公路运输

SUV车辆差动制动防侧翻控制研究

徐中明，张志飞，于海兴，等

摘要：目的：SUV车辆侧翻事故发生率和死亡率较高，必须及时采取主动安全措施。由于侧翻事故瞬时发生，保证侧翻预警和控制的有效性和实时性较为困难。本文以SUV车辆配置较多的两前轮独立后轮低选控制布置形式的ABS为基础，基于TTR侧翻预警技术研究设计差动制动防侧翻控制系统，利用CarSim和Matlab/Simulink进行鱼钩转向工况的仿真分析，对所提出的差动制动控制系统进行可行性验证。方法：① 侧翻模型方面，建立了SUV车辆的三自由度线性侧翻模型并简化为状态空间方程形式，应用于侧翻风险预警和防侧翻控制；出于实车状态参数仿真精度和验证侧翻预警与控制效果的需要，建立了CarSim非线性整车动力学模型，作为研究侧翻动力学问题的实车仿真模型。② 侧翻预警算法方面，基于TTR侧翻预警算法，以轮胎载荷转移率为侧翻指标，利用所建立的三自由度侧翻模型根据车辆行驶状态在线进行状态估计和预测侧翻风险。③ 防侧翻控制原理方面，根据最优控制理论设计了LQG上层控制器，计算得到最优的横摆力偶矩以减少车辆能量损耗；通过差动制动协调器进行车辆前轴左右车轮的制动力分配和协调驾驶员的制动操作；利用基于TTR的侧翻预警技术协调控制逻辑，当车辆有发生侧翻危险时便进行横摆力偶矩的控制输入；而对滑移率控制的ABS下层控制器和执行器保持不变。从而在不改变和影响原有ABS功能的基础上建立了差动制动防侧翻控制系统。其中，LQG上层控制器的最优控制算法、差动制动协调器的制动轮缸压力分配算法和基于 TTR的预警算法与控制逻辑是该控制系统的核心。④ 试验验证与分析方法方面，采用CarSim非线性整车动力学模型进行鱼钩转向输入工况的实车仿真，利用Matlab/Simulink进行差动制动防侧翻控制系统的构建和仿真，通过联合仿真分析对该系统进行有效性和时效性验证，避免实车大量侧翻试验的损耗。结果：① 从鱼钩转向试验结果来看，差动制动防侧翻控制系统通过侧翻预警技术可以更早地得知侧翻危险，及时地进行差动制动防侧翻控制输入。无防侧翻控制时车辆最终发生侧翻，而有防侧翻控制时车辆经过通过有效地控制车辆状态避免了侧翻事故，尤其在即将发生侧翻危险的时间段内，车辆侧倾角、侧倾角速度和质心侧偏角均得到明显控制。② 控制系统对各车轮的制动及时减小了车速，由前轴左右车轮的制动力分配产生的横摆力偶矩在即将发生侧翻危险的时间段内明显减小了汽车横摆角速度。车速降低的情况下，虽然横摆角速度有所下降，但被控车辆在绕至路肩后能够在更短的纵向行驶距离内回正，表明车辆具有良好的操纵稳定性和路径跟踪能力。③ LTR整车预警值总体接近于CarSim实车仿真的精确值，能准确地预知后轴车轮离地的情况，即基于TTR预警算法所得到的LTR预警值，能够达到所需的侧翻预警精度。侧翻预警的时效性与所设定的最大侧翻预警时间TTRmax和预警计算的时间步长Ts有关。TTRmax越大、Ts越小，预警能力越强，预警精度越高，预警计算处理时间相应越长。仿真试验所得的侧翻预警时间约是计算处理时间的1500倍，即在当前微处理器技术水平下可以满足控制系统的时效性要求。④ 控制系统对车轮进行制动的增压、保压、减压过程中，后轴左右侧车轮由于低选控制原则滑移率变化稍大，但并未出现后轮抱死侧滑的情况；前轴左右侧车轮滑移率基本维持在0.12～0.17范围之内，即前轮在较为稳定附着情况下仍保有转向能力，这有助于车辆按照驾驶员的转向意图安全行驶。因而，将ABS应用于差动制动防侧翻控制系统不仅可行而且能够使ABS得到更充分的应用。结论：建立了SUV车辆的侧翻预警与控制模型，利用CarSim和Matlab/Simulink进行车辆侧翻动力学的仿真分析。基于差动制动原理，以SUV车辆较为常用的前轮独立后轮低选控制布置形式的ABS为基础，设计了差动制动防侧翻控制系统，该系统能够有效减少侧翻事故，满足侧翻预警有效性和实效性要求，不影响ABS防抱死性能，能够在差动制动防止侧翻的同时使车辆保有转向能力，这有助于车辆保持良好的路径跟踪能力。

