斜风作用下风-车-桥非线性分析系统建立

为了从风作用方向的三维模拟和系统非线性2个角度实现风-车-桥系统的全三维高真实度模拟,首先建立斜风荷载处理方法,采用平均风分解理论对桥梁斜风进行分解,形成桥梁斜风荷载,把桥梁风作用方向模拟域由垂直于桥梁纵轴线的二维平面扩展到三维空间;采用矢量合成法则和线性插值方法,依据车辆位置函数确定桥上车辆任意位置和时刻的合成风速,并基于风洞试验获取车辆气动力系数,形成车辆斜风荷载。然后基于已建立的非线性分析系统,融合斜风荷载处理方法,构建斜风作用下的风-车-桥全三维非线性分析系统,并实现动态可视化。最后采用建立的分析系统,对系列风偏角工况下的桥梁空间动力响应和车辆安全进行分析和评价。结果表明：斜风作用下,桥上车辆事故指标值及桥梁位移响应随着风偏角增大总体上均呈现先减小后增大趋势,且极值均出现在非90°的锐角区;基于风向垂直于桥跨方向的假定所进行的桥梁设计和车辆安全性评价结果偏于不安全。     

精细微观车流-桥梁耦合系统构建及伸缩缝纵向变形分析

大跨桥梁上的车流重力动态分布和作用在变形主梁上的时变纵向力,决定梁端伸缩缝纵向变形,实现伸缩缝纵向变形分析,车-桥耦合系统是核心,实现车流重力分布和纵向力计算加载的车流微观行驶行为仿真及力学化的理论方法是关键。首先,从元胞尺寸和行驶规则2个角度对仿真方法进行精细：把实测车型典型轴距对标当前市场车型,确定各车型车辆前、后悬长并纳入车长考虑,基于多车型的车长公约数综合确定元胞尺寸,使得各车型的车长在仿真交通流中得到差异且全面的元胞表达,奠定精细仿真元胞基础;在车间距基础上,把车速差纳入考虑,丰富车辆微观行驶决策因素,并设定多级变速和变道优先权,从宏观规则和处置细节上对车流行驶微观行为进行精细化。其次考虑到车速是车辆行驶行为的直观表现,采用动量定理实现车辆变速行为到纵向力（力矩）的转换;把纵向力（力矩）均分加载在车辆占据的各元胞中心,实现车辆出、入桥力学过程的适度精细模拟;匹配车辆行驶行为,调整车流判断流程和加载识别部分,完善微观车流-桥梁分析系统。最后,以一座斜拉桥为工程背景,对不同密度组成的车流作用下伸缩缝的纵向变形进行分析。结果表明：①与单向车流相比,计算密度下双向车流的总体纵向力在均值和极值上的加强度的极值分别为1.6和1.5,即双向车流有相互作用,总体表现为抵消;②车流重力因素产生的主梁纵向变形较为稳定,伸缩缝纵向响应时程曲线围绕重力产生的伸缩缝纵向变形均值上下波动,波动幅度总体趋势受密度控制,在正、负（方向）上的极值和均值随车流密度增大大体均呈增大趋势,波动局部受上下行密度差控制,当双向车流密度之和一定时,双向车流的密度差越大,极值和均值就越大;③伸缩缝纵向位移服从正态分布,伸缩缝累积行程随车流总密度、上下行密度差增大呈增大趋势,车流密度、密度差越大,伸缩缝磨损范围越大,磨损程度越严重。     

多车道桥梁交通荷载特性及结构响应研究

多车道公路桥梁各行驶车道的车流和荷载特性分布具有显著的差异性,由这些差异性引起的结构响应特性应是桥梁管养关注的重点。根据某单向4车道高速公路实测的WIM数据,分析其运营阶段的交通荷载特性,及在实际车流荷载作用下桥梁结构的真实响应。研究结果表明:不同行驶车道的车型分布具有显著差异性,90%以上的货车偏向于外侧两个车道行驶;车辆总重和轴重水平较规范基础数据有明显的提高;各行驶车道随机车流产生的荷载效应最大值基本大于规范值,外侧车道上荷载效应远大于内侧超车道,说明目前规范基于车道荷载独立同分布的假定与实际情况不相符,车辆荷载模型已无法满足实际的结构设计评估要求,建议修正。     

