基于智能驾驶电动汽车的多车?桥梁耦合系统动力学特性研究

迫于能源和环保问题的压力, 电动汽车及智能驾驶受到了各国高度重视. 轮毂电机驱动电动汽车车轮振动剧烈, 与桥梁路面动力学相互作用更加突出, 现有研究主要针对传统汽车, 关于电动车轮与公路桥梁接触动力学相互作用及智能驾驶车队的多车?桥梁耦合作用研究尚不多见. 本文以轮毂电机驱动电动汽车为研究对象, 考虑车轮和桥面多点接触关系, 研究了两个智能驾驶汽车过桥时的车桥耦合动力学特性. 分析了电机质量、电机激励、轮胎悬架刚度非线性、车距、车速对系统振动特性的影响, 以及桥面不平顺激励、三重耦合激励对电动汽车平顺性的影响. 研究表明: 车距和车速是影响车?桥系统振动特性的重要因素, 在车?桥耦合动态设计中, 车距和车速的影响应重点关注; 桥面越平坦, 电机激励及桥面二次激励对车辆平顺性和道路友好性影响越加显著, 当汽车行驶在平坦桥面时两种激励对轮毂电机驱动电动汽车的影响不容忽视. 所建模型有望为智能驾驶电动汽车与桥梁的耦合作用研究提供理论参考.      

车辆各轮相干桥面不平顺激励的车桥耦合振动

根据车辆左右轮的互功率谱密度和相干函数,推导了左右轮桥面不平顺特性中对应相位角的相干关系,提出了采用相位角相干生成车辆各轮相干桥面不平顺激励的方法,并通过数值算例验证了该生成方法的可靠性.工程应用结果表明,车辆各轮相干桥面不平顺激励增大了桥梁、车辆竖向和车辆俯仰角的振动响应,但降低了车辆侧倾角的振动响应;不同相干函数模型对桥梁振动响应影响较小,但对车辆振动响应影响较大;同一相干函数模型,桥梁振动响应随着相干强度的增大而增大,但车辆振动响应随着相干强度的增大而减小;研究桥面不平顺随机激励对车桥耦合系统振动响应的影响有必要考虑车辆各轮的相干关系.     

Nonlinear dynamic analysis for coupled vehicle-bridge system with harmonic excitation

In this paper, a multi-degree-of-freedom lumped parameter coupled vehicle-bridge dynamic model is proposed considering the nonlinearities of suspension and tire stiffness/damping and the nonlinear foundation of bridge. In terms of modelling, the continuous expressions of the kinetic energy, potential energy and the dissipation function are constructed. The dynamic equations of the coupled vehicle-bridge system (CVBS) are derived and discretized using Galerkin’s scheme, which yield a set of second-order nonlinear ordinary differential equations with coupled terms. The numerical simulations are conducted by using the Newmark-β integration method to perform a parametric study of the effects on excitation amplitude, suspension stiffness and position relation. The bifurcation diagram, 3-D frequency spectrum and largest Lyapunov exponent are demonstrated in order to better understand the vibration properties and interaction between the vehicle and bridge with the key system parameters. It can be found that the nonlinear dynamic characteristics such as parametric resonance, jump phenomena, periodic, quasi-periodic and chaotic motions are strongly attributed to the interaction between vehicle and bridge. Significantly, under the combined internal and external excitations, the vibration amplitudes of the CVBS have a certain degree of dependence on the external excitation. Suspension stiffness could lead to complex dynamics such as the higher-order bifurcations increase and the chaotic regions broaden. The increasing of distance could effectively control the nonlinear vibration of CVBS. The application of the proposed nonlinear coupled vehicle-bridge model would bring higher computational accuracy and make it possible to design the vehicle and bridge simultaneously.     

车辆-桥梁耦合作用分析

文章通过拉氏方程，在时变动力学的基础上，建立车-桥耦合振动的系统方程。重点探讨了车的质量、车速、刚度、阻尼比、桥跨、桥的阻尼比，桥面粗糙程度等参数在车．桥耦合振动中的作用。其中车速、车的刚度、桥的形式、桥的阻尼起着重要作用。文中还比较了把车辆分别模拟为移动力、移动刚体、移动的弹性体时车．桥互相作用力的差别，得出有必要将车辆模拟为移动的弹性体，以减小分析高速车辆所引起的互相作用力的误差。并考虑了车-桥耦合振动中行驶车辆的转动效应，虽然它的影响是很小的；还尝试性的讨论了桥上行车舒适度的问题，车的阻尼起着很重要的作用。     

带弹簧-质量系统的车-桥耦合演变随机振动

提取悬挂有弹簧-质量系统桥梁的模态函数,将车辆简化为一个两自由度的移动系统,以桥面不平度功率谱密度为输入,建立车辆与带弹簧-质量系统的桥梁的耦合系统力学模型. 结合状态空间理论和演变随机过程的一般理论,研究车-桥耦合演变随机振动的弹簧-质量系统控制. 通过数值算例可知:弹簧-质量系统对车辆的随机响应没有影响,而可以降低桥梁的随机响应. 最后,探讨了弹簧-质量系统与桥梁质量比、弹簧--质量系统个数对桥梁随机响应的影响.     

