基于车辆侧翻侧滑虚拟试验的公路平曲线半径设计方案安全性评价方法与流程

本发明涉及公路平曲线半径设计、道路安全研究与仿真领域，尤其是一种基于车辆侧翻侧滑虚拟试验的公路平曲线半径设计方案安全性评价方法。

背景技术：

侧翻侧滑在所有交通事故类型中占据重要比例，并且容易造成较大的人员、经济损失。据NHTSA数据统计显示，车辆侧翻发生率约为5％，但侧翻事故所造成的死亡率高达30％。在车辆正常行驶情况下，公路线形的不合理尤其是曲线半径过小是造成车辆侧翻和侧滑事故的主要原因，也是最可控的因素。因此在对公路安全性评价时曲线半径是否达到安全标准是非常重要的一个方面。

国内外学者在公路的平曲线安全性评价方面开展了不同程度的研究，在评价方法方面，主要以交通事故数理统计分析与计算、实车试验、设计规范审查方法为主，其中交通事故数理统计分析与计算、实车试验两种安全性评价方法仅适用于运营阶段的公路；而设计规范审查方法以车辆运行速度模型为基础，评价结果的可信度完全依赖车辆运行速度预测模型的精确度，并且评价过程仅注重理论论证，忽略了驾驶员、车辆、道路之间的相互作用等其他现实因素。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种基于车辆侧翻侧滑虚拟试验的公路平曲线半径设计方案安全性评价方法，能够快速高效地对公路平曲线线形设计方案安全性进行评价，评价目标明确，操作过程简单，评价指标具有代表性。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于车辆侧翻侧滑虚拟试验的公路平曲线半径设计方案安全性评价方法，包括如下步骤：

(1)明确对目标路段进行评价所采用的控制函数

(2)使用adams/car构建驾驶员-重型货车-目标路段虚拟试验仿真平台；

(3)根据步骤(2)中虚拟试验仿真平台，获取重型车辆目标路段上以设计速度v运行时的动力学指标，计算LTA_r与LTR_r的值；

(4)根据步骤(3)中计算得到的LTA_r与LTR_r值，判断其是否符合控制函数F(r)的要求；若符合控制函数要求，则目标路段当前设计方案没有车辆侧翻侧滑安全问题，评价合格；若不符合控制函数要求，则目标路段当前设计方案有车辆侧翻侧滑安全问题，目标路段平曲线半径现有设计方案安全性评价不合格，需要对其进行重新设计。

优选的，步骤(1)中，明确对目标路段进行评价所采用的控制函数F(r)；定义侧向加速度比率为LTA_r，如下：

其中，a_r为平曲线半径为r和超高为i时车辆以设计速度v行驶时的侧向加速度；a_s为安全侧向加速度，a_s＝ug，u为横向力系数阈值，μ＝0.25-0.204×10^-2v+0.36×10^-5v²，v为设计速度；a_i为超高加速度，a_i＝ig，i为设计超高；g为重力加速度；

当a_r＞a_s+a_i时车辆发生侧滑，因此LTA_r∈[0,1]，为保证在超速、特殊天气等情况下车辆也不发生侧滑，令LTA_r≤0.9；

定义LTR_r为半径为r和超高为i时的载荷转移率，即：

其中F_ZL为转向轴两轮差值最大时的左轮垂向力，F_ZR为转向轴两轮差值最大时的右轮垂向力；当一侧轮垂向力为0时车辆将发生侧翻，故LTR_r∈[0,1]，为保证车辆不发生侧翻，令LTR_r≤0.9。

优选的，步骤(2)中，使用adams/car构建驾驶员-重型货车-目标路段虚拟试验仿真平台，具体过程如下：

(1)调用adams/car软件中内置的重型货车模型；

(2)调用adams/car软件自带的标准整车试验驾驶员控制模型；

(3)获取所要评价路段的道路参数并使用adams/car中的Road Builder建立三维道路模型，其中所述道路参数包括直线和缓和曲线的长度、圆曲线半径r、超高i、路面摩擦系数。

优选的，步骤(3)中，计算LTA_r与LTR_r的值，具体计算过程如下：根据步骤(2)中虚拟试验仿真平台，获取重型车辆在目标路段上以设计速度v运行时的动力学指标，包括转向轴左轮垂向力F_ZL、右轮垂向力F_ZR和车辆加速度a_r；再根据目标路段的设计速度v、设计超高i，利用公式(1)计算得到LTA_r的值，利用公式(2)计算得到LTR_r的值。

