CN115795943B - 一种公路桥梁行车舒适性精细化评价方法 - Google Patents

Abstract

一种公路桥梁行车舒适性精细化评价方法，涉及一种评价公路桥梁行车舒适性的方法。选取桥面不平度等级，模拟生成桥面原始不平度数据，建立桥梁有限元模型，进行动力学分析，提取车轮下桥面挠度时程向量，生成桥面原始不平度向量，相加合成桥面重构不平度作为路面不平度信息，选择合适车辆模型并进动力分析，计算加速度时程向量，三个方向的加权加速度均方根值和总加权加速度均方根值，依据《汽车平顺性试验方法GB/T4970‑2009》评价车辆的行车舒适性。同时考虑车辆行驶的桥梁挠度和路面不平度，重构桥面不平度信息，能够更加精细化的评价公路桥梁桥面的行车舒适性。

Description

一种公路桥梁行车舒适性精细化评价方法

技术领域

本发明涉及一种评价公路桥梁行车舒适性的方法，尤其是一种公路桥梁行车舒适性精细化评价方法，属于公路桥梁桥面设计技术领域。

背景技术

随着生活水平的不断提高以及汽车工业的飞速发展，人们对车辆行车舒适性的要求也越来越高。行车舒适性良好，乘车人员不会很容易感觉到疲劳，在一定程度上保障了车辆的安全行驶，而行车舒适性不好，不仅不利于乘车人员的体验，而且在行车过程中会产生很大的振动荷载，加速了车辆零部件的磨损，从而会降低车辆的使用寿命以及可靠性，同时也会加快公路桥梁的损坏速度。

然而，对于公路桥梁桥面上的行车舒适性评价，目前没有现成的方法或完整的软件可以实现。但车辆在路面上行驶过程中会发生不规则振动，从而影响乘车人员的舒适感和车辆零件的寿命，故行车舒适性的研究最先在道路工程或者车辆工程领域开展。现阶段在道路工程学者的研究中，能够很好地进行路面的车辆振动分析，但其研究结果没有考虑桥梁复杂结构，仅仅将路面不平度作为初始激励信息进行分析。此外，近年来，国内外桥梁专业学者研究行车舒适性时，基于车桥耦合振动分析采用的均是简化模型，无法真实反应车辆振动问题，更不能很好地表征车辆行车舒适性的问题。

鉴于上述原因，本发明在同时考虑车辆行驶的桥梁挠度和路面不平度的情况下，重构桥面不平度信息，能够更加精细化的评价公路桥梁桥面的行车舒适性，为公路桥梁行车舒适性研究提供一个全新的方向。

发明内容

为解决背景技术存在的不足，本发明提供一种公路桥梁行车舒适性精细化评价方法，它同时考虑车辆行驶的桥梁挠度和路面不平度，重构桥面不平度信息，能够更加精细化的评价公路桥梁桥面的行车舒适性。

为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：一种公路桥梁行车舒适性精细化评价方法，包括以下步骤：

步骤一：根据现有桥面情况选取桥面不平度等级，建立桥面不平度功率谱密度，表达式如下：

式中，G_q(n)表示空间频率n下的功率谱密度，n表示空间频率，n₀表示参考空间频率，取值0.1m^-1，w表示拟合指数，取值2，

模拟生成桥面原始不平度数据{Y₀(x)}，其中x表示到桥梁起始位置的纵向距离；

步骤二：建立桥梁有限元模型；

步骤三：依据车桥耦合动力学原理对桥梁有限元模型进行动力学分析，取桥梁挠度为y_b(x,t)，车辆的车轮处竖向位移为y_v(x,t)，车辆对桥面的作用力为F_bv(x,t)，桥面对车轮的作用力为F_vb(x,t)，质量为m_v的车辆以速度v匀速行驶于桥梁上时，则车辆的受力公式如下：

式中，t表示时间，g表示重力系数，

假设桥梁挠度与车辆的车轮处竖向位移相等，即：

y_v(vt,t)＝y_b(x,t)|_x＝vt＝y_b(vt,t)

