公路运输

汽车驱动桥壳的有限元分析和优化

刘为，薛克敏，李萍，等

摘要：目的：汽车轻量化是实现节能减排的重要措施之一，对汽车工业的可持续发展具有重要意义。目前国内对汽车零部件的轻量化结构设计已经从主要依靠经验逐渐发展到应用有限元方法进行强度计算和分析阶段。本文中针对某型号轻型货车后驱动桥壳建立了基于ANSYS 的参数化有限元模型，进行静力分析、模态分析、疲劳分析以及轻量化目标设计。方法：在ANSYS Design Modeler 中建立参数化模型，导入ANSYS Workbench 后划分网格，施加载荷和约束，在最大垂向力工况下对后驱动桥壳进行静力分析，得到桥壳的应力和位移分布规律。对桥壳进行模态分析得到桥壳1～5 阶固有振动频率。根据桥壳材料常数绘制应力寿命曲线，把应力寿命曲线输入到ANSYS Workbench 中进行疲劳寿命分析，得到桥壳疲劳寿命和安全系数。根据桥壳生产的经验和管材壁厚的规格，选取5、5.75、6.5、7.25 和8 mm 5 个壁厚设计点，经过ANSYS Workbench 优化得到响应曲面。响应曲面主要用于直观观察输入参数的影响，通过图表形式动态显示输入与输出参数的关系。对优化后的桥壳进行有限元分析和实验验证结果的可靠性。有限元分析是进行模态和疲劳寿命分析，试验是依据QC/T533—1999《汽车驱动桥台架试验方法》，采用型号为ZDH-QK-PL 的桥壳疲劳试验机，对优化后桥壳进行垂直弯曲疲劳试验。结果：应力集中出现在约束处，最大应力为193.21 MPa，应力较大区域位于板簧座和中间凸包之间的过渡区域，但都远小于材料的屈服应力（345 MPa），其他区域应力较小。从等效位移分布云图可以看出，等效位移较大区域出现在两板簧座之间区域，最大变形量为1.245 mm，由于轮距为1.6 m，每1 m轮距变形量为0.778 mm，远小于1.5 mm，桥壳满足强度和刚度要求。通过模态分析得到的固有频率远大于工作频率，桥壳不会产生共振破坏。通过计算得到桥壳的最低寿命约为778.65 万次，远超标准寿命。计算出桥壳最低安全系数为1.2869，大于1，因此桥壳是安全的，符合桥壳台架试验的规定。经过ANSYS 分析计算，圆整得壁厚x＝5 mm 时，桥壳在满足要求的前提下质量最轻。优化后桥壳固有频率大于其工作频率，不会引起共振危险。优化后桥壳的疲劳寿命最低为131.7 万次，安全系数为1.0382，相比优化前有所降低，但仍然符合桥壳台架试验有关规定，满足使用性能要求。在不改变桥壳使用性能的前提下，优化前桥壳质量为73.053 kg，优化后减少到59.909 kg，轻量化效果较明显。结论：采用有限元分析软件ANSYS Workbench 对驱动桥壳进行强度和刚度校核及模态分析，计算结果表明桥壳具有足够的强度和刚度。并在此基础上进行疲劳寿命分析，找出了驱动桥壳潜在的危险位置。利用目标驱动优化方法对桥壳进行优化，桥壳质量降低了21.9%，轻量化效果明显，节约了材料，结构更加合理。本文关于汽车驱动桥壳的轻量化设计可为企业生产起到一定的指导作用。

