殷新鋒　豐錦銘　楊小旺　劉揚(yáng)

摘要：現(xiàn)有基于風(fēng)汽車橋梁耦合振動(dòng)的行車舒適性研究中，較少考慮了車流隨機(jī)性和路面等級(jí)退化因素，致使分析成果具有一定局限性.本文綜合考慮了車流隨機(jī)性和路面等級(jí)退化等因素，運(yùn)用一種新的車輛和路面等級(jí)退化模型分析大跨度橋梁的振動(dòng)及行車舒適性.建立一個(gè)包含座椅及車輛縱向振動(dòng)的24自由度空間車輛模型；基于考慮鄰近車輛影響的改進(jìn)CA（Cellular Automation-元胞自動(dòng)基）模型和路面退化模型，通過橋梁和車輛相互作用力關(guān)系，建立了風(fēng)車流橋梁系統(tǒng)的耦合振動(dòng)方程.數(shù)值計(jì)算表明：本文所提出的方法能夠合理地模擬風(fēng)車流橋梁系統(tǒng)的耦合振動(dòng)，且駕駛員座椅模型的各向振動(dòng)對(duì)行車舒適性有顯著影響.

關(guān)鍵詞：風(fēng)車流橋梁耦合振動(dòng)；三維車輛模型；路面退化；行車舒適性

中圖分類號(hào)：TU311.3；TU352.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：The existing studies of ride comfort are based on windvehiclebridge coupled vibration， which seldom consider the effects of both traffic random characters and road surface progressive deterioration， thus they cannot match very well for the real situation of the bridge under the random traffic loads. Based on windtrafficbridge system under random traffic loads， this paper studied the ride comforts taking into account the road surface progressive deterioration. We presented a threedimensional vehicle model with 24 degreesoffreedoms （DOFs） including a threedimensional suspension seat model and longitudinal vibration of the vehicle， and then introduced an improved CA model considering the influence of the nextnearest neighbor vehicle and a progressive deterioration model for roadroughness. The windtrafficbridge coupled equations were established by combining the motion equations of both the bridge and vehicles using the displacement relationship and interaction force relationship at the patch contact. The numerical simulations show that the proposed method can rationally simulate the vibration of the windtrafficbridge coupled system； and the 3D vibrations of the driver seat model can significantly affect the drive comforts.

Key words：windtrafficbridge coupled vibration； threedimensional vehicle model； road surface progressive deterioration； ride comfort

行車舒適性問題的研究重點(diǎn)是車體振動(dòng)，尤其是當(dāng)汽車行駛在風(fēng)環(huán)境下的大跨度橋梁上時(shí)，其振動(dòng)更為明顯.雖然車輛每次行駛在橋上的時(shí)間只有幾分鐘，但是這種短期的不適會(huì)造成司機(jī)嚴(yán)重的駕駛疲勞，可能會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性的交通事故.因此，在過去20年里，研究者們主要通過分析風(fēng)車橋耦合系統(tǒng)的振動(dòng)來研究行車舒適性，而現(xiàn)有風(fēng)車橋梁耦合系統(tǒng)振動(dòng)分析中，較少考慮了車流隨機(jī)和路面等級(jí)退化因素，致使分析成果具有一定局限性[1-3]；且現(xiàn)有行車舒適性研究中常采用忽略座椅振動(dòng)的整車振動(dòng)模型，實(shí)際上這種忽略座椅振動(dòng)的簡化模型雖然大大降低了計(jì)算和模擬過程的復(fù)雜性，但卻給計(jì)算結(jié)果精確性帶來了誤差，需要有待驗(yàn)證[3].因此，本文提出了包括懸架座椅模型及車輛縱向振動(dòng)的24自由度空間車輛模型.

