基于车路耦合系统下的路面结构行为仿真分析.pdf

车辆与道路桥梁耦合随机动力分析及优化摘要：本文主要研究了车辆与道路/桥梁耦合系统在动力分析以及动力优化过程中的关键问题，提出了一种建立在随机振动灵敏度基础之上的动力优化方法，望以上问题为后续同类作业的开展提供一定的参考与帮助。

关键词：车辆道路/桥梁耦合动力优化现阶段，有关车辆与道路/桥梁耦合系统随机动力分析的研究还比较少，在计算方面存在着比较大的问题与不足。

起来，主要可以归纳为以下两个方面：首先，在有关车辆与道路/桥梁耦合系统振动动力的分析中，为了判定车辆振动受路面随机不平整度的影响，多是通过时间历程分析的方式实现，其所得出的概率特征不够准确，随机动力响应不够精确，并会对后期有关车辆振动的控制产生不良影响；其次，在有关车辆与道路/桥梁耦合系统动力优化的过程当中，由于目标函数及约束函数多以复合、非线性函数作为表现形式，因此在灵敏度分析方面格外的复杂。

现阶段是应用的最小二乘法、或则是摄动法均无法解决计算量过于繁重的问题。

本文即针对上述实际情况，就车辆与道路/桥梁耦合系统在随机动力分析与优化方面的关键问题做详细分析与说明。

1.车辆与道路/桥梁耦合系统运动方程分析从车辆与道路/桥梁耦合系统的研究视角上来看，车辆在行驶过程当中从本质上来说属于一个极为复杂的多自由度振动体系。

为了使后续有关随机动力的分析优化操作更加简便，需要作出如下几点假设：（1）假设行驶车辆车身为钢体，前桥、后桥均为集中质量；（2）假设行驶车辆左向车轮、右向车轮所受到的路面不平整度激励功率谱表现完全一致，仅在受激励的时间方面存在差异；（3）假设行驶车辆始终保存均匀速度以直线运动，车辆轮胎始终与地面保持接触关系；（4）假设车辆在行驶过程当中的垂向针对以及仰俯振动会对路面产生显著影响；（5）剔除车辆在行驶过程当中，其他方向振动对路面的影响。

基于以上分析，在假定车辆轮胎与路面始终保持接触关系的前提条件下，以Zcn代表车辆第n个车轮所发生的位移反应，由此可以在DAlembert原理的基础之上，构建对应车辆行驶过程的基本运动方程，如下所示：2.精细积分法在车辆与道路/桥梁耦合系统随机动力分析中的应用相关研究人员认为：在车辆轮胎行驶于道路/桥梁表面的过程当中，只要车辆能够保证移动动作的晕苏醒，则对于轮胎同道路/桥梁的接触点而言，耦合力的表现与接触点自身对应的位移、速度、加速度表现均存在显著的相关性关系，而各单元当中，任意信息均可以通过节点信息的方式获取。

基于车路耦合系统下的沥青路面结构行为仿真分析1 研究背景及意义研究目的：建立车路耦合系统力学分析模型，从车路整体系统来研究沥青路面结构在行车荷载作用下的力学行为响应，为路面结构各设计参数优化设计和路面材料设计提供理论指导。

基本概念解释：车路耦合系统动力学研究的基本思想是：将车辆系统和道路系统视为一个相互影响、相互作用、相互耦合的整体大系统，将轮胎与路面相互作用关系作为连接两个子系统的纽带，综合考虑车辆在阻尼道路结构上的动态运行行为、车轮与路面的动态相互作用特性和车辆对路面结构的动力作用规律，在此基础上，系统研究路面结构在运动荷载下的力学响应情况。

轮胎对路面的作用关系是车路耦合系统的核心问题！车辆系统和道路系统之间的动态反馈作用均由轮胎与路面作用关系的动态变化来实现，具体是通过轮胎与路面的振动变形进而引起轮胎与路面的接触变形及接触几何状态变化而产生作用的。

两个关键问题：（1）建立初步的车路耦合系统力学分析模型【研究平台和基本工具】（2）沥青路面结构行为仿真分析的研究思路【分析目的、分析参数、分析内容】研究出发点：1 由于车辆自身的振动作用以及路面平整度的不规则变化，当车辆行驶时，车轮实际上会以一定的频率和振幅在路面上振动，而这种振动与路面平整度及行车参数有一定关系，而且反过来又会影响对路面施加的作用力，从而在道路和车辆之间产生耦合作用，也就是说，在车辆行驶过程中，车辆外加荷载与路面结构参数之间是相互影响和相互作用的。

2 室内研究所采用的静力加载模式和简单的动力加载模式与车辆行驶过程中对路面结构的实际作用力之间的差异非常大，由行车荷载动力特性所造成的路面疲劳开裂现象难以用静力学模式和简单的动力学模式去描述，归根到底是因为对车辆动荷载的模拟明显不能考虑路面特征（结构及材料参数、平整度等）对行车的影响3 公路领域对车路耦合系统下路面结构动力学问题的分析研究较少，行业内很少从车路整体系统的角度来考虑路面各个设计参数（路面结构形式、路面材料特性、路面平整度等表面性状等）对车辆行驶特性的影响，以及路面结构在随机变化的行车荷载作用下的力学响应特征项目特点：（1）比较新颖，比较复杂，动力学问题，对力学分析能力和数学计算能力要求较高；（2）基础性强，可继续开发性强，建立车路耦合系统力学分析模型属于平台搭建，能够进一步提升材料与结构一体化研究的层次，结合路面结构的动力学分析结构来指导材料设计的方向；（3）涉及道路工程和车辆工程两个领域；2 国内外研究现状及发展动态众所周知，车辆系统和道路系统实际上是相互作用的，而我国现阶段的路面设计采用双轮组单轴载100kN作为标准轴载，并将其简化为单圆或者双圆均布荷载进行计算，这种设计方法显然没有考虑车辆对路面的动态作用，即使要考虑动态作用，也只限于在静力设计的基础上根据经验用冲击系数进行修正。