桥下采沙对桥梁受力及安全影响研究

近年来河道无序采沙对桥梁结构安全带来了很大隐患,针对桥下乱挖乱采河沙情况,以采用摩擦桩基础的某高速公路连接线特大桥梁为研究对象,通过理论分析、数值模拟和现场试验,开展桥下采沙对桥梁承载能力及安全的影响研究。研究结果表明:桥下挖沙导致了桩端土处承载力和单桩承载力显著降低,而对墩柱下沉量、主梁跨中挠度和墩柱弯矩影响较小;试验车辆在桥上行驶时,采沙桥墩墩顶竖向动位移和纵向动位移较未采沙桥墩有所增大,刹车则引起两个方向动位移显著增大,远大于跑车试验数据;过路汽车试验数据远大于试验车数据,过路车超载严重;试验车辆和过路车作用下主梁跨中动挠度变化不明显;车辆重量是影响墩顶竖向位移的主要因素,车辆刹车时的纵向制动力是影响墩顶纵向位移的主要因素;桥上刹车和超载具有较大危害,需尽快采取限速、限重、加固等措施,避免桥上紧急制动和水流冲刷,保证桥梁结构安全。     

车辆荷载运营状态对预应力箱梁桥疲劳损伤的影响研究

模拟分析预应力箱梁桥在不同运营密度状态下的应力时程曲线,采用雨流计数法获得结构的应力幅谱,在此基础上依据线性累积损伤理论得出不同运营密度状态下预应力箱梁桥的疲劳损伤度,继而提出了考虑运营车辆密度的线性积伤公式。研究表明:疲劳车辆模型和数量相同的情况下,高速行驶的车辆比一般行车速度的车辆对桥梁疲劳损伤大。考虑运营密度的影响下,当行车间距小于某中间值,行车间距越小、连续车流数量越少对桥梁的疲劳损伤越大。当行车间距大于桥梁计算跨径时,则无需考虑行车间距和连续车流量数目对疲劳损伤的影响。     

公路钢拱塔斜拉桥车致振动试验与数值分析

为了研究沈阳市三好桥(公路钢拱塔斜拉桥)在汽车荷载作用下的动态响应,通过测试得到不同速度的车辆通过时桥梁的竖向振幅和冲击系数,通过数值分析得到不同阻尼桥梁相应的动态响应和动力放大系数。分析结果表明:桥面平整的桥梁可采用数值方法计算桥梁的动态响应及其动力放大系数;主梁的位移和弯矩的冲击系数与车速呈波动变化,塔根弯矩的冲击系数、斜拉索和水平索最大索力和应力幅的冲击系数随着车速的增大而增大;不考虑阻尼时,桥梁各响应量的冲击系数的值偏大;考虑阻尼比时,各响应量的冲击系数随着桥梁阻尼比的增大而减小;阻尼比较小的桥梁,阻尼比对其动力响应影响较小。     

基于影响函数的随机车流作用下大跨度悬索桥风致应力响应分析

为了解决大跨度桥梁在随机车辆荷载和风荷载作用下局部应力求解耗时问题,首先以矮寨大桥为工程背景,建立壳-梁混合单元有限元模型,确定大桥应力的关键位置及关键点,采用分段拟合方法获得随机车辆荷载的影响面函数和风荷载的影响线函数;结合吉茶高速实际交通量特征及随机参数分布特征,采用蒙特卡罗方法,编制抽样程序生成随机车流样本。其次采用风-车-桥耦合振动分析获得典型车辆的等效车辆荷载;引入风荷载动力影响系数,提出了一种简便实用的随机车流下大跨度桥梁风致应力分析方法。最后应用ANSYS计算分析结果验证所提方法的正确可行性,分析矮寨大桥在随机车流和风荷载联合作用下的关键点应力响应。结果表明：风速低于15 m·s^-1时,风荷载引起大桥关键点应力响应远小于车辆荷载引起的应力响应;繁忙车流下应力响应的幅值并不比稀疏车流下的应力幅值大很多,但是繁忙车流下应力响应的峰值数量远大于稀疏车流下的峰值数量,即应力的循环次数多,会增大桥梁的疲劳损伤。     