以往的風(fēng)車橋耦合振動(dòng)的分析中，大多學(xué)者選擇單個(gè)的三維車輛模型[1-4]，或者僅僅考慮一個(gè)確定的車列荷載[5].近年來，雖少數(shù)研究者開始將研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)移到隨機(jī)車流作用下橋梁振動(dòng)響應(yīng)分析，如韓萬水，Chen等，但還未形成統(tǒng)一結(jié)論[5-6]，且都未考慮路面退化的影響因素.在考慮車流隨機(jī)性的風(fēng)汽車橋梁相互作用研究中，研究人員或?qū)㈦S機(jī)車流簡化為多車輛分布假設(shè)模式或簡化統(tǒng)計(jì)過程，對(duì)于大跨度橋梁而言，這樣的簡化不能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)實(shí)際車輛的動(dòng)態(tài)性能[6-7].最近，研究人員將CA模型運(yùn)用到隨機(jī)車流的模擬中，開發(fā)了一種考慮實(shí)際車流隨機(jī)性的隨機(jī)車流模型，并將其運(yùn)用到風(fēng)車流橋耦合振動(dòng)中.

本文給出了一種考慮了前面鄰近車輛及次近鄰車輛相互影響的改進(jìn)CA模型和路面等級(jí)退化模型.提出了風(fēng)車流橋耦合振動(dòng)系統(tǒng)中大跨度橋梁行車舒適性研究的新方法.建立了一個(gè)包括三維懸架座椅模型的空間車輛模型，給出了可考慮前面鄰近車輛及次近鄰車輛影響的改進(jìn)CA模型.建立并求解了風(fēng)車流橋耦合方程.數(shù)值模擬表明，本文提出的方法能合理地模擬風(fēng)車流橋耦合系統(tǒng)和駕駛員座位的各向振動(dòng)，且能更加合理地研究行車舒適性.

1風(fēng)車流橋梁相互作用分析方法

1.1風(fēng)車流橋梁系統(tǒng)的三維模型

在風(fēng)車流橋梁耦合系統(tǒng)間的相互作用研究中，大多數(shù)的車輛模型不考慮駕駛員座椅模型和車輛的縱向振動(dòng)，然而模型中座椅振動(dòng)和車輛縱向振動(dòng)對(duì)行車舒適性研究有著不可忽略的影響[1-3].

1.1.1包含駕駛員座椅的車輛三維模型運(yùn)動(dòng)方程

2數(shù)值分析

2.1工程實(shí)例簡介

某公路大橋在中國湖南省邊境， 是一座非對(duì)稱混合雙塔斜拉橋，雙索面，其橋跨分布為80 m+208 m+716 m+70 m+2×65 m，鋼箱梁，具體情況如圖3所示.圖4為有限元軟件ANSYS建立的數(shù)值模型.

2.2考慮鄰近車輛影響的交通流模擬

運(yùn)用以上考慮鄰近車輛影響的方程（16）～（18），為某公路橋建立了考慮鄰近車輛影響的雙車道元胞自動(dòng)機(jī)模型.

2.3不同交通流下橋梁響應(yīng)的比較

圖6給出了在同一中等風(fēng)速（U=17.6 m/s）與2種交通條件下，橋梁跨中豎向振動(dòng)響應(yīng)時(shí)程曲線.由圖6可知跨中豎向位移隨著車輛占有率增加而增加，車輛占用率對(duì)橋梁的位移有重要影響.如交通占有率從0.07增加到0.15時(shí)，橋梁的最大豎向位移從28.6 cm增加到42.3 cm.

2.4交通條件相同而風(fēng)速不同條件下橋梁響應(yīng)比較

圖7為交通流占有率ρ=0.07時(shí)，在2種典型的風(fēng)速下（弱風(fēng)速度U=2.7 m/s和中等風(fēng)速U=17.6 m/s）橋梁跨中響應(yīng)時(shí)程曲線.由圖7可知橋梁跨中處位移和加速度隨著風(fēng)速的增加而增加.風(fēng)速對(duì)橋梁的位移尤其是橫向位移起到了重要作用.如當(dāng)風(fēng)速從2.7 m/s增加到17.6 m/s，最大豎向位移從21.3 cm 增加到28.6 cm，而最大橫向位移從3.1 cm 增大到8.7 cm，橫向位移對(duì)風(fēng)速變化更加敏感.

