避險車道制動床控系統(tǒng)車輪沉陷深度三維離散元分析

避險車道制動床控系統(tǒng)車輪沉陷深度三維離散元分析

1懸架系統(tǒng)及車輪沉陷深度的影響我國對護岸道路的研究較晚，目前護岸道路的設計缺乏足夠的標準和指導。以上研究基于PFC為了進一步研究懸架系統(tǒng)K&C特性對車輪沉陷深度的影響，基于PFC2學習方法2.1dem研究dem離散單元法（distinctelementmethod，簡稱DEM）是由美國學者CundallP.A.在1971年基于分子動力學原理首次提出，在研究散體介質上具有很大的優(yōu)勢2.2接觸模型類型PFC線性接觸模型的g顆粒之間的法向作用力為：顆粒之間的切向作用力為：2.3離散元對車輪與礫石的接觸車輪離散元是由多個半徑相同的球體顆粒疊加而成的顆粒簇，車輪顆粒簇與真實車輪的外形相似。車輪離散元可以讓車輪與礫石的接觸部分離散化，成為多點接觸，這樣可以使輪胎顆粒與礫石間的接觸力分布離散化，接觸力分布更均勻，在三維空間內可以更有效地模擬帶花紋的輪胎與礫石之間的相互作用情況。車輪離散元直徑為1.1m，寬度為0.3m，車輪的轉動慣量受傳動系統(tǒng)影響，應根據不同車型設置。2.4制動床集料相互作用復雜礫石集料離散元用球體顆粒模擬并填滿整個制動床。若建立一個全尺寸的礫石集料制動床模型（設長75m，寬1.2m，高0.6m），球體顆粒的數量將達到三百多萬個，即便高性能的計算機也很難達到建模和仿真運算的要求，這也是利用三維模型研究失控車輛車輪與制動床集料相互作用較困難的主要原因。為此，提出一個可行的解決方法，即通過分段生成與刪除部分集料離散元，使得集料離散元只存在于距離車輪中心前后5m的范圍之內。此時球體顆粒數量僅為全尺寸制動床模型的1/15，計算工作量大幅度減少。仿真示意圖，如圖2所示。2.5非實體部件建模懸架系統(tǒng)的彈性元件彈簧與減振器產生的阻尼力對車輪的運動有較大影響。在PFC圖中：k根據式（3）和式（4），利用Fish語言搭建車身與懸架系統(tǒng)的非實體部件，在仿真的每一個時步內求解運動學方程，分別求解非實體車身的位移、速度和實體車輪的位移、速度。根據運動方程的求解結果，計算出懸架系統(tǒng)對車輪的作用力。2.6能量消耗模型基于PFC失控車輛在避險車道制動床上強制減速過程中存在以下幾種能量消耗：推土阻力消耗能量、壓實阻力消耗能量、動能轉換等。集料與車輪的相互作用模型，如圖5所示。由圖5可知集料對稱剖分面的截圖，故不能顯示車輪兩側的礫石顆粒。3輪胎顆粒離散元參數標定標定分兩個步驟：第一步，利用虛擬靜力三軸壓縮試驗對礫石顆粒離散元參數進行；第二步，根據實車實驗數據，利用仿真試驗對輪胎顆粒離散元參數進行標定。靜力三軸壓縮試驗與實車實驗的數據均來自AI-Qadi(1991）的試驗數據3.1集料的壓縮試驗結果第一階段的虛擬靜力三軸壓縮試驗示意圖，如圖6所示。需要標定的離散元顆粒參數包括：顆粒的法向剛度、顆粒的切向剛度以及顆粒的摩擦系數。圖6中的虛擬試驗共生成2400個顆粒，上下兩“墻”以1%的速率加載壓縮試樣，圓柱“墻”通過伺服機構維持圍壓的穩(wěn)定。在3種不同的相對密實度以及3種不同圍壓下進行了9組試驗。不斷調整顆粒的參數，使得虛擬試驗樣品的峰值應力和峰值應變盡可能地接近實際樣品。試驗結果，如表1所示。顆粒微觀參數，如表2所示。3.2標定模型仿真結果第二階段利用實車足尺試驗的停車距離、平均減速度、車輪最大沉陷深度和平均沉陷深度數據對車輪離散元顆粒參數進行標定。車輪離散元顆粒參數包括切向剛度，法向剛度和摩擦系數。仿真時調整車輪離散元顆粒參數，設置車輪初速度為v圖7中實際停車距離與模擬停車距離的相關系數為0.94，實際平均減速度與模擬平均減速度的相關系數為0.79，實際車輪最大沉陷深度與模擬最大沉陷深度的相關系數為0.79，實際平均車輪沉陷深度與模擬平均車輪沉陷深度的相關系數為0.66。