基于流固耦合的行车临界风速研究

为了研究风-车-桥耦合系统中车-桥系统的振动特性及车辆行车安全特性,得到车辆在大跨度桥梁上行驶时车辆的安全行驶临界风速,对车辆通过大跨斜拉桥时车辆的气动特性、车-桥系统的振动特性及车辆的行车安全特性进行研究。研究风荷载作用下车辆在大跨度桥上行驶时车辆的行车安全临界风速,分析车辆行驶速度、路面状况及风偏角对车辆行驶安全临界风速的影响。车-桥系统的耦合振动会导致车-桥系统周围风场的特性发生变化,风场的变化会导致下一时刻车-桥系统的受力状态发生改变。考虑车辆运动及车-桥系统的振动与车-桥周围风场的相互影响,基于双向流固耦合数值模拟,建立风-汽车-桥梁空间耦合振动数值分析模型。通过风-车-桥耦合系统三维数值分析,得到了风荷载作用下车辆在大跨度桥上行驶时不同状况下车辆的倾覆及侧滑临界风速。结果表明:基于双向流固耦合数值分析能够较精确地模拟风-车-桥耦合振动系统;风荷载作用下车辆在桥上行驶时,车辆的振动特性主要由汽车-桥梁系统决定,车-桥系统的振动特性受自然风荷载影响;侧向风荷载作用下车辆的倾覆力矩系数及侧向力系数并不一定为最大值,车辆在大跨径桥上行驶受侧向风荷载作用并不一定为行车安全分析的最不利状况。     

随机重载车辆作用下简支梁桥疲劳可靠度评估

为研究实际重载交通荷载作用下简支梁桥疲劳安全水平,提出了基于随机重载车流的既有桥梁疲劳可靠度分析方法。基于高速公路桥梁动态称重车流数据建立了重载随机车流模型,采用响应面方法分析随机车辆对桥梁产生的等效疲劳应力,模拟了考虑车辆超载率上限的疲劳应力谱,估算了运营期内交通变化对简支梁桥疲劳可靠指标的影响。研究结果表明:总重相等的不同车型对简支梁桥产生的等效疲劳应力幅不同,主要表现在随着车轴数量的增长,桥梁的等效疲劳应力幅有所降低;在未控制超载车辆时,桥梁的疲劳应力谱表现出明显的双峰特征,而采用超载率上限控制措施之后,高幅疲劳应力概率密度峰值有所降低;交通量增长导致桥梁疲劳可靠指标显著降低,且随着运营期的增长该下降趋势更加明显;设置100%和50%的车辆超载率上限,将导致40m简支T梁桥在运营期内疲劳可靠指标分别由2.54升高至2.74、2.91。     

基于实测车流的悬索桥黏滞阻尼器多目标控制研究

为了研究不同黏滞阻尼器参数对车流荷载作用下大跨径悬索桥响应的影响,建立了一座大跨径钢桁架悬索桥的有限元模型。首先对交通荷载监测系统采集的实际交通流数据进行了分时段分车道筛选,得到小时车重极值时段的车流数据,利用格林希尔兹模型模拟形成了基于实测数据的高真实度车流。接着采用等参元方法将车辆荷载简化为集中力荷载分配加载,分析了车流作用下不同黏滞阻尼器参数对结构关键指标响应的影响,包括主梁梁端纵向最大位移、主梁梁端累计位移、主梁跨中弯矩、主塔塔顶位移、主塔塔顶加速度、主塔塔根弯矩、主缆力以及吊杆力变化趋势。最后采用变异系数法计算了指标权重,利用TOPSIS法确定了指标响应的理想解与负理想解,基于各参数方案结构指标响应的相对接近度对阻尼器参数方案进行了评价。分析结果表明:黏滞阻尼器可以有效降低车流作用下的梁端最大位移、梁端累计位移及塔顶加速度;对塔顶位移、塔根弯矩、主缆力及吊杆力的影响并不明显,不同指标对应速度指数和阻尼系数的变化规律不完全一致;速度指数对车流作用下结构响应的影响更为明显,速度指数越小,阻尼器的控制效果提升越明显,在慢速运动时能发挥更好的控制作用,阻尼系数增大亦可提升控制效果,但阻尼系数较小时对应的最大设计速度更大。     