2.5路面退化條件下橋梁響應(yīng)的比較

由表1可知在交通荷載和環(huán)境作用下路面平整度會(huì)不斷惡化，因此，本節(jié)分析了橋梁跨中截面在兩段時(shí)間內(nèi)的振動(dòng)響應(yīng)，如圖8所示.由圖8可知跨中的振動(dòng)響應(yīng)隨橋梁運(yùn)營時(shí)間增加而增大，這可能是由于路面不平度的逐年惡化所致.因此，路面不平度對(duì)橋梁的位移和加速度有顯著影響.如從第8年到第13年，橋梁的垂直位移從28.6 cm上升到了34.8 cm.

2.6風(fēng)車流作用下不同車輛模型對(duì)行車舒適度

影響比較

一般用來評(píng)價(jià)舒適度等級(jí)的關(guān)鍵參數(shù)常采用座椅的加權(quán)均方根加速度總值[11].因此，引入座椅的各向振動(dòng)對(duì)行車舒適性的研究十分重要.本文提出了一個(gè)包含三維座椅的行車舒適性研究模型來彌補(bǔ)以前研究沒有考慮座椅本身振動(dòng)的簡化模型的不足，并分析了車輛占有率、風(fēng)速及時(shí)間年限對(duì)行車舒適度的影響.圖9給出了當(dāng)車輛占有率為ρ=0.07時(shí)某一車輛座椅三向振動(dòng)加速度時(shí)程，表2～表4給出了不同參數(shù)下的行車舒適度.由表2～表4可知，當(dāng)車輛占有率為ρ=0.07時(shí)，考慮座椅振動(dòng)模型得到的行車舒適度等級(jí)為沒有不舒適，而沒有考慮座椅本身振動(dòng)的簡化模型得到的舒適度指標(biāo)是有點(diǎn)不舒適，因此駕駛員座椅模型的各向振動(dòng)可顯著影響行車舒適度，使用簡化的車輛模型來研究行車舒適度并不準(zhǔn)確.

3結(jié)論

本文綜合考慮了車流隨機(jī)性和路面等級(jí)退化等因素，基于考慮鄰近車輛影響的改進(jìn)CA模型（Cellular Automation-元胞自動(dòng)基）和路面退化模型，建立了包含懸浮座椅及車輛縱向振動(dòng)的24自由度空間車輛模型，通過橋梁和車輛相互作用力關(guān)系的運(yùn)動(dòng)方程，分析了大跨度橋梁的振動(dòng)及行車舒適性.數(shù)值計(jì)算表明：

1） 本文提出的方法能合理地模擬風(fēng)汽車橋梁耦合系統(tǒng)的振動(dòng)；

2）改進(jìn)過并考慮鄰近車輛影響的CA模型可合理模擬隨機(jī)車流，并可用來研究風(fēng)車流橋梁耦合系統(tǒng)的振動(dòng)；

3） 車輛占用率對(duì)橋梁的位移有重要影響.如車輛占有率從0.07增加到0.15時(shí)，橋梁的最大豎向位移從28.6 cm增加到42.3 cm；

4） 橋梁中跨跨中處的位移和加速度隨著風(fēng)速的增加而增加，風(fēng)速對(duì)橋梁的位移尤其是橫向位移起到了重要作用.如當(dāng)風(fēng)速從2.7m/s增加到17.6 m/s，21.3 cm 增加到28.6 cm，而最大橫向位移從3.1 cm 增大到8.7 cm，橫向位移對(duì)風(fēng)速變化更加敏感；

5） 營運(yùn)年限及路面等級(jí)對(duì)橋梁位移有較大影響.當(dāng)服役時(shí)間從8年提高到13年時(shí)，橋梁的豎向位移從28.6 cm增加到34.8 cm；

6） 駕駛員座椅模型的各向振動(dòng)可顯著影響行車舒適度，使用簡化的車輛模型來研究行車舒適度并不準(zhǔn)確.

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