来源出版物：汽车工程, 2014, 36(5): 566-572

入选年份：2017

基于E-NCAP的10岁儿童损伤防护研究

曹立波，颜凌波，胡渊，等

摘要：目的：儿童作为道路交通事故中的易受伤群体，其道路交通安全问题已不容忽视。2016版欧洲新车评价规程（E-NCAP）使用Q系列10岁儿童假人来对车辆安全性进行评价，对儿童乘员保护提出了新的要求。针对2016版E-NCAP要求，利用后排儿童约束系统仿真模型和整车有限元模型，对E-NCAP两种工况下的Q系列10岁儿童假人响应情况进行仿真分析，并分别对两种工况下的后排约束系统参数进行优化。方法：针对某国内量产车型，采用MADYMO软件建立并验证了后排儿童乘员约束系统仿真模型，采用Hypermesh软件建立并验证了整车有限元模型。然后利用这些模型以Q系列10岁儿童假人为研究对象，对E-NCAP的正面40%偏置碰撞、侧面碰撞两种试验工况进行仿真计算，并根据 E-NCAP的评分规则进行评分。在对两种工况下乘员约束系统参数灵敏度分析的基础上，选取对儿童损伤影响显著的参数为优化变量，以WIC（weighted injury criterion）最小为优化目标，利用 Kriging算法构建响应面模型并基于MODE FRONTIER软件使用遗传算法NSGA-II（nondominated sorting genetic algorithm II）对两种工况进行参数优化。结果：在正面40%偏置碰撞中，头部HIC15为321.1、3 ms加速度为58.7 g、偏移量为327 mm；颈部轴向力为2.44 kN；胸部3 ms加速度为45.4 g，头部得分为满分4分，失分部位为颈部和胸部。在侧面碰撞中，头部HIC15为295.6、3 ms加速度为80.5 g；颈部合力为1.46 kN；胸部3 ms加速度为52.6 g，颈部和胸部得分均为满分1分，头部失分严重。灵敏度分析结果显示，在正面40%偏置碰撞中，安全带限力值、假人与安全带的摩擦因数、后排座椅坐垫刚度对儿童乘员各部位损伤影响显著，最终选取的最优设计点为：安全带限力值为2000 N、假人与安全带的摩擦因数为0.5、后排座椅坐垫刚度为初始刚度的1.3，优化后儿童头部3 ms加速度、颈部轴向力以及胸部3 ms加速度下降幅度分别为38.1%，22.5%，18.1%，E-NCAP评分头、胸部得分为满分，总得分增加了 24.6%。而在侧面碰撞中，增高坐垫的侧翼刚度、增高坐垫刚度对儿童乘员损伤影响较大，选取的最优设计点为：增高坐垫的侧翼刚度为初始刚度的0.7、增高坐垫刚度为初始刚度的0.8，优化后儿童头部3 ms加速度下降幅度为13.4%，颈部合力和胸部3 ms加速度略有减小，E-NCAP得分为满分，增加了36.5%。结论：在E-NCAP正面40%偏置碰撞、侧面碰撞两种工况下该车型原始约束系统对儿童的保护不够完善，在Q10儿童假人头、颈、胸3个部位出现不同程度的失分情况。灵敏度分析发现两种工况下影响儿童乘员损伤的主要参数是不同的，合理匹配约束系统参数能有效减小两种工况下的儿童乘员损伤，优化后的约束系统参数在正面偏置碰撞中得分提高了 24.6%，侧面碰撞中得分提高了 36.5%。采用拉丁超立方试验设计方法抽取样本点、Kriging算法创建响应面并结合遗传算法NSGA-II进行参数优化，这一流程可有效实现儿童约束系统参数最优匹配，以提高车辆在E-NCAP儿童乘员保护动态试验中的得分。

