基於車輛側翻側滑虛擬試驗的公路平曲線半徑設計方案安全性評價方法與流程
2023-06-25 18:32:41 2
本發明涉及公路平曲線半徑設計、道路安全研究與仿真領域，尤其是一種基於車輛側翻側滑虛擬試驗的公路平曲線半徑設計方案安全性評價方法。
背景技術：
側翻側滑在所有交通事故類型中佔據重要比例，並且容易造成較大的人員、經濟損失。據NHTSA數據統計顯示，車輛側翻發生率約為5％，但側翻事故所造成的死亡率高達30％。在車輛正常行駛情況下，公路線形的不合理尤其是曲線半徑過小是造成車輛側翻和側滑事故的主要原因，也是最可控的因素。因此在對公路安全性評價時曲線半徑是否達到安全標準是非常重要的一個方面。
國內外學者在公路的平曲線安全性評價方面開展了不同程度的研究，在評價方法方面，主要以交通事故數理統計分析與計算、實車試驗、設計規範審查方法為主，其中交通事故數理統計分析與計算、實車試驗兩種安全性評價方法僅適用於運營階段的公路；而設計規範審查方法以車輛運行速度模型為基礎，評價結果的可信度完全依賴車輛運行速度預測模型的精確度，並且評價過程僅注重理論論證，忽略了駕駛員、車輛、道路之間的相互作用等其他現實因素。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題在於，提供一種基於車輛側翻側滑虛擬試驗的公路平曲線半徑設計方案安全性評價方法，能夠快速高效地對公路平曲線線形設計方案安全性進行評價，評價目標明確，操作過程簡單，評價指標具有代表性。
為解決上述技術問題，本發明提供一種基於車輛側翻側滑虛擬試驗的公路平曲線半徑設計方案安全性評價方法，包括如下步驟：
(1)明確對目標路段進行評價所採用的控制函數
(2)使用adams/car構建駕駛員-重型貨車-目標路段虛擬試驗仿真平臺；
(3)根據步驟(2)中虛擬試驗仿真平臺，獲取重型車輛目標路段上以設計速度v運行時的動力學指標，計算LTAr與LTRr的值；
(4)根據步驟(3)中計算得到的LTAr與LTRr值，判斷其是否符合控制函數F(r)的要求；若符合控制函數要求，則目標路段當前設計方案沒有車輛側翻側滑安全問題，評價合格；若不符合控制函數要求，則目標路段當前設計方案有車輛側翻側滑安全問題，目標路段平曲線半徑現有設計方案安全性評價不合格，需要對其進行重新設計。
優選的，步驟(1)中，明確對目標路段進行評價所採用的控制函數F(r)；定義側向加速度比率為LTAr，如下：
其中，ar為平曲線半徑為r和超高為i時車輛以設計速度v行駛時的側向加速度；as為安全側向加速度，as＝ug，u為橫向力係數閾值，μ＝0.25-0.204×10-2v+0.36×10-5v2，v為設計速度；ai為超高加速度，ai＝ig，i為設計超高；g為重力加速度；
當ar＞as+ai時車輛發生側滑，因此LTAr∈[0,1]，為保證在超速、特殊天氣等情況下車輛也不發生側滑，令LTAr≤0.9；
定義LTRr為半徑為r和超高為i時的載荷轉移率，即：
其中FZL為轉向軸兩輪差值最大時的左輪垂向力，FZR為轉向軸兩輪差值最大時的右輪垂向力；當一側輪垂向力為0時車輛將發生側翻，故LTRr∈[0,1]，為保證車輛不發生側翻，令LTRr≤0.9。
優選的，步驟(2)中，使用adams/car構建駕駛員-重型貨車-目標路段虛擬試驗仿真平臺，具體過程如下：
(1)調用adams/car軟體中內置的重型貨車模型；
(2)調用adams/car軟體自帶的標準整車試驗駕駛員控制模型；
(3)獲取所要評價路段的道路參數並使用adams/car中的Road Builder建立三維道路模型，其中所述道路參數包括直線和緩和曲線的長度、圓曲線半徑r、超高i、路面摩擦係數。