车辆-道路非线性耦合系统动力学建模与分析车辆-道路非线性耦合系统动力学建模与分析摘要：本文针对车辆与道路的非线性耦合系统动力学进行建模与分析。

首先，介绍车辆与道路非线性耦合系统的背景和重要性。

然后，详细讨论了车辆与道路的动力学特性以及它们之间的相互作用。

接着，给出了车辆和道路的数学模型，并分析了模型的参数对系统动力学行为的影响。

最后，通过仿真实验验证了模型的有效性，并对系统的特征进行了分析。

一、引言随着交通工具的不断发展和道路建设的快速增长，现代车辆与道路的耦合关系越来越紧密。

而车辆与道路的非线性耦合动力学系统研究可以为交通安全、交通流理论等领域提供重要理论依据。

因此，对车辆-道路非线性耦合系统进行动力学建模与分析具有重要意义。

二、车辆与道路的动力学特性及相互作用车辆的动力学特性主要包括车辆的质量、惯性、悬挂系统、制动系统、传动系统等。

道路的动力学特性则主要包括道路的几何形态、纵横坡度、摩擦系数等。

车辆与道路之间的相互作用主要表现为车辆在道路上的运动轨迹、车辆对道路的依赖性和道路对车辆的约束性等。

三、车辆和道路的数学模型1. 车辆的数学模型车辆可以用于多体动力学系统进行建模，其中车辆的运动可以由几个基本参数描述，如车辆的质量、重心高度、弹簧刚度、阻尼系数等。

通过牛顿力学和拉格朗日动力学原理，可以得到车辆的运动方程。

2. 道路的数学模型道路可以用一维和三维模型进行建模。

一维模型主要考虑道路的纵向坡度和横向坡度对车辆运动的影响。

三维模型则考虑了道路的几何形状、纵横坡度和摩擦系数等对车辆运动的影响。

四、模型参数对系统动力学行为的影响分析模型参数对系统动力学行为的影响主要表现为车辆的稳定性、速度、加速度等方面的变化。

例如，车辆的质量增加，会导致车辆加速度减小；道路的纵向坡度增加，会导致车辆速度减小。

五、系统动力学行为的仿真实验与分析通过对车辆-道路非线性耦合系统进行仿真实验，验证了模型的有效性，并对系统的特征进行了分析。

车—路耦合条件下高速铁路路基及桥路过渡段结构系统动力分析一、本文概述随着高速铁路的迅速发展，列车运行速度与日俱增，对线路结构的安全性、平稳性和舒适性提出了更高要求。