车桥耦合振动系统的半主动控制法

在已研究的车桥耦合振动动力学模型的基础上,针对简支桥梁模型,将车载对桥梁的耦合作用力看作是外干扰,提出了一种对桥梁的半主动控制模型。根据哈密顿原理推导了控制模型,发现这种模型自身具有状态反馈的特点;针对四分之一车辆与桥梁耦合振动建立的控制模型,经过搭建Simulink仿真,可以看出该模型对于跨中位移以及耦合力作用点位移振幅的削减幅度达80%左右,由此说明了半主动控制模型具有良好的控制效果。     

列车-桥梁耦合振动研究综述

针对列车-桥梁耦合振动问题,从模型分类与建立、轮轨接触、数值计算、工程应用等4个方面综述了20世纪60年代至今,特别是近20年以来的研究进展,总结了已经取得的成就与结论.并指出建立更加精细合理、运算效率高的列车-桥梁耦合振动模型,综合考虑整个体系中的各种因素,更系统地分析车、桥相互作用的影响关系,将成为列车-桥梁耦合振动研究的必然趋势.      

基于LS -DYNA公路桥车桥耦合的车辆模型研究

研究公路桥梁在移动车辆荷载作用下的动力响应,建立合理的车辆模型非常重要。为更真实地体现桥梁在车载作用下的动力响应,基于LS-DYNA程序,结合常用重型车辆的结构特性及参数,对车辆的橡胶轮胎、轮胎内气体压力、车轮转动和车辆悬架系统进行模拟,使车辆模型更接近实际车辆。通过车辆轴重和动力特性初步验证车辆有限元模型的有效性;同时,以一座混凝土简支空心板梁桥为算例,验证车轮转动和车桥相互接触力,并将LS-DYNA计算结果与桥梁实测结果进行对比,进一步验证车辆有限元模型的有效性。研究结果表明,基于LS-DYNA建立的三维车辆有限元模型是可行的,可以用于研究车桥相互作用。     

随机车辆冲击作用下简支梁桥疲劳可靠度评估

为了研究考虑随机车辆冲击效应的简支梁桥疲劳安全水平,提出了基于车-桥耦合振动与随机车流的桥梁疲劳应力谱模拟方法,并应用于疲劳可靠度评估。基于某高速公路桥梁动态称重数据建立随机车流模型,采用小样本车辆数据拟合桥梁等效疲劳应力范围的插值响应函数,最后由高斯混合模型拟合大样本随机车流作用于桥梁构件的疲劳应力谱。分析了25 m标准跨径简支T梁桥底部普通钢筋的疲劳应力谱,评估了考虑路面劣化与交通量增长的桥梁疲劳可靠度。数值分析结果表明,基于随机车流模拟的疲劳应力谱具有典型的多峰分布特征,包含了超载车辆产生的疲劳应力;车辆对桥梁的冲击效应致使等效疲劳应力放大系数略大于冲击系数,当路面等级为一般时,采用规范冲击系数将低估车辆冲击效应的疲劳损伤;路面劣化与交通量增长均会导致桥梁运营期内的疲劳可靠指标显著降低,由路面劣化导致车辆对简支梁桥的冲击效应不可忽略。     

考虑轮轨脱离的车桥耦合系统动力响应分析

针对密贴和弹簧连接两种轮轨关系模型,通过构造车轮与桥梁之间相对位移和相互作用力间的线性互补关系,建立了两种考虑轮轨脱离的车桥耦合系统动力学分析模型,从而将车桥耦合系统的轮轨连接问题转化为标准的线性互补问题。本文方法不需要在每一个时间步对接触状态进行判断,避免了传统算法的迭代求解过程,能够对轮轨脱离进行模拟。在数值算例中,讨论了无量纲化的车桥耦合系统质量、刚度等参数和行驶状态对系统响应动力放大系数的影响,以及速度因子和车桥质量因子对轮轨脱离的影响。数值算例证明了本文方法的正确性,且相对于传统轮轨接触模型具有更高的计算效率。     