基于最优控制理论的制动能量回收策略研究

以混合动力电动汽车为研究对象,以驾驶员的制动意图和制动能量回收率为设计指标,基于最优控制理论设计了一套有效的制动力分配模型。仿真结果表明,该控制方法能够显著提高汽车制动时的响应速度,大约在0.5 s以内就能实现制动意图,并且能够提高制动能量回收率10%左右。     

重型载货汽车气压制动系统危险状态识别

针对重型载货汽车因气压制动系统发生管路破裂、机械故障或热衰退导致制动效能下降且不易察觉从而引发严重交通事故的问题，提出基于主成分分析降维（PCA降维）和马尔可夫模型的气压制动系统危险状态识别方法。考虑到三轴载货汽车双回路制动系统的结构复杂性以及制动过程制动踏板动作、系统压力建立和实现车辆减速具有明显的时序性特点，首先采用PCA降维的方法对系统状态进行辨识；然后运用驾驶人制动意图与制动系统响应的双层隐形马尔可夫模型对系统状态进行识别。受驾驶人习惯影响制动踏板作用瞬间辨识度低，采用混合高斯聚类法提取不同制动意图时制动保持阶段数据建立制动意图识别模型和系统响应识别模型，通过二者匹配程度判定系统状态。最后，分别依据实车试验数据对模型进行离线训练和在线辨识验证。试验结果表明：系统正常状态下，基于PCA降维和马尔可夫模型相结合的识别方法能够准确、有效地识别制动系统状态；制动管路断开压力降低状态下，PCA降维方法能够及时有效识别其危险状态。     

基于交通信息的电动汽车制动策略及仿真

为了提高滑行能量回收经济性和踏板制动安全性、舒适性,基于交通信息,提出了电动汽车(EV)制动协调策略。分析了滑行制动的经济性,由交通信息和汽车行驶状态确定滑行制动强度;由道路信息和前方车辆信息建立汽车安全距离模型和碰撞预警策略,利用预警信息对滑行制动和踏板制动强度进行协调。对本策略进行仿真验证。结果表明:利用交通信息的滑行策略,在通行良好工况下综合能耗减少1.1%,拥堵工况下减轻驾驶员的制动疲劳;预警和协调策略避免了频繁预警,减小了紧急避撞触发几率。因此,利用交通信息能够辅助驾驶员进行更加合理的制动。     

强风环境下斜拉桥车桥系统动力响应分析研究

基于模态综合分析理论,在推导复杂车辆模型刚度、阻尼矩阵和建立车桥系统风荷载模型的基础上,提出一种全面考虑动力风载效应的车桥系统动力响应分析方法,结合桥例对强风环境下的斜拉桥车桥系统的动力响应进行了分析研究。结果表明:强风下桥梁竖向位移响应受风载影响显著,横向位移响应主要由风荷载控制;低风速下桥梁的振动加速度响应受风荷载影响较大;风荷载引发的桥梁振动对车辆竖向位移和加速度响应影响较大,横向响应由风载和桥梁响应控制,风载对车桥系统动力响应影响明显。所提出的方法具有较高的精度和分析效率,可为其他类型大跨桥梁的相关分析提供参考。     

Vehicle Dynamic Control for In-Wheel Electric Vehicles Via Temperature Consideration of Braking Systems

?Vehicle dynamic control (VDC) systems play an important role with regard to vehicle stability and safety when turning. VDC systems prevent vehicles from spinning or slipping when cornering sharply by controlling vehicle yaw moment, which is generated by braking forces. Thus, it is important to control braking forces depending on the driving conditions of the vehicle. The required yaw moment to stabilize a vehicle is calculated through optimal control and a combination of braking forces used to generate the calculated yaw moment. However, braking forces can change due to frictional coefficients being affected by variations in temperature. This can cause vehicles to experience stability problems due an improper yaw moment being applied to the vehicle. In this paper, a brake temperature estimator based on the finite different method (FDM) was proposed with a friction coefficient estimator in order to solve this problem. The developed braking characteristic estimation model was used to develop a VDC cooperative control algorithm using hydraulic braking and the regenerative braking of an in-wheel motor. Performance simulations of the developed cooperative control algorithm were performed through cosimulation with MATLAB/Simulink and CarSim. From the simulation results, it was verified that vehicle stability was ensured despite any changes in the braking characteristics due to brake temperatures.     