從圖7可以看出，實際平均車輪沉陷深度與模擬平均車輪沉陷深度相差較大，這主要是因為在實際試驗中，一條車轍會被兩個或者兩個以上的車輪碾過，因此試驗結束后測量所得的實際車輪沉陷深度要遠大于模擬車輪沉陷深度。文獻在停車距離模擬中，三維模型與二維數值模型都可以達到較好的效果；但是在平均減速度與車輪最大沉陷深度的模擬中，三維模型更優(yōu)于二維模型，尤其是車輪沉陷深度。以上仿真的結果反映出標定的車輪離散元顆粒參數能夠使模型的數值模擬結果接近實車足尺實驗數據，從而較好地實現了對失控車輛減速過程的數值模擬。標定的模型可以用于后面的數值模擬。車輪離散元顆粒參數標定結果，如表4所示。3.3懸架作用分析以往研究假設平衡狀態(tài)下車身對車輪的作用力恒定不變，忽略了車輛懸架系統(tǒng)K&C特性對車輪減速過程的影響。失控車輛在實際的減速過程中，由于受到懸架系統(tǒng)的影響，車身作用在車輪上的力是不恒定的。采用單軸自卸車進行仿真試驗，駛入初速度為17.7m/s，制動床坡度為0。對比有無懸架作用時于車輪上的垂直作用力和車輪沉陷深度結果示意圖，如圖9、圖10所示。從圖9看出，車輪上的作用力在平衡力附近上下波動，在失控車輛駛入制動床的瞬間，車輪承受的作用力波動幅度最大。從圖10看出，車輪沉陷深度由于懸架的影響波動較小，這主要是由于懸架K&C特性會改善系統(tǒng)的振動，導致車輪振動減小，沉陷波動減小。失控車輛減速過程的能量消耗主要來自礫石的阻力，懸架系統(tǒng)阻尼的耗能比礫石阻力要小很多，故懸架-車輪-集料三維模型的車輛沉陷深度要小于車輪-集料二維模型，從而導致停車距離的增加。由此可知，懸架系統(tǒng)影響作用在車輪上的作用力、車輪在減速過程中的沉陷深度和停車距離。4全車制動床模式下車輪沉陷深度與危險關系為了研究不同礫石粒徑、車輪載重、駛入初速度對避險車道制動床上失控車輛車輪沉陷深度的影響，結合我國道路條件和車輛行駛狀況，設計相應的試驗方案開展數值模擬方案，如表5所示。表5選定的3種礫石料徑的范圍均在美國AASHTO推薦的57級（2.36～37.5mm）粒徑范圍內從圖11看出：（1）圖（a），在相同的載重與初速度條件下，當停車距離一定時，粒徑越小，車輪沉陷深度越大；（2）圖（b），在相同的礫石粒徑與初速度條件下，當停車距離一定時，車輪載重越大，車輪沉陷深度越大；當車輪沉陷深度一定時，（3）圖（c），在相同的礫石粒徑與載重條件下，當停車距離一定時，車輛初速度越小，車輪沉陷深度越大。以上結果表明：礫石粒徑、載重、初速度對車輪沉陷深度有顯著影響。車輪沉陷深度增大會導致車輪與礫石顆粒的接觸面積增大，車輪受到的阻力增加，車輪的動能消耗變快，導致停車距離減小。圖11(b）中，單個車輪在載重為3000kg（嚴重超載）的情況下，最大沉陷量為40cm，在實際中，會有多個車輪碾過同一車轍，并且考慮到制動床在使用過程中因維護不當出現板結現象，建議制動床鋪設厚度為80cm?！缎吕砟罟吩O計指南》推薦避險車道長度設計時貨車的駛入初速度可取100km/h和110km/h5制動床制動距離基于離散元方法，利用用懸架-車輪-集料三維離散元模型開展避險車道制動床上失控車輛車輪沉陷深度數值模擬，得出以下結論：（1）三維模型由于考慮了車輪沉陷變形的影響，估算的停車距離精度高于二維模型，并且三維模型模擬的停車距離更加貼近實際情況。（2）由于懸架系統(tǒng)的影響，車身作用在車輪上的力并不恒定，會減少車輪在制動過程中的波動，影響車輪沉陷深度，并使失控車輛的停車距離增大，并且模擬的車輪沉陷深度也更加貼近實際情況。（3）鑒于車輪沉陷深度對停車距離的影響，在推薦的礫石粒徑范圍內，礫石粒徑越小，車速越小，車輪載重越大，車輪就更容易陷入礫石