车—路耦合系统作为高速铁路的重要组成部分，其动力学特性对列车运行品质和线路结构安全具有重要影响。

特别是在路基与桥路过渡段，由于结构形式的突变和材料的非线性，动力响应问题尤为突出。

本文旨在深入研究车—路耦合条件下高速铁路路基及桥路过渡段结构系统的动力分析，为高速铁路的安全、稳定运行提供理论支持和实践指导。

本文首先介绍了高速铁路路基及桥路过渡段的结构特点，分析了车—路耦合系统的动力学原理。

在此基础上，建立了高速铁路路基及桥路过渡段结构系统的动力学模型，并采用了先进的数值分析方法，对列车在不同速度、不同轨道不平顺条件下的动力响应进行了深入研究。

通过对路基及桥路过渡段结构的位移、应力、加速度等关键参数的分析，揭示了车—路耦合条件下结构系统的动力特性及其影响因素。

本文还针对高速铁路路基及桥路过渡段结构的动力优化问题进行了探讨，提出了相应的改进措施和建议。

这些措施旨在提高结构系统的动力性能，减少列车运行时的振动和噪声，提高乘客的舒适度，同时确保线路结构的安全性和稳定性。

本文的研究对于深入理解高速铁路路基及桥路过渡段结构系统的动力学特性，提高高速铁路的安全性和平稳性，具有重要的理论价值和实践意义。

通过本文的研究，可以为高速铁路的设计、施工和维护提供科学依据，为高速铁路的可持续发展贡献力量。

二、车—路耦合条件下的动力学基础车—路耦合条件下的高速铁路动力学研究，是探究列车与线路之间相互作用、相互影响的科学问题。

在高速运动状态下，列车与路基、桥梁等线路结构之间的动力相互作用尤为显著，这种相互作用不仅影响列车的运行平稳性和安全性，也对线路结构的长期服役性能产生深远影响。

对车—路耦合条件下的动力学基础进行深入研究，是高速铁路工程设计与运营维护的重要理论基础。

车-路耦合书一、前言车-路耦合是指车辆与道路之间的相互作用关系。

在现代社会中，车辆与道路的耦合性对交通运输的安全、效率和舒适性有着重要的影响。

本书将深入探讨车-路耦合的相关问题，从人类视角出发，以真实的叙述方式，呈现给读者。

二、车辆的行驶特性与道路条件车辆的行驶特性与道路的条件密切相关。

不同类型的车辆在不同的道路条件下会表现出不同的行驶特点。

例如，小型轿车在平坦且宽阔的道路上行驶时会更加稳定，而在狭窄且崎岖的山路上则需要更高的驾驶技巧和注意力。

三、道路设计与车辆性能匹配道路设计应当充分考虑车辆的性能，以提供安全、高效和舒适的行驶环境。

例如，在高速公路上，应当根据车辆的最高速度和刹车性能来确定匝道的长度和坡度，以确保车辆能够顺利进出高速公路。

同时，道路的弯道半径和坡度也应与车辆的操控性能相匹配，以减少驾驶员的驾驶负担。

四、道路养护与车辆维护道路的养护与车辆的维护是保障车-路耦合良好的重要环节。

道路的平整度、路面的摩擦系数以及标线的清晰度都会影响车辆的行驶安全性。

而车辆的悬挂系统、刹车系统和轮胎磨损情况也会直接影响到车辆在道路上的行驶性能。

因此，及时进行道路养护和车辆维护是确保车-路耦合良好的关键。

五、车-路耦合与交通运输的未来随着科技的不断进步，车辆与道路之间的耦合性将不断提高。

智能交通系统的发展将为车辆提供更多的行驶信息和辅助功能，以提高交通运输的效率和安全性。

同时，道路的设计和养护也将更加注重车辆的需求，以创造更好的行驶环境。

六、结语本书通过对车-路耦合的探讨，深入剖析了车辆与道路之间的相互关系。

通过人类视角的叙述方式，使读者能够更直观地感受到车-路耦合的重要性和影响。

希望本书能够为读者提供有关车-路耦合的全面了解，并为交通运输的发展做出贡献。

车载作用下公路桥梁耦合振动精细化建模及验证分析作者：殷新锋晏万里任厚乾刘扬来源：《湖南大学学报·自然科学版》2021年第09期摘要：現有车-桥耦合振动分析中车辆模型不能精确考虑车辆动力特性和柔性轮胎对车桥耦合振动响应的影响.为了进一步研究充气轮胎胎压对车-桥耦合振动的影响，基于LS-DYNA 程序，采用线弹性橡胶材料模拟轮胎并定义轮胎内气压，结合常用重载三轴汽车的结构参数，运用弹簧阻尼单元及梁、壳单元模拟车辆悬架系统的动力特性，建立可分析车轮气压的三维车辆模型;并基于实桥试验结果及响应面法得到高精度有限元桥梁模型;通过显式求解程序LS-DYNA内置的接触算法，将车辆子系统和桥梁子系统联立耦合起来，形成显式的车-桥耦合振动分析模型.计算结果与实测结果对比分析验证了该方法的正确性，并分析了轮胎胎压对桥梁振动的影响.关键词：响应面法;有限元模型修正;连续刚构桥;LS-DYNA;动力响应中图分类号：U441.2 文献标志码：AFine Modeling of Coupled Vibration of Highway Bridge underVehicle Loading and Verification AnalysisYIN Xinfeng1，YAN Wanli1，REN Houqian1，LIU Yang1，2（1. College of Civil Engineering，Changsha University of Science & Technology，Changsha 410114，China;2. College of Civil Engineering，Hunan University of Technology，Zhuzhou 412007，China）Abstract：In the existing coupling vibration analysis of vehicle bridge，the influence of vehicle dynamic characteristics and flexible tire on the vehicle bridge coupling vibration response can not be accurately considered. In order to further study the influence