两次求导，即可得：

由于车辆对桥面的作用力与桥面对车轮的作用力大小相等，即可得：

将车辆对桥面的作用力代入欧拉-伯努利梁体动力平衡方程，如下式：

式中，E表示桥梁弹性模量，I表示桥梁截面惯性矩，m表示桥梁单位长度质量，c表示桥梁阻尼系数；

步骤四：求得桥梁挠度y_b(x,t)的数值解，从挠度数据中提取车辆在第i个时间点所在位置处的桥梁挠度

每个时间点的时间间隔为Δt，形成车轮下桥面挠度时程向量{Y₁(x_i)}，即每一个桥梁位置处所对应的车轮下桥面挠度值为：

步骤五：在桥面原始不平度数据中提取对应于每一时间步所对应的车辆行程x_i处的桥面原始不平度，生成桥面原始不平度向量{Y₀(x_i)}，即：

步骤六：将车轮下桥面挠度时程向量{Y₁(x_i)}与桥面原始不平度向量{Y₀(x_i)}相加进行合成，生成桥面重构不平度{Y(x_i)}，即：

Y(x_i)＝Y₀(x_i)+Y₁(x_i)；

步骤七：以桥面重构不平度{Y(x_i)}作为路面不平度信息，选择合适车辆模型并进行行车运行的动力分析计算得到车辆行驶时纵向、横向和竖向三个方向的加速度时程向量{A_x}、{A_y}、{A_z}，并生成其txt文件；

步骤八：对于已得到的加速度时程向量，通过等带宽频谱分析得到加速度自功率谱密度函数，计算1/3倍频带加速度均方根值{A_jx}、{A_jy}、{A_jz}(j＝1,2,3…23)，再计算三个方向的加权加速度均方根值，计算公式如下：

式中，W_j为第j个频带的加权系数，

为i方向(i＝x,y,z)加权加速度均方根值；

步骤九：计算总加权加速度均方根值A_w，计算公式如下：

依据《汽车平顺性试验方法GB/T4970-2009》评价车辆的行车舒适性。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过合理的车桥耦合振动模型提取得到车轮所在位置处的桥梁动挠度数据，通过准确的路面不平度信息提取得到桥面原始不平度数据，将桥梁的行车挠度数据与桥面原始不平度数据进行合成重构桥面不平度信息，以此求解计算总加权加速度均方根值，兼顾桥面原始不平度和桥梁复杂结构动挠度，利用完整的流程能够更加精细化的实现行车舒适性的评价。

附图说明

图1是本发明的公路桥梁行车舒适性精细化评价方法的流程图；

图2是实施例中模拟生成的桥面原始不平度数据图；

图3是实施例中建立的桥梁有限元模型图；

图4是实施例中提取的车轮下桥面挠度数据图；

图5是实施例中生成的桥面重构不平度数据图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，一种公路桥梁行车舒适性精细化评价方法，包括以下步骤：

步骤一：根据现有桥面情况选取桥面不平度等级，建立桥面不平度功率谱密度，表达式如下：

式中，G_q(n)表示空间频率n下的功率谱密度，n表示空间频率，n₀表示参考空间频率，取值0.1m^-1，w表示拟合指数，取值2，

模拟生成桥面原始不平度数据{Y₀(x)}，其中x表示到桥梁起始位置的纵向距离；

步骤二：依据桥梁的图纸建立桥梁有限元模型模拟桥梁信息(包括类型、尺寸和材料)，并根据需要建立足够的桥梁单元；

步骤三：依据车桥耦合动力学原理对桥梁有限元模型进行动力学分析，取桥梁挠度为y_b(x,t)，车辆的车轮处竖向位移为y_v(x,t)，车辆对桥面的作用力为F_bv(x,t)，桥面对车轮的作用力为F_vb(x,t)，质量为m_v的车辆以速度v匀速行驶于桥梁上时，则车辆的受力公式如下：

式中，t表示时间，g表示重力系数，

假设桥梁挠度与车辆的车轮处竖向位移相等，即：

y_v(vt,t)＝y_b(x,t)|_x＝vt＝y_b(vt,t)

