试验示意图，如图6所示。需要标定的离散元颗粒参数包括：颗粒的法向刚度、颗粒的切向刚度以及颗粒的摩擦系数。图6中的虚拟试验共生成2400个颗粒，上下两“墙”以1%的速率加载压缩试样，圆柱“墙”通过伺服机构维持围压的稳定。在3种不同的相对密实度以及3种不同围压下进行了9组试验。不断调整颗粒的参数，使得虚拟试验样品的峰值应力和峰值应变尽可能地接近实际样品。试验结果，如表1所示。颗粒微观参数，如表2所示。3.2标定模型仿真结果第二阶段利用实车足尺试验的停车距离、平均减速度、车轮最大沉陷深度和平均沉陷深度数据对车轮离散元颗粒参数进行标定。车轮离散元颗粒参数包括切向刚度，法向刚度和摩擦系数。仿真时调整车轮离散元颗粒参数，设置车轮初速度为v图7中实际停车距离与模拟停车距离的相关系数为0.94，实际平均减速度与模拟平均减速度的相关系数为0.79，实际车轮最大沉陷深度与模拟最大沉陷深度的相关系数为0.79，实际平均车轮沉陷深度与模拟平均车轮沉陷深度的相关系数为0.66。从图7可以看出，实际平均车轮沉陷深度与模拟平均车轮沉陷深度相差较大，这主要是因为在实际试验中，一条车辙会被两个或者两个以上的车轮碾过，因此试验结束后测量所得的实际车轮沉陷深度要远大于模拟车轮沉陷深度。文献在停车距离模拟中，三维模型与二维数值模型都可以达到较好的效果；但是在平均减速度与车轮最大沉陷深度的模拟中，三维模型更优于二维模型，尤其是车轮沉陷深度。以上仿真的结果反映出标定的车轮离散元颗粒参数能够使模型的数值模拟结果接近实车足尺实验数据，从而较好地实现了对失控车辆减速过程的数值模拟。标定的模型可以用于后面的数值模拟。车轮离散元颗粒参数标定结果，如表4所示。3.3悬架作用分析以往研究假设平衡状态下车身对车轮的作用力恒定不变，忽略了车辆悬架系统K&C特性对车轮减速过程的影响。失控车辆在实际的减速过程中，由于受到悬架系统的影响，车身作用在车轮上的力是不恒定的。采用单轴自卸车进行仿真试验，驶入初速度为17.7m/s，制动床坡度为0。对比有无悬架作用时于车轮上的垂直作用力和车轮沉陷深度结果示意图，如图9、图10所示。从图9看出，车轮上的作用力在平衡力附近上下波动，在失控车辆驶入制动床的瞬间，车轮承受的作用力波动幅度最大。从图10看出，车轮沉陷深度由于悬架的影响波动较小，这主要是由于悬架K&C特性会改善系统的振动，导致车轮振动减小，沉陷波动减小。失控车辆减速过程的能量消耗主要来自砾石的阻力，悬架系统阻尼的耗能比砾石阻力要小很多，故悬架-车轮-集料三维模型的车辆沉陷深度要小于车轮-集料二维模型，从而导致停车距离的增加。由此可知，悬架系统影响作用在车轮上的作用力、车轮在减速过程中的沉陷深度和停车距离。4全车制动床模式下车轮沉陷深度与危险关系为了研究不同砾石粒径、车轮载重、驶入初速度对避险车道制动床上失控车辆车轮沉陷深度的影响，结合我国道路条件和车辆行驶状况，设计相应的试验方案开展数值模拟方案，如表5所示。表5选定的3种砾石料径的范围均在美国AASHTO推荐的57级（2.36～37.5mm）粒径范围内从图11看出：（1）图（a），在相同的载重与初速度条件下，当停车距离一定时，粒径越小，车轮沉陷深度越大；（2）图（b），在相同的砾石粒径与初速度条件下，当停车距离一定时，车轮载重越大，车轮沉陷深度越大；当车轮沉陷深度一定时，（3）图（c），在相同的砾石粒径与载重条件下，当停车距离一定时，车辆初速度越小，车轮沉陷深度越大。以上结果表明：砾石粒径、载重、初速度对车轮沉陷深度有显著影响。车轮沉陷深度增大会导致车轮与砾石颗粒的接触面积增大，车轮受到的阻力增加，车轮的动能消耗变快，导致停车距离减小。图11(b）中，单个车轮在载重为3000kg（严重超载）的情况下，最大沉陷量为40cm，在实际中，会有多个车轮碾过同一车辙，并且考虑到制动床在使用过程中因维护不当出现板结现象，建议制动床铺设厚度为80cm。《新理念公路设计指南》推荐避险车道长度设计时货车的驶入初速度可取100km/h和110km/h5制动床制动距离基于离散元方法，利用用悬架-车轮-集料三维离散元模型开展避险车道制动床上失控车辆车轮沉陷深度数值模拟，得出以下结论：（1）三维模型由于考虑了车轮沉陷变形的影响，估算的停车距离精度高于二维模型，并且三维模型模拟的停车距离更加贴近实际情况。（2）由于悬架系统的影响，车身作用在车轮上的力并不恒定，会减少车轮在制动过程中的波动，影响车轮沉陷深度，并使失控车辆的停车距离增大，并且模拟的车轮沉陷深度也更加贴近实际情况。（3）鉴于车轮沉陷深度对停车距离的影响，在推荐的砾石粒径范围内，砾石粒径越小，车速越小，车轮载重越大，车轮就更容易陷入砾石