来源出版物：汽车工程, 2012, 34(6): 523-527

入选年份：2017

独立驱动电动汽车稳定性的滑模变结构控制

林程，彭春雷，曹万科

摘要：目的：双电机独立驱动电动汽车两侧电机的驱、制动力独立可控，有助于改善汽车的操纵稳定性和行驶安全性。采用高阶滑模变结构控制器，分别设计了以质心侧偏角、横摆角速度以及两者联合为控制变量的稳定性控制策略，分析不同控制策略对稳定性控制的影响。方法：在研究独立驱动电动汽车动力学与稳定性特点的基础上，利用MATLAB/Simulink 建立了包括电机、车轮、“魔术公式”轮胎模型、任意路径下的单点预瞄驾驶员模型在内的“人—车”闭环整车动力学仿真平台。稳定性分析中控制模型采用2 自由度参考模型，控制方法采用既考虑控制变量误差又考虑误差变化率的高阶滑模控制器，分别设计了以两侧电机为执行机构，以横摆角速度、质心侧偏角和横摆角速度与质心侧偏角联合为控制变量的3 种等速趋近滑模变结构控制器，并利用整车动力学仿真平台进行了3 种控制策略稳定性控制效果分析。结果：利用国标中的蛇行试验进行3 种控制策略稳定性控制效果分析，3 种SMC 控制均能使车辆按照预定轨迹行驶，使车辆的侧向轨迹保持能力增强，同时有效地改善了质心侧偏角和横摆角速度的状态；车辆无论从何处开始运动，最终都会收敛到控制系统的滑模面上，使系统保持稳定；在弯道上行驶，不进行主动控制时，两侧电机采用等转矩控制方式，而且为了克服弯道行驶阻力驱动转矩不断变化，进行主动控制时，主动控制系统根据横摆角速度和质心侧偏角的偏差程度进行判断，调整两侧电机的驱、制动力产生横摆力矩提高车辆的稳定性。结论：同不进行稳定性控制相比，利用双电机独立驱动电动汽车两侧电机的驱、制动力进行稳定性控制时，采用以质心侧偏角、横摆角速度以及两者联合为控制变量的稳定性控制策略时，均可有效提高汽车的操纵稳定性，而联合控制的效果更好。双电机独立驱动电动汽车两侧电机的驱、制动力独立可控，有助于改善汽车的操纵稳定性和行驶安全性。采用高阶滑模变结构控制器，分别设计了以质心侧偏角、横摆角速度以及两者联合为控制变量的稳定性控制策略，分析不同控制策略对稳定性控制的影响。

来源出版物：汽车工程, 2015, 37(2): 132-138

入选年份：2017

车辆跟驰行为建模的回顾与展望

王殿海，金盛

摘要：目的：车辆跟驰行为是最基本的微观驾驶行为，描述了在限制超车的单车道上行驶车队中相邻两车之间的相互作用。跟驰模型是运用动力学的方法来研究前导车运动状态变化所引起的跟驰车的相应行为，通过分析各车辆逐一跟驰的方式来理解单车道交通流特性，从而在驾驶员微观行为与交通流宏观现象之间架起一座桥梁。跟驰模型在微观交通仿真、通行能力分析、自巡航控制、交通安全评价等领域都有着广泛的应用价值。正因为跟驰模型如此重要，60年来，吸引了交通工程学、心理学、物理学、系统工程、自动控制、车辆工程等诸多领域的学者深入这一领域，取得了许多富有重要意义的研究成果。车辆跟驰理论已经成为道路交通流理论的核心内容之一。方法：论文系统地回顾了车辆跟驰理论的发展脉络，总结跟驰行为研究中所采用的各种理论方法。从交通工程和统计物理的角度来分析跟驰行为建模的思想体系，对各种不同的模型进行系统分类，综述各类模型的建模思路、模型结构以及参数标定过程，并展望这一研究领域所面临的挑战及未来发展趋势。结果：跟驰行为的建模思想分为交通工程角度和统计物理角度两大类，交通工程角度的跟驰模型侧重于对驾驶员微观行为的描述，以达到精确地拟合实际驾驶数据的目的；而统计物理角度的跟驰模型侧重于描述宏观交通特性，通过简单的模型对微观驾驶行为进行描述，以此来展现复杂的交通流动力学特性。根据建模思想的不同，交通工程角度的跟驰模型分为刺激—反应类模型、安全距离类模型、生理—心理类模型和人工智能类模型。刺激—反应类模型和安全距离类模型将人—车系统作为统一体，采用精确的运动学或动力学公式描述车辆运行轨迹，在交通仿真和智能车辆等领域有着广泛的应用价值。生理-心理类模型和人工智能类模型更加考虑对驾驶员心理反应特性的描述与建模，模型中更多地体现了跟驰行为中人的因素。统计物理角度的跟驰模型分为优化速度类模型、智能驾驶模型和元胞自动机模型。按照统计物理学的观点，车辆被作为自驱动远离平衡的相互作用粒子。通过对模型的理论分析和计算机仿真不仅能够对模型进行深入的理解，还能帮助更好地理解观察到的实际交通流的复杂现象（相变，亚稳态、迟滞现象、时走时停等）。结论：经过60 多年的发展，国内外形成了上百种重要的跟驰模型，这些模型的建模思想与理论体系、模型结构、参数标定结果等都不尽相同，其适用条件也必然不同，对各种不同模型的综合评价就显得尤为困难。由于跟驰行为与驾驶员的生理特性、驾驶习惯、文化差异等社会因素密切相关，且车辆性能和道路交通条件的不断变化也很大程度上影响着跟驰行为特性。这些因素都使得模型的适用性受到很大的挑战，不同时期、不同国家与地区之间的数据验证结果都存在着很大的差异性，对模型的有效性评价是制约跟驰行为模型发展的重要因素。跟驰行为建模研究的终极目标是使得模型能够同时在微观和宏观水平上与现实交通特性相吻合。跟驰模型的研究即需要考虑驾驶员复杂的多目标决策过程，通过模型结构的改进以增强现实性；又需要提高数据采集的质量，设计合理的参数标定方法。因此，未来跟驰行为的建模研究需要着重考虑多种理论方法的交叉融合、微观行为与宏观现象的统一、模型的专门化与综合化、更多地考虑人的因素以及统一的参数标定标准等问题。