两次求导，即可得：

由于车辆对桥面的作用力与桥面对车轮的作用力大小相等，即可得：

将车辆对桥面的作用力代入欧拉-伯努利梁体动力平衡方程，如下式：

式中，E表示桥梁弹性模量，I表示桥梁截面惯性矩，m表示桥梁单位长度质量，c表示桥梁阻尼系数；

步骤四：通过桥梁有限元模型进行动力学分析，即可求得桥梁挠度y_b(x,t)的数值解，从挠度数据中提取车辆在第i个时间点所在位置处的桥梁挠度

每个时间点的时间间隔为Δt，形成车轮下桥面挠度时程向量{Y₁(x_i)}，即每一个桥梁位置处所对应的车轮下桥面挠度值为：

步骤五：按照桥梁有限元模型动力学分析中每一时间步所对应的车辆行程x_i，在桥面原始不平度数据中提取对应于x_i处的桥面原始不平度，生成桥面原始不平度向量{Y₀(x_i)}，即：

步骤六：将车轮下桥面挠度时程向量{Y₁(x_i)}与桥面原始不平度向量{Y₀(x_i)}相加进行合成，生成桥面重构不平度{Y(x_i)}，即：

Y(x_i)＝Y₀(x_i)+Y₁(x_i)；

步骤七：以桥面重构不平度{Y(x_i)}作为路面不平度信息，选择合适车辆模型并确定所选车辆左右轮之间距离b，设置行车路面的宽度为b，路面的左右边缘高程信息为桥面重构不平度{Y(x_i)}，进行行车运行的动力分析计算得到车辆行驶时纵向、横向和竖向三个方向的加速度时程向量{A_x}、{A_y}、{A_z}，并生成其txt文件；

步骤八：对于已得到的加速度时程向量，通过等带宽频谱分析得到加速度自功率谱密度函数，计算1/3倍频带加速度均方根值{A_jx}、{A_jy}、{A_jz}(j＝1,2,3…23)，此处中心频率范围取值为0.5～80Hz，一共取得23个频带，再计算三个方向的加权加速度均方根值，计算公式如下：

式中，W_j为第j个频带的加权系数，

为i方向(i＝x,y,z)加权加速度均方根值；

步骤九：计算总加权加速度均方根值A_w，计算公式如下：

依据《汽车平顺性试验方法GB/T4970-2009》中的表A.6，如下：

表A.6总加权加速度均方根值与人的主观感受之间的关系

总加权加速度均方根值	人的主观感受
		小于0.315	没有不舒服
0.315～0.63	有些不舒服
		0.5～1	比较不舒服
0.8～1.6	不舒服
		1.25～2.5	很不舒服
大于2	极不舒服

通过计算得到的总加权加速度均方根值与之比对，评价车辆的行车舒适性。

实施例

本实施例选取最简单常见的简支梁桥，桥梁跨径为20m，桥梁截面选取简单的矩形截面，行驶车辆以20kN竖直向下的常量力进行模拟，其行驶速度为10m/s。

选取桥面不平度等级，模拟生成桥面原始不平度数据{Y₀(x)}，以通过傅里叶逆变换的方法模拟生成左右车轮处桥面的原始不平度向量{Y₀(x)}为例，绘制其数值的变化折线图，结合图2所示。

依据桥梁的图纸建立桥梁有限元模型，以矩形截面简支梁桥为例，建立的桥梁有限元模型，根据车辆的重力和行驶速度施加动力荷载，结合图3所示。

车桥耦合动力学分析并提取车轮下桥面挠度{Y₁(x_i)}，以提取了对应于车轮位置的21个挠度值为例，绘制其数值的变化折线图，结合图4所示。

计算桥面重构不平度，本例所使用的原始不平度数据{Y₀(x)}中的Δx与车轮下桥面挠度数据{Y₁(x_i)}中的vΔt相等，所以{Y₀(x)}＝{Y₀(x_i)}，将车轮下桥面挠度{Y₁(x_i)}与桥面原始不平度{Y₀(x_i)}进行合成，得到桥面重构不平度{Y(x_i)}，绘制其变化折线图，结合图5所示。

计算车辆在桥面重构不平度上行驶时纵向、横向和竖向三个方向的加速度，并生成其txt文件，本例进行行车运行的动态模拟即可计算得到车辆行驶时三个方向的加速度时程向量{A_x}、{A_y}、{A_z}。