三维车桥耦合系统的非平稳随机振动分析

推导了线性时变系统非平稳随机响应的多维虚拟激励法,研究了三维车桥耦合系统受轨道激励而产生的非平稳随机振动。桥梁模型采用空间Euler梁单元,轨道激励假设为均匀调制多点异相位非平稳随机激励。采用多维虚拟激励法把轨道不平度转化为一系列简谐不平度的叠加,通过简单分解精细积分格式进行迭代计算,最终得到系统随机响应的时变功率谱及均方根。数值算例中,用时间历程法验证了本文方法的正确性,并且分析了方向、高低、水平三类轨道激励同时作用下三维车桥耦合系统的非平稳随机振动特性。     

车桥耦合振动分析的两种常用插值方法比较

利用模态综合法分析车辆与桥梁之间的相互作用时,合理地构造桥梁的插值振型函数可以大幅提高计算精度.其中,分段三次Hermite插值函数和三次样条插值函数较为常用.为研究二者的异同,以简支梁桥为例分别采用这两种插值函数构造结构梁单元模型的一维插值振型函数和板单元模型的二维插值振型函数.基于以上两类插值振型函数,分析单自由度簧上质量匀速过桥时,桥梁的跨中位移、跨中梁底正应力和轮-桥接触力时程响应.结果表明:无论是一维问题还是二维问题,由三次样条插值法构造的插值振型函数与结构的实际振型较为吻合,计算结果具有较高的收敛性和精度.而要达到相同的精度,分段三次Hermite插值法则须加密单元网格,但其误差仅存在于独立网格内,不会累积放大.     

车桥耦合振动迭代求解数值稳定性问题

本文首先建立简化的等效弹簧振子模型进行车桥耦合振动迭代求解稳定性理论分析,然后将分析结论推广到复杂车桥系统进行验证.论文揭示了迭代不收敛的机理,再现了分离迭代发散的现象,提出了解决或者改善迭代稳定性的方法.研究表明迭代计算稳定性主要由所采用的轮轨接触假设决定,轮轨密贴接触假设是迭代不收敛的主要根源,而采用轮轨非密贴接触假设基本不会导致迭代不收敛.若采用轮轨密贴接触假设,在足够小的积分步长下,轮对质量与轮轨接触处桥梁单元的节点集中质量之比是影响迭代稳定性的关键因素,而桥梁和车辆系统的刚度、阻尼是影响迭代稳定性的次要因素.可采取如下方法改善迭代稳定性:忽略轮对惯性力对桥梁的作用,采用迭代加速技术,选用较大的时间积分步长等.     

人车路系统三维耦合振动分析及舒适度评价

基于将车身视作三维弹性梁、车轮为刚性体的全车模型,人体采用坐姿并联动力模型,路面简化成Kelvin地基上的板,通过轮胎的刚性滚子接触模型将车辆与路面耦合在一起,建立起考虑人车、车路耦合作用的用于评价车辆乘坐舒适度的三维人车路耦合系统振动模型,并推导出其运动平衡方程;通过Galerkin法对路面方程进行离散,采用New-mark积分法对耦合系统方程组进行求解,对人车路系统振动响应进行了分析;采用人体加权振动加速度均方根值对车辆乘坐舒适度进行评价,并对系统各参数对车辆乘坐舒适度的影响进行探讨.数值分析表明:传统模型下车辆乘坐舒适度指标与本文模型的指标相差最高可达到约30％;在分析车辆振动响应及乘坐舒适度时,不能忽视车辆与路面、人体与车辆相互作用,系统各参数对车辆乘坐舒适度都有一定程度的影响.     

一种基于轮轨竖向刚性接触的车-桥空间耦合振动建模方法

车辆-桥梁耦合振动研究具有重要的理论意义和工程实用价值,耦合系统运动方程的建立是研究开展的关键。本文将车辆-桥梁作为一个整体系统,采取轮轨竖向刚性接触方式,考虑轨道竖向、横向不平顺及其一、二阶导数,和轮对侧滚惯性力以及自旋角动量的影响,车辆采用弹簧阻尼连接的多刚体模拟,桥梁采用空间梁单元离散,基于Kalker线性蠕滑理论结合Shen-Hedrick-Elkins修正理论计算轮轨蠕滑力,运用弹性系统动力学总势能不变值原理及其对号入座法则,推导了车辆-桥梁耦合系统空间有限元形式的运动方程,该运动方程可采用逐步积分法直接求解得到车辆和桥梁的动力响应。最后,本文给出了典型的数值算例进行了分析计算。     