of pneumatic tire pressure on vehicle bridge coupling vibration，the linear elastic rubber material is used to simulate the tire and define the air pressure in the tire based on LS-DYNA program. Combined with the structural parameters of the commonly used heavy-duty three-axle vehicle，the dynamic characteristics of the vehicle suspension system are simulated by using the spring damping element，beam and shell element，and a three-dimensional vehicle model is established. Based on the test results of the real bridge and the response surface method，a high-precision finite element bridge model is obtained. The vehicle subsystem and the bridge subsystem are coupled together to form the explicit vehicle bridge coupling vibration analysis model through the contact algorithm built in the explicit solution program LS-DYNA. The correctness of the method is verified by comparing the calculation results with the measured results，and the influence of tire pressure on bridge vibration is analyzed.Key words：response surface method;finite element model updating;continuous rigid-frame bridge;LS-DYNA;dynamic response车辆在桥梁上行驶时产生的激励导致车辆和桥梁产生相互振动，该振动称为车桥耦合振动[1]. 国内外学者对车桥耦合振动问题进行了大量研究，并取得非凡成果.夏禾[2]将车辆简化为悬挂振动模型，研究了车-桥-墩相互作用的动力响应. Cai等[3-4]采用两轴车辆模型，基于功率谱密度函数生成随机桥面不平整度，分析了车辆荷载作用下桥梁振动响应. Huang等[5]采用三轴车辆有限元模型研究了简支梁的车桥随机振动. 韩万水等[6]结合实测数据对桥梁模型进行修正以得到桥梁基准模型，并采用梁格法对车桥振动进行分析. 李奇等[7]考虑车体柔性的影响，分析了高速列车和简支梁桥相互作用的影响. 邓露等[8]运用动态称重技术（BWIM）实时监测车辆总重和轴重，进行中小型跨径混凝土梁桥的振动研究.赵越等[9]基于等参映射与改进折半法在传统车桥耦合分析的基础上进一步提升其分析精度及计算效率，从而进行公路车桥耦合分析.但关于充气轮胎胎压对车-桥耦合振动影响的研究较少.主要原因为现有车-桥耦合振动分析中车辆模型多为简化的质量-弹簧-阻尼多自由度振动模型[10-13]，该模型常将车轮简化为点或者等效线面接触，故不能精确考虑车辆动力特性和柔性轮胎对车桥耦合振动响应的影响.因此，建立精确车辆模型和桥梁模型是至关重要的，这样才能提高数值模拟精度，为桥梁结构的健康运营提供有利建议.本文以一座连续刚构箱梁桥为工程背景.首先，基于LS-DYNA程序以车辆实际构造及动力特性为基准，建立车辆精细三维有限元模型;然后，结合响应面法并依据实桥试验结果对桥梁模型进行修正，以得高精度的桥梁有限元模型;最后，通过LS-DYNA程序将桥梁模型和车辆模型进行耦合，求解车桥的振动响应，并通过改变车轮气压，分析该参数对桥梁振动响应的影响.1 车辆模型的建立及校验1.1 车辆模型的建立在车桥耦合振动模型中，影响桥梁振动响应的主要因素为车辆模型的动力特性和荷载分布. 车辆模型需着重模拟悬架系统、车轮和轴重. 本文参照东风牌三轴载重自卸货车，建立车辆有限元模型，其相关参数如表1所示.前中轴距为3.5 m，中后轴距为1.4 m，后轮距为1.8 m. 基于CAD软件SolidWorks分别建立各部位的几何模型并进行网格划分，最后使用梁、壳、实体单元及离散单元等赋予不同部位网格不同的属性，从而构建车辆模型，如图1所示.车轮由轮胎、轮盘和轮毂组成.轮胎采用线弹性橡胶材料，轮盘和轮毂采用线弹性钢材材料，车轮模型中各部位连接均为刚性连接，边界为刚性固态约束，有限元模型如图2所示. 根据轮胎内实际气压，使用LS-DYNA程序关键字*AIRBAG_SIMPLE_AIRBAG_MODEL定义由轮胎、轮毂组成的封闭体内的气压，其气体压力值为0.6 MPa.由于车辆悬架系统结构复杂，本文采用壳单元、刚体、弹簧阻尼单元和多点约束来模拟悬架系统.前后悬架的弹簧和阻尼器的参数参考文献[14]，前悬架的弹簧刚度取800 N/mm，阻尼系数取20 Ns/mm;后悬架的弹簧刚度取1 200 N/mm，阻尼系数取25 Ns/mm. 前后悬架实体构造及有限元模型如图3所示.为了使车轮正常转动，在轮盘与车轴之间设置旋转铰，再通过定义*INITIAL_VELOCTIY_GENERATION关键字设置车轮的转动和平动速度，实现车轮滚动向前的状态，如图4所示.1.2 车辆模型的校验在车辆模型的3个轴上选择6个节点，约束竖向位移. 