来源出版物：中国公路学报, 2012, 25(1): 115-127

入选年份：2017

山岭隧道塌方风险的集对分析方法

曹文贵，张永杰，翟友成，等

摘要：目的：隧道塌方风险分析是确保隧道工程安全建设的重要环节，由于隧道工程风险因素具有明显的不确定性，因此将不确定性分析理论引入隧道施工风险评价具有良好的适用性。本文引入集对分析理论和群组决策方法建立出山岭隧道塌方风险的集对分析方法，以期使隧道塌方风险分析更具合理性和可操作性。方法：首先在深入研究山岭隧道塌方风险影响因素基础上，确定出主要影响因素，并建立了隧道塌方风险的二级综合评价模型，其包含6 个二级评价指标和19 个一级评价指标；然后，针对各评价指标确定与不确定性信息并存的特点，引入集对分析理论，建立出联系度评价矩阵，从同一、差异和对立3 个方面全面刻画被评价指标与各风险等级的同一对立程度，并在此基础上建立山岭隧道塌方风险二级综合评价计算模型；同时，考虑到各评价指标重要程度的不确定性、专家认知的局限性以及专家可信度的差异性，建立基于群组决策不确定型层次分析的权重确定方法，进而最终建立出山岭隧道塌方风险的集对分析方法。结果：将本文方法应用于关口垭隧道右洞YK73＋900～YK73＋970 段进行塌方风险评价，得评价结果向量为[0, 0.2139, 0.8351, 1.8740, 0.4726]，根据最大集对势原则可判断隧道右洞YK73＋900～YK73＋970段塌方风险等级为4 级，其属于高风险，根据风险接受准则必须采取风险处理措施降低风险方可接受，而且还需加强监测和建立预警措施。在实际工程中，2004年5月25日右洞YK73＋942～YK73＋945 左侧顶部偏左3 m位置出现混凝土开裂现象，并且在5月29日出现塌方，此后塌方范围不断扩大至YK73＋922～YK73＋958，长约36 m，塌方体积约8800 m3，属于大型塌方，后通过地表注浆加固、超前小导管预注浆等处理措施才使得该塌方段得以较好的处置，由此可知，该段隧道塌方的风险比较高，而且采取有效地处理措施能够降低至可接受范围，因此该段隧道塌方风险应属于4 级，这与本文分析结果一致。为进一步论证本文方法的合理性和可操作性，与文献中的模糊层次分析方法评价结果进行了对比分析。采用该文献方法计算得最终隶属度向量为C＝[0.1734, 0.4222, 0.4303, 0.3921, 0.2065]，根据最大隶属度原则得风险等级为3 级，这与工程实际并不一致，而且属于风险等级为2 级、3 级和4 级（隶属度分别为0.4222、0.4303 和0.3921）的隶属度非常接近，这让决策者难以抉择。结论：集对分析理论能够描述隧道塌方风险因素更为一般的不确定性特征，并将评价指标的确定性信息和不确定性信息分开表述，则可以将隧道塌方风险作为一个确定又不确定的同异反系统进行辩证分析和数学处理，从而可提高隧道塌方风险不确定性问题研究的科学性和可靠性。建立基于群组决策的不确定型层次分析方法确定评价指标的权重，既能体现决策过程所具有的不确定性，也能充分利用专家群体的智慧和经验，并能反映专家的可信度。