来源出版物：汽车工程, 2017, 39(6): 653-660

入选年份：2017

基于行驶工况分类的混合动力车辆速度预测方法与能量管理策略

丁峰，齐蕴龙，王伟达，等

摘要：目的：双模式混合动力传动系统相较于其他形式的混合动力传动方案能够更好的满足重型非道路车辆调速范围广和驱动功率大等特殊需求，但该方案结构较为复杂，能量管理策略是保证双模式混合动力车辆正常高效运行的核心内容，可靠准确的未来工况预测是实现实时最优能量管理策略的前提。方法：设计了基于预测控制的能量管理策略，通过实时优化进行功率在线分配。预测控制算法采用多步测试、滚动优化和反馈校正的思路，在满足行驶需求和系统约束的条件下，在线合理分配需求功率，调整发动机工作点，以获得更佳的燃油经济性，并维持电池电量。提出了未来车速预测方法，利用 K均值聚类算法在离线状态下将工况分类为平稳工况与快变工况两类，并实时判断车辆当前所处工况的类别。针对平稳工况，采用基于马尔科夫链的车速预测方法，认为车辆的加速度变化是一种马尔科夫过程，选择典型平稳工况计算得出马尔科夫链模型转移概率矩阵，根据马尔科夫链模型进行车速预测。针对快变工况，采用基于径向基神经网络的车速预测方法，通过在线对驾驶员驾驶行为的学习进行未来车速的预测，通过自组织中心选取和伪逆法确定权值的方法实现神经网络的自适应。结果：针对一典型综合循环工况的工况类别结果可以看出，在车辆速度急剧变化时，工况判断为快变工况；而在车速小范围波动或是车辆缓慢加减速时，工况判断为平稳工况，由此可以说明工况类别判断方法的有效性。从车速预测结果可以看出，在大部分时间内提出的车速预测方法都能较为准确的进行预测。引入均方根误差RMSE作为评价指标，作为基准的保持预测方法RMSE较高，预测精度较差，综合预测方法结合了马尔科夫链预测与神经网络预测的优点，其RMSE最小，预测精度最佳，较基准提升了31%左右。对比了预测控制、保持控制、动态规划、规则等多种能量管理策略在不同工况下的仿真结果，预测控制与保持控制所得到的结果与动态规划相似，而预测控制的发动机工作点分布相较于保持控制更为集中于高效区，而规则所得到的结果则较差，发动机则常工作在低效区。对于车辆经济性的改善，预测控制接近于动态规划，较规则有较大的提升，并优于保持控制，相较于基准有最大18%的提升。结论：针对双模式混合动力车辆，提出了基于模型预测控制的能量管理策略，通过实时优化在线进行功率分配。提出了未来车速的分类预测方法，通过K均值聚类算法将工况分类为平稳工况与快变工况两类，并实时判断车辆当前所处工况类别。针对平稳工况，采用了基于马尔科夫链的车速预测方法，针对快变工况，采用了基于径向基神经网络的车速预测方法。通过对仿真结果的分析对比，验证了车速预测方法的有效性，精确度提升31%，同时也验证了基于预测控制能量管理策略的有效性，燃油经济性较规则策略有18%的提升。

来源出版物：汽车工程, 2017, 39(11): 1223-1231

入选年份：2017

盾构隧道粘度时变性浆液壁后注浆渗透扩散模型

叶飞，苟长飞，陈治，等

摘要：目的：壁后注浆参数控制不当时，可能会引发地表沉隆超限，管片上浮、错台、开裂、压碎或其他形式的破坏等工程问题。为保证施工质量与安全，需通过严格控制注浆压力、注浆量等参数，以确保良好的注浆效果。本文利用达西定律推导黏度时变性浆液壁后注浆渗透范围及浆液对管片造成的压力计算式。方法：假定注浆浆液为黏度时变性流体，浆液黏度随时间的变化呈指数函数；注浆浆液在盾尾间隙影响厚度范围内，沿与隧道管片表面平行的方向呈柱面均匀扩散；浆液扩散速度和浆液压力水头满足达西定律。运用达西定律，分别在盾尾注浆和管片注浆2种类型注浆方式下，推导浆液扩散半径及对管片产生的压力计算式。通过具体实例，对比分析了是否考虑黏度时变性2种条件下浆液扩散半径及对管片产生压力的计算结果，以及不同胶凝时间下浆液扩散半径及对管片产生压力的计算结果。结果：（1）盾构壁后注浆效果主要体现在浆液扩散半径及对管片产生的压力上，与其相关的因素包括3个方面：即注浆压力、注浆时间等施工参数，浆液初始黏度、凝胶时间等浆液特性参数，渗透系数等土体特性参数。推导出了考虑浆液黏度时变性条件下的浆液扩散半径及对管片产生的压力计算式。在已知浆液特性和土体特性条件下，可通过理论公式计算不同施工参数的浆液扩散半径及对管片产生的压力。（2）浆液扩散半径及对管片产生的压力随注浆压力的增大、注浆时间的推移而增大。（3）其他条件相同时，浆液扩散半径考虑时变性的计算值小于不考虑时变性的计算值，两者的差距随着注浆压力的增大和注浆时间的推移而增大；浆液对管片产生的压力考虑时变性的计算值小于不考虑时变性的计算值，两者的差距随着注浆压力的增大和注浆时间的推移而增大。（4）对比是否考虑浆液黏度时变性两种情况下盾尾注浆柱面扩散理论的基本公式后，提出了注浆时效函数，并绘制了函数曲线。可通过注浆时效函数来描述浆液黏度时变性对注浆效果的影响。注浆时效函数值在注浆时间趋于无穷大时存在极限值，这与浆液的性质正好相吻合，即随着注浆时间的推移，浆液最终会胶凝，不再扩散。结论：（1）浆液扩散半径、浆液对管片产生的压力受浆液黏度时变性影响明显，其显著程度随浆液扩散半径、注浆时间的增大而增大；浆液对单位面积管片的压力几乎不受浆液黏度时变性影响。（2）浆液扩散半径、浆液对管片产生的压力受浆液胶凝时间的影响显著，胶凝时间长的浆液扩散半径和对管片产生的压力较大。（3）在盾构隧道壁后注浆施工中，可通过调整材料配比来改变浆液胶凝时间，通过调整注浆压力和注浆时间来改变浆液扩散范围和对管片产生的压力。