本发明的有益效果为：应用Adams动力学软件，将目标路段的道路参数与车辆动力系统、智能驾驶控制进行耦合，获得更加精确的车辆经过曲线时的运动状态；采用侧向加速度比率、载荷转移率作为评价侧翻侧滑性能的主要评价指标，简洁明确，能够快速定量计算得到评价结果；能够应用于处于设计、在建、运营各个阶段的公路，应用广泛；对于设计、在建阶段的公路平曲线采用该方法能够摆脱对道路现实运行数据的依赖。

附图说明

图1为本发明的方法流程示意图。

图2为本发明的目标路段的三维道路模型示意图。

图3为本发明的转向轴左轮垂向力仿真结果图。

图4为本发明的转向轴右轮垂向力仿真结果图。

图5为本发明的车辆侧向加速度仿真结果图。

具体实施方式

如图1所示，一种基于车辆侧翻侧滑虚拟试验的公路平曲线半径设计方案安全性评价方法，包括如下步骤：

(1)明确对目标路段进行评价所采用的控制函数

(2)使用Adams/Car构建驾驶员-重型货车-目标路段虚拟试验仿真平台；

(2-1)调用Adams/Car软件模型库中内置的重型货车模型。

(2-2)在Adams/Car软件中，创建的驱动控制文件和驱动参数文件将以120km/h为参考控制依据，驱动控制文件描述了在仿真试验时，依据试验条件和道路线形驾驶汽车的文本文件，主要对车辆模型中的转向、油门、制动、变速器、离合器和结束条件六个数据块进行实时在线控制；驱动参数文件是在驱动控制文件基础之上，以智能化控制的方式，明确指定车辆在所测道路某一时刻应处的位置或应有的车速。

(2-3)根据目标路段线形设计方案，将道路的CAD图纸以及相应的设计项目导入到纬地软件Hint CAD中，利用“表格/输出逐桩坐标表”和“表格/输出路基设计表”选项卡，得出道路中线的XYZ坐标以及对应的超高值。然后根据逐桩坐标表、超高值、路面摩擦系数，利用Adams/Car中的路面建模器(Road Builder/Road Points)定义道路中线轨迹点的位置、道路的宽度、超高以及摩擦力系数等参数，创建目标路段的三维道路模型，如图2所示。

(3)进行驾驶员-重型货车-目标路段一体化多体系统动力学虚拟试验；

(3-1)将道路模型、车辆模型、驾驶员模型载入到File Driven Events仿真项，输出车辆在道路上以设计速度v运行时的动力学特征——转向轴左轮垂向力F_ZL、右轮垂向力F_ZR和车辆侧向加速度a_r，如图3、图4、图5所示。

(3-2)根据目标路段的设计速度v、设计超高i，利用公式计算得到利用公式计算得到

(4)根据步骤3中计算得到的LTA_r与LTR_r值，判断其是否符合控制函数F(r)的要求；

因为符合控制函数要求，则目标路段当前设计方案没有车辆侧翻侧滑安全问题，评价合格。

本发明主要解决的问题是针对现有公路平曲线半径设计方案安全性评价方法的不足，提供一种基于车辆侧翻侧滑虚拟试验的公路平曲线半径设计方案安全性评价方法。该方法可以实时获得车辆运行过程中的转向轴轮胎垂向力和车辆侧向加速度动力学指标，能够快速高效地对公路平曲线线形设计方案安全性进行评价，评价目标明确，操作过程简单，评价指标具有代表性，该方法能准确快速地从车辆侧翻侧滑方面对公路平曲线半径设计方案的安全性做出评价。

本发明的核心思想是利用驾驶员-重型货车-三维道路一体化动力学虚拟试验获得以设计速度运行时车辆的侧向加速度、转向轴轮胎垂向力动力学指标，进而计算侧向加速度比率、载荷转移率，根据控制函数判断公路平曲线半径设计方案的安全性。

尽管本发明就优选实施方式进行了示意和描述，但本领域的技术人员应当理解，只要不超出本发明的权利要求所限定的范围，可以对本发明进行各种变化和修改。