優選的，步驟(3)中，計算LTAr與LTRr的值，具體計算過程如下：根據步驟(2)中虛擬試驗仿真平臺，獲取重型車輛在目標路段上以設計速度v運行時的動力學指標，包括轉向軸左輪垂向力FZL、右輪垂向力FZR和車輛加速度ar；再根據目標路段的設計速度v、設計超高i，利用公式(1)計算得到LTAr的值，利用公式(2)計算得到LTRr的值。
本發明的有益效果為：應用Adams動力學軟體，將目標路段的道路參數與車輛動力系統、智能駕駛控制進行耦合，獲得更加精確的車輛經過曲線時的運動狀態；採用側向加速度比率、載荷轉移率作為評價側翻側滑性能的主要評價指標，簡潔明確，能夠快速定量計算得到評價結果；能夠應用於處於設計、在建、運營各個階段的公路，應用廣泛；對於設計、在建階段的公路平曲線採用該方法能夠擺脫對道路現實運行數據的依賴。
附圖說明
圖1為本發明的方法流程示意圖。
圖2為本發明的目標路段的三維道路模型示意圖。
圖3為本發明的轉向軸左輪垂向力仿真結果圖。
圖4為本發明的轉向軸右輪垂向力仿真結果圖。
圖5為本發明的車輛側向加速度仿真結果圖。
具體實施方式
如圖1所示，一種基於車輛側翻側滑虛擬試驗的公路平曲線半徑設計方案安全性評價方法，包括如下步驟：
(1)明確對目標路段進行評價所採用的控制函數
(2)使用Adams/Car構建駕駛員-重型貨車-目標路段虛擬試驗仿真平臺；
(2-1)調用Adams/Car軟體模型庫中內置的重型貨車模型。
(2-2)在Adams/Car軟體中，創建的驅動控制文件和驅動參數文件將以120km/h為參考控制依據，驅動控制文件描述了在仿真試驗時，依據試驗條件和道路線形駕駛汽車的文本文件，主要對車輛模型中的轉向、油門、制動、變速器、離合器和結束條件六個數據塊進行實時在線控制；驅動參數文件是在驅動控制文件基礎之上，以智能化控制的方式，明確指定車輛在所測道路某一時刻應處的位置或應有的車速。
(2-3)根據目標路段線形設計方案，將道路的CAD圖紙以及相應的設計項目導入到緯地軟體Hint CAD中，利用「表格/輸出逐樁坐標表」和「表格/輸出路基設計表」選項卡，得出道路中線的XYZ坐標以及對應的超高值。然後根據逐樁坐標表、超高值、路面摩擦係數，利用Adams/Car中的路面建模器(Road Builder/Road Points)定義道路中線軌跡點的位置、道路的寬度、超高以及摩擦力係數等參數，創建目標路段的三維道路模型，如圖2所示。
(3)進行駕駛員-重型貨車-目標路段一體化多體系統動力學虛擬試驗；
(3-1)將道路模型、車輛模型、駕駛員模型載入到File Driven Events仿真項，輸出車輛在道路上以設計速度v運行時的動力學特徵——轉向軸左輪垂向力FZL、右輪垂向力FZR和車輛側向加速度ar，如圖3、圖4、圖5所示。
(3-2)根據目標路段的設計速度v、設計超高i，利用公式計算得到利用公式計算得到
(4)根據步驟3中計算得到的LTAr與LTRr值，判斷其是否符合控制函數F(r)的要求；
因為符合控制函數要求，則目標路段當前設計方案沒有車輛側翻側滑安全問題，評價合格。
本發明主要解決的問題是針對現有公路平曲線半徑設計方案安全性評價方法的不足，提供一種基於車輛側翻側滑虛擬試驗的公路平曲線半徑設計方案安全性評價方法。該方法可以實時獲得車輛運行過程中的轉向軸輪胎垂向力和車輛側向加速度動力學指標，能夠快速高效地對公路平曲線線形設計方案安全性進行評價，評價目標明確，操作過程簡單，評價指標具有代表性，該方法能準確快速地從車輛側翻側滑方面對公路平曲線半徑設計方案的安全性做出評價。
本發明的核心思想是利用駕駛員-重型貨車-三維道路一體化動力學虛擬試驗獲得以設計速度運行時車輛的側向加速度、轉向軸輪胎垂向力動力學指標，進而計算側向加速度比率、載荷轉移率，根據控制函數判斷公路平曲線半徑設計方案的安全性。
儘管本發明就優選實施方式進行了示意和描述，但本領域的技術人員應當理解，只要不超出本發明的權利要求所限定的範圍，可以對本發明進行各種變化和修改。