重载汽车与路面的动力相互作用研究 (2009年)

采用二自由度四分之一汽车悬架和粘弹性地基梁模型建立了二维汽车-路面系统。通过模态叠加法得到了路面位移的显示解析解，研究了路面位移响应的分布规律及路面振动对汽车的二次激励作用。研究结果表明，汽车正在经过的路面振动最大，汽车行驶前后的路面振动不对称；路面对汽车的二次位移激励呈周期性分布，频率接近移动汽车载荷对路面的作用频率。 ### 重载汽车与路面的动力相互作用研究 #### 摘要 本文研究了重载汽车与路面之间动力相互作用的机理。采用二自由度四分之一汽车悬架模型和粘弹性地基梁模型构建了一个二维汽车-路面系统。通过对该系统的分析，研究人员运用模态叠加法获取了路面位移的显式解析解，进而探索了路面位移响应的分布规律及其对汽车的二次激励效应。研究表明，在汽车行进过程中，当前所经过的路面区域振动最为剧烈，且汽车行进前后路面振动呈现出不对称性；此外，路面对汽车的二次位移激励呈现出周期性分布，其频率接近于移动载荷对路面的作用频率。 #### 关键概念解释 1. **二自由度四分之一汽车悬架模型**：这是一种简化模型，用于模拟车辆的一个车轮及其连接至车身部分的运动特性。通常包含弹簧（代表悬挂系统的弹性）和阻尼器（代表悬挂系统的能量耗散能力），能够较好地反映车辆在不同路面条件下的动态响应。 2. **粘弹性地基梁模型**：用来模拟公路路面的行为。这种模型考虑了路面材料随时间变化的特性，即在受力作用下，材料不仅表现出弹性行为（形变与应力成正比），还表现出粘性行为（形变速率与应力有关）。这种模型能更准确地描述路面在复杂载荷下的动力响应。 3. **模态叠加法**：一种求解结构振动问题的有效方法。通过将复杂结构分解为其基本振动模式（模态），然后将这些模式的响应叠加起来得到整个系统的响应。这种方法特别适用于解决多自由度系统的振动问题。 4. **二次激励效应**：当一个系统（如汽车）在其正常工作状态下受到外部激励（如路面不平顺）的影响时，可能会产生额外的激励效应。对于本文所述的研究，这指的是路面振动如何进一步影响到汽车本身的振动。 #### 研究背景与意义 随着交通运输的发展，重型车辆的数量不断增加，这对路面的耐久性和安全性提出了更高的要求。长时间、高强度的车辆通行会导致路面出现不同程度的损坏，进而影响行车安全性和舒适性。因此，深入探讨重载汽车与路面之间的动力相互作用对于提高道路建设和维护水平具有重要的理论和实际意义。 #### 建模与分析方法 - **二维汽车-路面系统建模**：通过建立一个由二自由度四分之一汽车悬架模型和粘弹性地基梁模型组成的二维系统，来模拟汽车与路面之间的相互作用。其中，汽车悬架模型主要用于捕捉车辆在垂直方向上的运动特性；粘弹性地基梁模型则用于模拟路面的动态响应。 - **模态叠加法的应用**：为了求解这一复杂系统的动力响应，研究者采用了模态叠加法。这种方法允许将系统分解为其基本振动模式，每个模式都对应特定的频率和振型。通过计算各个模式下的响应并将其叠加，可以获得系统整体的动力响应。 #### 主要发现 - **路面振动的最大值出现在汽车正在经过的位置**：这意味着汽车对路面的影响最显著发生在接触点附近，这一点对于理解路面损伤机制非常重要。 - **路面振动的不对称性**：研究发现，汽车行驶前后路面振动的强度存在差异，这可能是由于车辆与路面接触时的非对称载荷分布所致。 - **二次激励的周期性分布**：路面对汽车产生的二次激励呈现出周期性变化，其频率与汽车载荷对路面的作用频率相近。这一现象揭示了车辆与路面之间复杂的动力相互作用机制。 本文通过建立合理的数学模型并采用有效的数值方法，为理解和优化重型车辆与路面之间的动力相互作用提供了重要的科学依据。这对于提高道路的设计与维护标准、延长路面使用寿命以及保障行车安全具有重要意义。