基于线性路径跟踪控制的换道避撞控制策略研究

为实现车辆自主避撞,改善道路交通安全状况,提出一种基于线性路径跟踪控制的换道避撞控制策略。为实时确定制动和换道时机,获取跟车状态下自车和前车车速、加速度、相对距离以及驾驶人制动反应时间计算制动安全距离和换道安全距离,并在此基础上分别引入制动危险系数B和换道危险系数S评估制动与换道风险,使得车辆发生追尾碰撞的危险程度和主动干预阈值更直观。根据车辆期望横向加速度和期望横向位移的变化特性,采用5次多项式法规划符合驾驶人换道避撞特性的避撞路径。为保证换道避撞过程中驾驶人的安全舒适,采用最大横向加速度约束换道避撞轨迹。为实现对换道避撞路径的线性跟踪控制,保证车辆的操纵稳定性和横摆稳定性,基于车辆稳态动力学模型建立前馈控制,结合线性反馈控制消除换道路径的位置和横摆角偏差,修正参考路径实现直车道场景追尾避撞控制。仿真和实车交叉验证试验表明：根据车辆期望横向加速度和期望横向位移建立的符合驾驶人换道避撞特性的五次多项式换道路径与驾驶人实际换道避撞路径基本吻合,结合碰撞时间和车间时距的制动避撞控制策略能够在保证车辆行驶安全舒适性的同时有效避免车辆追尾碰撞,减少交通事故的发生。     

制动性能测试在受损车辆司法鉴定中的适应性研究

针对整车制动性能完成对车载制动检测系统的集成,实时检测、采集、分析各传感器输入的制动踏板力、制动减速度、管路压力等制动性能参数,分别完成常规制动试验、制动失效试验、静态及动态制动踏板感觉试验,并完成对4类工况的制动性能分析对比;对受损车辆制动性能的司法鉴定进行考核评价,并完成制动性能测试在受损车辆司法鉴定中的适应性研究。     

非线性随机车流-自锚式悬索桥耦合振动分析系统

自锚式悬索桥独特的锚固形式使其主梁承受主缆传递的巨大轴向压力,为了研究主梁刚度在初内力及活载作用下的弱化问题对自锚式悬索桥结构静动力响应的影响,首先,结合自锚式悬索桥的非线性特点引入初应力刚度矩阵,考虑随机车流过桥时几何非线性的时变性,采用分离迭代法建立非线性随机车流-自锚式悬索桥耦合振动分析系统,并编制相应的非线性分析模块。其次,以某三跨混凝土自锚式悬索桥为例,选取集中力匀速过桥工况,利用ANSYS软件对非线性分析模块的可靠性进行验证。最后,分别设置2种极端工况：第1种是单车工况,近似认为只有恒载作用下产生的几何非线性;第2种是密集交通流工况,认为是恒载和最不利活载共同作用产生的几何非线性,并采用元胞自动机模型对密集车流进行模拟,研究自锚式悬索桥恒载和活载初内力引起的几何非线性对桥梁响应的影响程度。研究结果表明：单车工况下,梁塔恒载初内力对自锚式悬索桥的车辆过桥结构响应影响显著,主梁和主塔初内力贡献程度明显不同,主梁初内力对结构刚度矩阵变化的影响贡献较大而主塔贡献微小;相对于恒载,密集车流作用下初内力效应引起的几何非线性对自锚式悬索桥结构刚度影响微小,对结构响应的非线性影响也不明显。     

高速公路桥梁收费站前拥堵车辆荷载评估

因收费排队,使得桥上汽车间距减小,桥梁全宽、全长满布荷载及行车集中制动的概率大大增加,实际运营状态的汽车荷载分布模式与规范规定的荷载有很大区别。该文以《公路桥涵设计通用规范》(JTJ 021-89)的荷载模式为基础,根据收费广场荷载分布的特殊性,对实际交通状况进行了调研、统计和分析;研究了因交通量增加、大吨位车辆多和轴荷分布变化引起的汽车活载修正,汽车荷载横向分布系数的修正,汽车纵向布置的调整,以及汽车制动力系数的调整等内容。某大桥引桥桥头段拟改、扩建为收费广场,按前述分析为基础建立了新荷载标准(模式),为大桥旧桥改造和新建拼宽结构进行评估提供依据。该实例可供同类工程参考。