然后对车辆施加重力荷载使车辆产生瞬时振动，再通过定义关键字*DAMPING_GLOBAL对车辆模型施加全局阻尼，使其快速达到稳定状态，计算出约束反力，并与实测车辆轴重进行比较，最终得到车辆模型的轴载曲线如图5所示.由表2知，车体总重偏差为0.87%，说明实测车辆轴重分布特性能体现于建立的车辆模型.通过对比车辆模型和实测车辆的自振频率，验证车辆模型动力特性的有效性. 如图6所示，该车实测自振频率为1.635 Hz，车辆有限元模型的自振频率为1.647 Hz，显然，两者基频相差很小.2 桥梁模型2.1 桥梁概况该桥主桥为三跨变截面预应力混凝土连续刚构结构，跨径布置为（65+120+65） m，其立面及断面示意图分别如图7和图8所示.2.2 实桥试验利用有限元软件ANSYS建立初始有限元模型如图9所示. 主梁和墩身都用实体单元模拟，墩底采用固结连接. 混凝土密度取为2 500 kg/m3，主梁和墩的混凝土弹性模量分别为34.5 GPa和32.5 GPa.现场对桥梁进行静力试验，测试中加载车辆总数为6辆，每辆总重为35 t，车辆前轴重7 t，中轴和后轴各重14 t，车辆照片如图10所示.在正式试验前先进行预加载，以消除非弹性变形，确保试验及设备处于良好工作状态. 正式试验中将加载车分3級加载，每一级加载持荷2 ～ 3 min，待实测应变及挠度数据稳定后进行数据的采集工作，再进行下一级的加载工作. 限于篇幅，仅就其中一个工况做详要概述. 为了使加载截面承受最大正弯矩，在中跨跨中截面中心加载，相应的荷载效率系数为0.967.挠度测点布置如图11所示.实桥试验的挠度采用水准仪进行测量，现场测试照片如图12所示.脉动试验采用多通道数据采集分析系统NI公司的PXI系统进行试验，采用8330B3型超低频加速度传感器进行数据采集，最低采样频率从0 Hz开始，采集主梁横向和竖向振动数据，再经信号分析得到全桥的各阶固有振动特性，现场采集照片如图13所示.2.3 基于响应面法的有限元模型更新基于响应面法的有限元模型修正是用响应面函数来模拟实际结构的响应函数，将试验设计与数理统计相结合，通过样本选取、方差分析参数选取、响应面的拟合及采用优化算法寻求响应面模型中的最优解来进行有限元模型修正.据文献[15-16]知，影响有限元模型与实测桥梁结构差别的主要因素为结构混凝土密度、主梁和墩混凝土弹性模量，因此取这三个因素作为变量. 为获得响应与所选定的三参数之间的联系，首先需要参数设计. 根据参数取值的变化规律，假设三参数的单位长度值为10%，则可得该三参数值的变化范围见表3.以桥梁模态和静力变形为目标来更新桥梁模型，选取桥梁结构的第一阶自振频率（R1）、测点5挠度值（R2）和测点6挠度值（R3）作为目标函数.这3个目标函数充分利用了现场的实桥试验条件，且包含了桥梁静、动力性能指标，可较为全面、准确地反映桥梁的力学性能.根据上述试验设计，应用回归分析技术对样本数据进行响应面拟合，并用R2准则和R2adj准则进行响应面拟合精度的检验，其表达式见方程（1）（2）.式中：SST = SSE + SSR表示模型的总方差;dT表示模型的总自由度.如果R2和R2adj的值都接近1且两者差值很小，则表示响应面方程拟合得很好.本文以一座连续刚构箱梁桥为工程背景.首先，基于LS-DYNA程序以车辆实际构造及动力特性为基准，建立车辆精细三维有限元模型;然后，结合响应面法并依据实桥试验结果对桥梁模型进行修正，以得高精度的桥梁有限元模型;最后，通过LS-DYNA程序将桥梁模型和车辆模型进行耦合，求解车桥的振动响应，并通过改变车轮气压，分析该参数对桥梁振动响应的影响.1 车辆模型的建立及校验1.1 车辆模型的建立在车桥耦合振动模型中，影响桥梁振动响应的主要因素为车辆模型的动力特性和荷载分布. 车辆模型需着重模拟悬架系统、车轮和轴重. 本文参照东风牌三轴载重自卸货车，建立车辆有限元模型，其相关参数如表1所示.前中轴距为3.5 m，中后轴距为1.4 m，后轮距为1.8 m. 基于CAD软件SolidWorks分别建立各部位的几何模型并进行网格划分，最后使用梁、壳、实体单元及离散单元等赋予不同部位网格不同的属性，从而构建车辆模型，如图1所示.车轮由轮胎、轮盘和轮毂组成.轮胎采用线弹性橡胶材料，轮盘和轮毂采用线弹性钢材材料，车轮模型中各部位连接均为刚性连接，边界为刚性固态约束，有限元模型如图2所示. 根据轮胎内实际气压，使用LS-DYNA程序关键字*AIRBAG_SIMPLE_AIRBAG_MODEL定义由轮胎、轮毂组成的封闭体内的气压，其气体压力值为0.6 MPa.由于车辆悬架系统结构复杂，本文采用壳单元、刚体、弹簧阻尼单元和多点约束来模拟悬架系统.前后悬架的弹簧和阻尼器的参数参考文献[14]，前悬架的弹簧刚度取800 N/mm，阻尼系数取20 Ns/mm;后悬架的弹簧刚度取1 200 N/mm，阻尼系数取25 Ns/mm. 前后悬架实体构造及有限元模型如图3所示.为了使车轮正常转动，在轮盘与车轴之间设置旋转铰，再通过定义*INITIAL_VELOCTIY_GENERATION关键字设置车轮的转动和平动速度，实现车轮滚动向前的状态，如图4所示.1.2 车辆模型的校验在车辆模型的3个轴上选择6个节点，约束竖向位移. 然后对车辆施加重力荷载使车辆产生瞬时振动，再通过定义关键字*DAMPING_GLOBAL对车辆模型施加全局阻尼，使其快速达到稳定状态，计算出约束反力，并与实测车辆轴重进行比较，最终得到车辆模型的轴载曲线如图5所示.由表2知，车体总重偏差为0.87%，说明实测车辆轴重分布特性能体现于建立的车辆模型.通过对比车辆模型和实测车辆的自振频率，验证车辆模型动力特性的有效性. 如图6所示，该车实测自振频率为1.635 Hz，车辆有限元模型的自振频率为1.647 Hz，显然，两者基频相差很小.2 桥梁模型2.1 橋梁概况该桥主桥为三跨变截面预应力混凝土连续刚构结构，跨径布置为（65+120+65） m，其立面及断面示意图分别如图7和图8所示.2.2 实桥试验利用有限元软件ANSYS建立初始有限元模型如图9所示. 