来源出版物：中国公路学报, 2013, 26(1): 127-134

入选年份：2017

扩底楔形桩沉桩挤土效应理论分析

孔纲强，周航

摘要：目的：扩底桩是通过在预制桩静压沉桩或者钻孔灌注桩沉桩底部注浆或者夯扩形成扩大头，使桩身下部直径大于上部桩径，从而提高基桩竖向抗压和抗拔承载力。扩底楔形桩是在静压预应力楔形管桩的基础上，通过在桩端注浆或者夯扩形成扩大头，以达到同时提高桩侧摩阻力和桩端阻力的目的。为了分析扩底楔形桩施工过程中扩大头注浆或夯扩施工对桩周土体的挤土效应，为扩底楔形桩在工程应用中的设计与计算提供理论依据。方法：基于球孔扩张理论，考虑扩底楔形桩施工中的楔形桩静压沉桩完成后的土体应力场和位移场影响，建立扩底楔形桩施工中扩大头注浆或夯扩沉桩过程中桩周土体位移场的理论计算方法。理论模型的基本假设：（1）把楔形桩扩大头的施工过程看成是在内压作用下由初始半径为0的球形孔洞扩张至桩半径的球形孔洞过程；（2）扩大头在挤扩的过程中，扩大头附近土体由弹性状态进入塑性状态，挤扩完毕后扩大头周围土体分为两块区域——弹性区和塑性区；（3）弹性区土体应力应变关系服从胡克定律，塑性区土体应力应变关系服从摩尔-库伦弹塑性模型；（4）扩大头施工之前，扩大头周围土体的初始应力由楔形桩静压沉桩完毕后所产生的应力场确定，扩大头施工完毕后的应力场由楔形桩施工产生的应力场与扩大头施工产生的应力场叠加可获得。将基于楔形桩沉桩后应力场基础上建立的扩大头挤扩效应的计算结果，与等截面桩沉桩后的扩大头挤扩效应、半无限空间内无桩情况下的扩大头挤扩效应进行对比分析，验证所建立理论计算模型的准确性和可靠性。最后，开展扩大头直径、土体参数，以及楔形桩沉桩后应力场、位移场规律等因素对扩大头施工挤土效应的影响规律分析。结果：针对考虑楔形桩沉桩过程影响，扩底楔形桩的扩大头注浆或者夯扩施工过程中的桩周土体应力场问题，可以得到如下几点结果。（1）楔形桩沉桩过程中造成的径向和切向挤土应力要小于同等条件下的等截面桩；半无限空间内无桩情况下的扩大头挤扩造成的径向和切向挤土应力是最小的。（2）楔形桩、等截面桩、半无限空间内无桩这3种情况下桩周竖向挤土应力是一样的，这是由于在楔形桩、等截面桩这两种情况中桩身施工时主要产生径向和切向挤土应力而竖向挤土应力较小可以忽略不计，所以竖向应力主要是由桩端扩大头挤扩产生的。（3）扩底楔形桩桩体和扩大头两部分施工完毕后桩周土体应力增量主要表现在径向和切向两个方向，而竖向的应力变化相对于前两个方向比较小，甚至可以忽略不计。（4）扩底楔形桩在施工过程中楔形桩桩身施工过程中造成的桩周土体应力的变化要远大于扩大头的施工所造成的土体应力的变化，楔形桩桩身施工所产生的挤土应力起主导作用。（5）扩大头直径只对桩端附近的挤土应力有影响，对离桩端稍远处（如4～5倍扩大头直径）影响变得很小；土体的强度参数中黏聚力对桩周土体的挤土应力起主要作用。结论：所建立的理论计算方法能够较好的模拟桩端扩大头施工所造成的桩周土体挤土应力，以及扩大头注浆或夯扩沉桩过程。

来源出版物：中国公路学报, 2014, 27(2): 9-16

入选年份：2017