来源出版物：中国公路学报, 2012, 25(2): 90-99

入选年份：2017

塑料套管混凝土桩单桩承载特性研究

陈永辉，陈龙，齐昌广，等

摘要：目的：塑料套管现浇混凝土桩（简称TC 桩）是一种新型微型桩复合地基处理技术，具有外带塑料套管、桩的打设与混凝土分开等特点，具有成桩质量可靠、桩长易检测、混凝土无充盈、不会挤土断桩、在低填土情况下土拱更易形成和施工快速方便等优点，在超软土、腐蚀性等特殊的软基路基工程中具有一定的优势。但目前关于TC 桩单桩承载力的研究均远远落后于工程应用。本文利用室内模型试验和现场试验相结合的手段，研究TC 桩的单桩承载特性，并在上述基础上探索TC 桩的适用计算方法。方法：室内试验主要是进行多组不同标号混凝土试验的无侧限抗压强度对比试验。混凝土试样分为有塑料套管和无塑料套管2 种，养护28 d后进行轴向受压对比试验，探究混凝土试样外侧有无塑料套管对TC 桩竖向承载的影响。现场试验是指在浙江省某高速公路软基段工程中进行数根TC 桩的静载荷试验，以TC 桩桩尖形式作为唯一变量，利用Q-s 曲线阐述其承载特性。此外，根据实测数据，对其中两根TC桩的桩身轴力传递规律、侧摩阻力变化规律进行分析。最后结合实测数据和Fleming 推荐的桩端土的压缩量经验计算方法，考虑桩体弹性模量折减系数，提出TC 桩的单桩沉降量计算的简化方法；假定TC 桩桩侧土压力的变化应介于主动和被动土压力之间，建立饱和正常固结的地基土中TC 桩的主动侧摩阻力和被动侧摩阻力的计算公式，建立了TC 桩的单桩沉降计算方法。结果：根据室内混凝土试样的轴向受压对比试验发现，由于塑料套管的侧向约束作用，有塑料套管的试样抗压强度大于无塑料套管的试样，其提高值可达23%～38%。通过分析现场试验的Q-s 曲线，发现TC 桩桩尖形式的不同，对桩端沉降和桩体的极限承载力影响很大，桩尖直径为26 cm 圆形桩尖的单桩静载试验的极限承载力最大，其次是30 cm 圆形桩尖、方形桩尖以及十字形桩尖。对比分析两根TC 桩不同深度下的轴力变化曲线，桩身轴力传递规律概括如下：相同深度下桩身轴力随上部荷载呈线性增加；在相同荷载下，轴力衰减速度不同，在不同的土层中以不同的速率减小；另外，在上部荷载较小时（初级荷载），桩端阻力已得到发挥。随着荷载不断增加，桩体的沉降不断增加导致了桩周土侧摩阻力的发挥，桩身轴力逐渐转移到侧摩阻力上。桩侧摩阻力发挥顺序为从上往下逐渐发挥，最终沿桩深呈两头小中间大的态势，最大侧摩阻力发生在2/5～4/5 桩深范围内。所建立的TC 桩单桩沉降简化公式计算值与实测值的差值为1.5～9.8 mm，并通过反算确定TC 桩的压缩模量的折减系数在0.7～0.8 之间。计算的侧摩阻力与实测值的对比表明，TC 桩端附近的侧摩阻力存在明显的弱化效应。深入分析上述试验结果，发现造成各桩体承载力不同的原因可能为：① 不同形状的桩尖在打设时挤土扩孔有差异，十字形桩尖扩孔严重，周围土体回挤不完全，与套管接触不紧密，侧摩阻力得不到充分发挥，故其承载力最小；② 方形桩尖无侧摩阻作用，而对圆形桩尖来说，由于桩尖的侧摩阻力和塑料套管的侧向约束作用以及较大的外表面积，导致了其侧摩阻力增加。桩身轴力衰减速度与桩周土的性质有关，具体表现在周围土体对桩体产生的侧摩阻力发挥情况；侧摩阻力的发挥取决于桩周土体的回挤和桩土间的相对错动，但不同深度处侧摩阻的增幅不一。结论：针对TC 桩的承载特性研究较少，本文建立饱和正常固结的地基土中TC 桩的主动侧摩阻力和被动侧摩阻力的计算公式，建立了TC 桩的单桩沉降计算方法。并将其与试验结果进行对比，所得理论值与实测值相吻合。

来源出版物：中国公路学报, 2012, 25(3): 51-58

入选年份：2017