主梁和墩身都用实体单元模拟，墩底采用固结连接. 混凝土密度取为2 500 kg/m3，主梁和墩的混凝土弹性模量分别为34.5 GPa和32.5 GPa.现场对桥梁进行静力试验，测试中加载车辆总数为6辆，每辆总重为35 t，车辆前轴重7 t，中轴和后轴各重14 t，车辆照片如图10所示.在正式试验前先进行预加载，以消除非弹性变形，确保试验及设备处于良好工作状态. 正式试验中将加载车分3级加载，每一级加载持荷2 ～ 3 min，待实测应变及挠度数据稳定后进行数据的采集工作，再进行下一级的加载工作. 限于篇幅，仅就其中一个工况做详要概述. 为了使加载截面承受最大正弯矩，在中跨跨中截面中心加载，相应的荷载效率系数为0.967.挠度测点布置如图11所示.实桥试验的挠度采用水准仪进行测量，现场测试照片如图12所示.脉动试验采用多通道数据采集分析系统NI公司的PXI系统进行试验，采用8330B3型超低频加速度传感器进行数据采集，最低采样频率从0 Hz开始，采集主梁横向和竖向振动数据，再经信号分析得到全桥的各阶固有振动特性，现场采集照片如图13所示.2.3 基于响应面法的有限元模型更新基于响应面法的有限元模型修正是用响应面函数来模拟实际结构的响应函数，将试验设计与数理统计相结合，通过样本选取、方差分析参数选取、响应面的拟合及采用优化算法寻求响应面模型中的最优解来进行有限元模型修正.据文献[15-16]知，影响有限元模型与实测桥梁结构差别的主要因素为结构混凝土密度、主梁和墩混凝土弹性模量，因此取这三个因素作为变量. 为获得响应与所选定的三参数之间的联系，首先需要参数设计. 根据参数取值的变化规律，假设三参数的单位长度值为10%，则可得该三参数值的变化范围见表3.以桥梁模态和静力变形为目标来更新桥梁模型，选取桥梁结构的第一阶自振频率（R1）、测点5挠度值（R2）和测点6挠度值（R3）作为目标函数.这3个目标函数充分利用了现场的实桥试验条件，且包含了桥梁静、动力性能指标，可较为全面、准确地反映桥梁的力学性能.根据上述试验设计，应用回归分析技术对样本数据进行响应面拟合，并用R2准则和R2adj准则进行响应面拟合精度的检验，其表达式见方程（1）（2）.式中：SST = SSE + SSR表示模型的总方差;dT表示模型的总自由度.如果R2和R2adj的值都接近1且两者差值很小，则表示响应面方程拟合得很好.本文以一座连续刚构箱梁桥为工程背景.首先，基于LS-DYNA程序以車辆实际构造及动力特性为基准，建立车辆精细三维有限元模型;然后，结合响应面法并依据实桥试验结果对桥梁模型进行修正，以得高精度的桥梁有限元模型;最后，通过LS-DYNA程序将桥梁模型和车辆模型进行耦合，求解车桥的振动响应，并通过改变车轮气压，分析该参数对桥梁振动响应的影响.1 车辆模型的建立及校验1.1 车辆模型的建立在车桥耦合振动模型中，影响桥梁振动响应的主要因素为车辆模型的动力特性和荷载分布. 车辆模型需着重模拟悬架系统、车轮和轴重. 本文参照东风牌三轴载重自卸货车，建立车辆有限元模型，其相关参数如表1所示.前中轴距为3.5 m，中后轴距为1.4 m，后轮距为1.8 m.基于CAD软件SolidWorks分别建立各部位的几何模型并进行网格划分，最后使用梁、壳、实体单元及离散单元等赋予不同部位网格不同的属性，从而构建车辆模型，如图1所示.车轮由轮胎、轮盘和轮毂组成.轮胎采用线弹性橡胶材料，轮盘和轮毂采用线弹性钢材材料，车轮模型中各部位连接均为刚性连接，边界为刚性固态约束，有限元模型如图2所示. 根据轮胎内实际气压，使用LS-DYNA程序关键字*AIRBAG_SIMPLE_AIRBAG_MODEL定义由轮胎、轮毂组成的封闭体内的气压，其气体压力值为0.6 MPa.由于车辆悬架系统结构复杂，本文采用壳单元、刚体、弹簧阻尼单元和多点约束来模拟悬架系统.前后悬架的弹簧和阻尼器的参数参考文献[14]，前悬架的弹簧刚度取800 N/mm，阻尼系数取20 Ns/mm;后悬架的弹簧刚度取1 200 N/mm，阻尼系数取25 Ns/mm. 前后悬架实体构造及有限元模型如图3所示.为了使车轮正常转动，在轮盘与车轴之间设置旋转铰，再通过定义*INITIAL_VELOCTIY_GENERATION关键字设置车轮的转动和平动速度，实现车轮滚动向前的状态，如图4所示.1.2 车辆模型的校验在车辆模型的3个轴上选择6个节点，约束竖向位移. 然后对车辆施加重力荷载使车辆产生瞬时振动，再通过定义关键字*DAMPING_GLOBAL对车辆模型施加全局阻尼，使其快速达到稳定状态，计算出约束反力，并与实测车辆轴重进行比较，最终得到车辆模型的轴载曲线如图5所示.由表2知，车体总重偏差为0.87%，说明实测车辆轴重分布特性能体现于建立的车辆模型.通过对比车辆模型和实测车辆的自振频率，验证车辆模型动力特性的有效性. 如图6所示，该车实测自振频率为1.635 Hz，车辆有限元模型的自振频率为1.647 Hz，显然，两者基频相差很小.2 桥梁模型2.1 桥梁概况该桥主桥为三跨变截面预应力混凝土连续刚构结构，跨径布置为（65+120+65） m，其立面及断面示意图分别如图7和图8所示.2.2 实桥试验利用有限元软件ANSYS建立初始有限元模型如图9所示. 主梁和墩身都用实体单元模拟，墩底采用固结连接. 混凝土密度取为2 500 kg/m3，主梁和墩的混凝土弹性模量分别为34.5 GPa和32.5 GPa.现场对桥梁进行静力试验，测试中加载车辆总数为6辆，每辆总重为35 t，车辆前轴重7 t，中轴和后轴各重14 t，车辆照片如图10所示.在正式试验前先进行预加载，以消除非弹性变形，确保试验及设备处于良好工作状态. 正式试验中将加载车分3级加载，每一级加载持荷2 ～ 3 min，待实测应变及挠度数据稳定后进行数据的采集工作，再进行下一级的加载工作. 限于篇幅，仅就其中一个工况做详要概述. 