计算加权加速度均方根值，对于已得到的加速度时程向量，通过等带宽频谱分析得到加速度自功率谱密度函数，计算1/3倍频带加速度均方根值，再计算三个方向的加权加速度均方根值，计算结果如下：

最后计算总加权加速度均方根值，计算结果如下：

总加权加速度均方根值A_w的最终计算结果小于0.315，故本实施例车辆的行车舒适性评价结果为“没有不舒服”。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的装体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同条件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (3)

1.一种公路桥梁行车舒适性精细化评价方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：根据现有桥面情况选取桥面不平度等级，建立桥面不平度功率谱密度，表达式如下：

式中，G_q(n)表示空间频率n下的功率谱密度，n表示空间频率，n₀表示参考空间频率，取值0.1m^-1，w表示拟合指数，取值2，

模拟生成桥面原始不平度数据{Y₀(x)}，其中x表示到桥梁起始位置的纵向距离；

步骤二：建立桥梁有限元模型；

步骤三：依据车桥耦合动力学原理对桥梁有限元模型进行动力学分析，取桥梁挠度为y_b(x,t)，车辆的车轮处竖向位移为y_v(x,t)，车辆对桥面的作用力为F_bv(x,t)，桥面对车轮的作用力为F_vb(x,t)，质量为m_v的车辆以速度v匀速行驶于桥梁上时，则车辆的受力公式如下：

式中，t表示时间，g表示重力系数，

假设桥梁挠度与车辆的车轮处竖向位移相等，即：

y_v(vt,t)＝y_b(x,t)|_x＝vt＝y_b(vt,t)

两次求导，即可得：

由于车辆对桥面的作用力与桥面对车轮的作用力大小相等，即可得：

将车辆对桥面的作用力代入欧拉-伯努利梁体动力平衡方程，如下式：

式中，E表示桥梁弹性模量，I表示桥梁截面惯性矩，m表示桥梁单位长度质量，c表示桥梁阻尼系数；

步骤四：求得桥梁挠度y_b(x,t)的数值解，从挠度数据中提取车辆在第i个时间点所在位置处的桥梁挠度

每个时间点的时间间隔为Δt，形成车轮下桥面挠度时程向量{Y₁(x_i)}，即每一个桥梁位置处所对应的车轮下桥面挠度值为：/>

步骤五：在桥面原始不平度数据中提取对应于每一时间步所对应的车辆行程x_i处的桥面原始不平度，生成桥面原始不平度向量{Y₀(x_i)}，即：

步骤六：将车轮下桥面挠度时程向量{Y₁(x_i)}与桥面原始不平度向量{Y₀(x_i)}相加进行合成，生成桥面重构不平度{Y(x_i)}，即：

Y(x_i)＝Y₀(x_i)+Y₁(x_i)；

步骤七：以桥面重构不平度{Y(x_i)}作为路面不平度信息，选择合适车辆模型并进行行车运行的动力分析计算得到车辆行驶时纵向、横向和竖向三个方向的加速度时程向量{A_x}、{A_y}、{A_z}，并生成其txt文件；

步骤八：对于已得到的加速度时程向量，通过等带宽频谱分析得到加速度自功率谱密度函数，计算1/3倍频带加速度均方根值{A_jx}、{A_jy}、{A_jz}(j＝1,2,3…23)，再计算三个方向的加权加速度均方根值，计算公式如下：

式中，W_j为第j个频带的加权系数，

为i方向(i＝x,y,z)加权加速度均方根值；

步骤九：计算总加权加速度均方根值A_w，计算公式如下：

依据《汽车平顺性试验方法GB/T4970-2009》评价车辆的行车舒适性。

2.根据权利要求1所述的一种公路桥梁行车舒适性精细化评价方法，其特征在于：所述步骤七中行车运行的动力分析时设置行车路面的宽度为b，b等于所选车辆左右轮之间距离，路面的左右边缘高程信息为桥面重构不平度{Y(x_i)}。

3.根据权利要求1所述的一种公路桥梁行车舒适性精细化评价方法，其特征在于：所述步骤八中计算1/3倍频带加速度均方根值时，中心频率范围取值为0.5～80Hz，并一共取得23个频带。

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