斜拉桥塔-索-桥面耦合参数振动模型及响应分析

针对大跨度斜拉桥拉索与桥塔、桥面的协同振动问题,考虑拉索垂度、阻尼、倾角以及重力弦向分力的影响,引入拉索高精度抛物线形,建立了桥塔-索-桥面连续非线性精细化振动模型,推导了桥塔和桥面共同激励作用下斜拉索耦合振动方程,对比分析了2种激振模式下斜拉索的参数振动特性,并编制程序研究了桥面与拉索的频率比、桥面激励幅值、索力及阻尼对结构耦合振动特性的影响规律。结果表明：桥面与拉索频率比对系统振动的影响较大,频率比为1:2和2:1时拉索均产生强烈振动,但2:1激振模式下拉索振幅更大,达到共振时间较长;随着桥面激励幅值的增大,2:1亚谐波共振模式下的拉索振幅增长速率更快;拉索振幅随索力的增大呈非线性减小趋势;斜拉索阻尼超过2%时,继续提高自身阻尼不能有效减小其振动幅值,需要通过设置附加阻尼才能更好地抑制其振动。     

桥梁表面不平顺对车-桥耦合振动系统动力效应的影响

利用模态分析法以及时变力学系统的求解方法,考虑桥面不平顺产生的随机激励,以简支梁桥为对象,计算了四自由度模型车辆-桥梁耦合系统的动力效应,讨论了不同等级桥面平整度情况下桥梁冲击系数、车辆垂直加速度、车轮对桥的作用力的变化规律。结果表明,随着不平整度系数逐渐增大,冲击系数逐渐增大;平整度较差等级的桥面,车辆垂直加速度较大,车轮对桥的作用力也较大。     

跳车冲击力作用下车桥耦合动力学数值分析

考虑到传统的Hertz弹簧模型进行车桥耦合动力学分析存在诸多问题,本文基于简单的车桥耦合模型,导出了车桥耦合与非耦合动力学方程。考虑轨道周期和随机不平顺情况,车辆在不平顺轨道曲线上运行时,当离心力大于车辆自重时,自动确定车辆的起跳时间和起跳高度。起跳后的车辆在重力作用下,将重新回到梁上,同时对梁有一冲击作用力。文章假设了此冲击力的作用规律,并由有限元模拟确定冲击力系数。通过自编程序,对单轴行车简支梁进行了数值计算。数值分析结果表明,考虑跳车冲击力的动力模型能够更加精准地反应车桥耦合振动特征,且本模型首次给出了跳车高度。考虑轨道具有相同幅值的周期不平顺和随机不平顺时,轨道随机不平顺将导致桥梁,尤其是车辆的响应更大,舒适性更差或结构更危险,在车桥耦合动力学分析中应重点关注。     

基于车桥耦合理论的梁式桥阻尼比识别研究

提出一种基于车桥耦合动力学理论的梁式桥阻尼比识别方法. 首先按照动力学理论将测试车设计为单自由度体系, 然后利用安装在测试车上的传感器采集信号, 从测试车与桥梁接触点响应信号中得到梁式桥响应的信号, 基于车桥耦合动力学原理滤波处理得到包含梁式桥第一阶频率的信号, 最后假定梁式桥阻尼比值, 通过假定的梁式桥阻尼比值获取假定的梁式桥第一阶振型, 不断循环直至假定的阻尼比值下计算的第一阶振型最大值点居中, 即为识别的梁式桥真实阻尼比. 本文首先从车桥耦合动力学理论推导上说明了该方法的可行性, 然后考虑在不同车速与非恒定车速、路面粗糙度、环境噪音等影响因素下进行车桥耦合动力学模型分析, 最后通过实桥试验进行了初步验证. 研究结果表明: 该方法能一定程度上克服外界不利因素的影响, 达到识别梁式桥阻尼比的目的, 为识别梁式桥阻尼比提供一种更优方法, 其具有参数设置较少、操作简单方便以及更高测试精度等优点, 同时有助于推动基于车桥耦合的车桥耦合动力学理论技术在梁式桥模态参数识别工作中的实际工程应用.      

Non-linear interactions in the flexible multi-body dynamics of cable-supported bridge cross-sections

An elastic section model is proposed to analyze some characteristic issues of the cable-supported bridge dynamics through an equivalent planar multi-body system. The quadratic non-linearities of the four-degree-of-freedom model essentially describe the geometric coupling which may strongly characterize the dynamic interactions of the bridge deck and a pair of identical suspension cables (hangers or stays). The linear modal solution shows that the flexural and torsional modes of the deck (global modes) typically co-exist with symmetric or anti-symmetric modes of the cables (local modes). The combinations of parameters which realize remarkable 2:1:1 internal resonance conditions among one of the global modes (with higher natural frequency) and two local modes (with lower and close natural frequencies) are obtained by virtue of a multiparameter perturbation method. The non-linear response of the resonant systems shows that the global deck motion – directly forced at primary resonance by an external harmonic load – can parametrically excite the local cable motion, when the deck vibration amplitude overcomes the critical value at which a period-doubling bifurcation occurs. The relevant effects of both viscous damping and internal detuning on the instability boundaries are parametrically investigated. All the internal resonance conditions as well as the critical vibration amplitudes are expressed as an explicit, though asymptotically approximate, function of the structural parameters.