为了使加载截面承受最大正弯矩，在中跨跨中截面中心加载，相应的荷载效率系数为0.967.挠度测点布置如图11所示.实桥试验的挠度采用水准仪进行测量，现场测试照片如图12所示.脉动试验采用多通道数据采集分析系统NI公司的PXI系统进行试验，采用8330B3型超低频加速度传感器进行数据采集，最低采样频率从0 Hz开始，采集主梁横向和竖向振动数据，再经信号分析得到全桥的各阶固有振动特性，现场采集照片如图13所示.2.3 基于响应面法的有限元模型更新基于响应面法的有限元模型修正是用响应面函数来模拟实际结构的响应函数，将试验设计与数理统计相结合，通过样本选取、方差分析参数选取、响应面的拟合及采用优化算法寻求响应面模型中的最优解来进行有限元模型修正.据文献[15-16]知，影响有限元模型与实测桥梁结构差别的主要因素为结构混凝土密度、主梁和墩混凝土弹性模量，因此取这三个因素作为变量. 为获得响应与所选定的三参数之间的联系，首先需要参数设计. 根据参数取值的变化规律，假设三参数的单位长度值为10%，则可得该三参数值的变化范围见表3.以桥梁模态和静力变形为目标来更新桥梁模型，选取桥梁结构的第一阶自振频率（R1）、测点5挠度值（R2）和测点6挠度值（R3）作为目标函数.这3个目标函数充分利用了现场的实桥试验条件，且包含了桥梁静、动力性能指标，可较为全面、准确地反映桥梁的力学性能.根据上述试验设计，应用回归分析技术对样本数据进行响应面拟合，并用R2准则和R2adj准则进行响应面拟合精度的检验，其表达式见方程（1）（2）.式中：SST = SSE + SSR表示模型的总方差;dT表示模型的总自由度.如果R2和R2adj的值都接近1且两者差值很小，则表示响应面方程拟合得很好.本文以一座连续刚构箱梁桥为工程背景.首先，基于LS-DYNA程序以车辆实际构造及动力特性为基准，建立车辆精细三维有限元模型;然后，结合响应面法并依据实桥试验结果对桥梁模型进行修正，以得高精度的桥梁有限元模型;最后，通过LS-DYNA程序将桥梁模型和车辆模型进行耦合，求解车桥的振动响应，并通过改变车轮气压，分析该参数对桥梁振动响应的影响.1 车辆模型的建立及校验1.1 车辆模型的建立在车桥耦合振动模型中，影响桥梁振动响应的主要因素为车辆模型的动力特性和荷载分布. 车辆模型需着重模拟悬架系统、车轮和轴重. 本文参照东风牌三轴载重自卸货车，建立车辆有限元模型，其相关参数如表1所示.前中轴距为3.5 m，中后轴距为1.4 m，后轮距为1.8 m. 基于CAD软件SolidWorks分别建立各部位的几何模型并进行网格划分，最后使用梁、壳、实体单元及离散单元等赋予不同部位网格不同的属性，从而构建车辆模型，如图1所示.车轮由轮胎、轮盘和轮毂组成.轮胎采用线弹性橡胶材料，轮盘和轮毂采用线弹性钢材材料，车轮模型中各部位连接均为刚性连接，边界为刚性固态约束，有限元模型如图2所示. 根据轮胎内实际气压，使用LS-DYNA程序关键字*AIRBAG_SIMPLE_AIRBAG_MODEL定义由轮胎、轮毂组成的封闭体内的气压，其气体压力值为0.6 MPa.由于车辆悬架系统结构复杂，本文采用壳单元、刚体、弹簧阻尼单元和多点约束来模拟悬架系统.前后悬架的弹簧和阻尼器的参数参考文献[14]，前悬架的弹簧刚度取800 N/mm，阻尼系数取20 Ns/mm;后悬架的弹簧刚度取1 200 N/mm，阻尼系数取25 Ns/mm. 前后悬架实体构造及有限元模型如图3所示.为了使车轮正常转动，在轮盘与车轴之间设置旋转铰，再通过定义*INITIAL_VELOCTIY_GENERATION关键字设置车轮的转动和平动速度，实现车轮滚动向前的状态，如图4所示.1.2 车辆模型的校验在车辆模型的3个轴上选择6个节点，约束竖向位移. 然后对车辆施加重力荷载使车辆产生瞬时振动，再通过定义关键字*DAMPING_GLOBAL对车辆模型施加全局阻尼，使其快速达到稳定状态，计算出约束反力，并与实测车辆轴重进行比较，最终得到车辆模型的轴载曲线如图5所示.由表2知，车体总重偏差为0.87%，说明实测车辆轴重分布特性能体现于建立的车辆模型.通过对比车辆模型和实测车辆的自振频率，验证车辆模型动力特性的有效性. 如图6所示，该车实测自振频率为1.635 Hz，车辆有限元模型的自振频率为1.647 Hz，显然，两者基频相差很小.2 桥梁模型2.1 桥梁概况该桥主桥为三跨变截面预应力混凝土连续刚构结构，跨径布置为（65+120+65） m，其立面及断面示意图分别如图7和图8所示.2.2 实桥试验利用有限元软件ANSYS建立初始有限元模型如图9所示. 主梁和墩身都用实体单元模拟，墩底采用固结连接. 混凝土密度取为2 500 kg/m3，主梁和墩的混凝土弹性模量分别为34.5 GPa和32.5 GPa.现場对桥梁进行静力试验，测试中加载车辆总数为6辆，每辆总重为35 t，车辆前轴重7 t，中轴和后轴各重14 t，车辆照片如图10所示.在正式试验前先进行预加载，以消除非弹性变形，确保试验及设备处于良好工作状态. 正式试验中将加载车分3级加载，每一级加载持荷2 ～ 3 min，待实测应变及挠度数据稳定后进行数据的采集工作，再进行下一级的加载工作. 限于篇幅，仅就其中一个工况做详要概述. 为了使加载截面承受最大正弯矩，在中跨跨中截面中心加载，相应的荷载效率系数为0.967.挠度测点布置如图11所示.实桥试验的挠度采用水准仪进行测量，现场测试照片如图12所示.脉动试验采用多通道数据采集分析系统NI公司的PXI系统进行试验，采用8330B3型超低频加速度传感器进行数据采集，最低采样频率从0 Hz开始，采集主梁横向和竖向振动数据，再经信号分析得到全桥的各阶固有振动特性，现场采集照片如图13所示.2.3 基于响应面法的有限元模型更新基于响应面法的有限元模型修正是用响应面函数来模拟实际结构的响应函数，将试验设计与数理统计相结合，通过样本选取、方差分析参数选取、响应面的拟合及采用优化算法寻求响应面模型中的最优解来进行有限元模型修正.。

车辆与道路／桥梁耦合随机动力分析及优化车辆与道路/桥梁耦合系统随机动力清晰化验证与灵活优化工作结果，将直接决定日后我国交通事业长期可持续发展进程，不过目前我国在此类结构单元下的改造优势却不太乐观。

单纯拿车辆振动与路面不平整程度关联验证评估工作来讲，内部技术人员通常会将核心注意力自然地投射到时间历程之上，获取的概率、随机动力结果必然不够精准，最终严重制约车辆行驶安全质量。

面对此类状况，笔者决定联合车辆与道路/桥梁耦合系统内部动力规则加以科学验证解析，同时联合以往弊端调查结果进行关键性优化方案制定，希望在一类以随机振动灵敏程度为核心的动力优化方式辅助范畴下，能够为后续相关施工活动提供更加坚实的安全技术保障。

标签：车辆；道路/桥梁；耦合；随机动力；优化解析0 引言随着中国特色社会主义事业体系架构不断完善，有关交通领域内的车辆道路/桥梁耦合随机动力分析成果开始不断革新。

但是毕竟我国计算机信息处理技术发展起步较晚，施工管理主体在处理多元化数据信息期间力有不逮。

结合以往我国特定区域车辆和道路/桥梁耦合动力评估和优化工作流程加以客观论证，因为当中穿插目标、约束等多种函数，致使后期灵敏度分析流程遭受百般限制，即便是目前较为流行的最小二乘法、摄动法，面对此类困境基本束手无策。

因此，联合上述一切状况，进行车辆和道路/桥梁耦合系统随机动力优化分析关键性问题整理说明，绝对是迎合交通事业安定和谐发展诉求的最佳途径。

1 探究车辆和道路/桥梁耦合运动规则的必要条件整理结合以往实践调查经验整理解析，在特定区域车辆与道路/桥梁耦合体系架构之下，车辆行驶动作便可被视为一类较为复杂的多自由角度振动单元，为了尽量维持内部随机动力优化解析流程的简易程度，技术人员有必要提前作出以下规范准备。

首先，将处于行驶过程中的车辆车身视为常规钢体结构，至于前桥、后桥等自然过渡转化成为集中质量。

其次，认定此类车辆左向、右向轮胎在同一时间内所承受的路面不平整激励功率不存在任何偏差迹象，特殊状况下会在受激励时间方面出现些许偏差迹象。

车—路耦合条件下高速铁路路基及桥路过渡段结构系统动力分析车—路耦合条件下高速铁路路基及桥路过渡段结构系统动力分析摘要：近年来，随着高速铁路的快速发展，对于路基及桥路过渡段结构的动力分析研究也越来越受到关注。

本文通过数值模拟的方式，研究了车—路耦合条件下高速铁路路基及桥路过渡段结构的动力响应特性。

研究结果表明，车—路耦合对路基及桥路过渡段结构动力响应具有显著影响，应引起重视。

此外，文章还结合实际工程案例，并对未来研究进行了展望。

1. 引言高速铁路是现代交通领域的重要组成部分，它具有运输能力大、运行速度快、运行安全可靠等优势。

对于高速铁路的设计和建设，路基及桥路过渡段结构是其中十分重要的组成部分。

在实际运行过程中，铁路车辆与轨道之间以及桥梁与路基之间存在耦合作用，这种耦合作用对路基及过渡段结构的动力特性产生相当大的影响。

因此，深入研究车—路耦合条件下高速铁路路基及桥路过渡段结构的动力响应特性，对于铁路建设和运行具有重要现实意义。

2. 研究方法本文采用数值模拟的方法进行研究。

首先，根据实际工程案例，建立了高速铁路路基及桥路过渡段结构的有限元模型。

接下来，采用ANSYS软件对建立的模型进行了静态和动态分析，得到了路基及过渡段结构的应力和位移等动力响应数据。

然后，结合车辆—轨道系统动力学模型，考虑了铁路车辆与轨道之间的相互作用，得到了车—路耦合条件下的动力响应数据。

3. 研究结果通过对高速铁路路基及桥路过渡段结构的计算和分析，得出了以下结论：（1）车—路耦合对路基及过渡段结构的动力响应具有显著影响，尤其是在高速列车通过时。

（2）车辆质量、速度和车轴频率等因素对路基动力响应产生明显影响。

（3）路基动力响应随着车辆行驶距离的增加而逐渐减小，说明路基的动力特性随着时间的推移而逐渐稳定。

（4）过渡段结构的动力响应受到车辆与桥梁的相互作用及桥梁自身固有频率等因素的影响。

4. 实际工程案例本研究还结合具体的工程案例进行了分析。

SC-V2XSim_车路协同环境下的高速公路混合交通流联合仿真方法摘要：随着智能交通系统的不息进步，车路协同技术逐渐成为探究的热点。

在高速公路上，混合交通流的存在给交通管理和道路安全带来了挑战。

为了提高交通流的效率和道路的安全性，本文提出了一种基于车路协同环境下的高速公路混合交通流的联合仿真方法(SC-V2XSim)。

该方法以车辆和道路与交通设施的交互作用为基础，通过建立交通流模型和路网模型，实现了对高速公路的交通流和行驶环境的仿真和评估。

该方法可以为交通管理者提供指导，为实现车路协同技术的应用提供支持。

一、引言随着城市化进程的加快和人口的快速增长，交通拥堵问题日益突出，给人们的出行带来了很大不便。

高速公路作为城市交通的重要组成部分，其交通流管控和安全问题一直备受关注。

车路协同技术是智能交通系统中的一个重要分支，通过交通信息和通信技术技术将车辆、道路和交通设施有机地毗连起来，可以提高交通流的效率和道路的安全性。

二、相关工作为了实现车辆间的通信和交通信息传递，V2X通信技术应运而生。

基于V2X通信的道路交通流模型成为探究的热点之一。

已有的探究主要集中在车辆间的通信和交通信息传递方面。

然而，由于高速公路上存在着不同类型车辆的混合交通流，这些探究无法充分思量到不同类型车辆之间的互相影响。

三、SC-V2XSim方法介绍为了应对高速公路上的混合交通流问题，本文提出了一种基于车路协同环境下的高速公路混合交通流的联合仿真方法(SC-V2XSim)。

该方法基于V2X通信技术和交通流模型，构建了一个车辆与道路及交通设施交互作用的仿真平台。

3.1 交通流模型构建起首，我们对高速公路上的各类车辆进行分类，并基于车辆的特征和行驶规律，建立不同类型车辆的交通流模型。

通过思量车辆的加速度、最大速度等参数，我们可以得到不同类型车辆的行驶轨迹和速度。

同时，我们还思量了车辆之间的互相影响，以及车辆与道路设施之间的交互作用。

3.2 路网模型构建其次，我们对高速公路的路网进行建模。