基于保辛方法的车-路-桥系统非线性动力学行为分析

With the development of the economy and the increase of the logistics, the high speed has become the trend of road traffic development. When the vehicle driving at high speed on the highway bridge, the vehicle, highway and bridge constitute of a dynamic system with high-dimensional, nonlinear and time-varying characteristics. Exploring the precise computation method for this coupling dynamic system is of great significance in science. In this project, the coupling dynamic model of heavy vehicle, highway and bridge will be built based on the Hamilton variation principle and symplectic geometry theory. The internal relationship between the physical conservation of the dynamic system and the symplectic structure-preserving method will be explored to achieve the consistent between the numerical calculation and the mechanical conservation. Through the investigation of the dynamic characteristics of the vehicle-road-bridge coupling model, the symplectic conservation calculation method focusing on the coupling dynamic problem of the vehicle and highway bridge will be obtained. The nonlinear dynamic behavior and interaction mechanism under the multi-operating conditions and coupling vibrations will be studied. The influence of the coupling vibrations on vehicle safety and bridge safety will be analyzed. The research results are helpful to improve dynamic design of vehicles and safety design of highway bridges, which have important engineering application value.

随着国民经济的发展和物流数量的增加，公路交通运输正在向高速化不断发展。当汽车在桥梁上高速行驶时，汽车与路面、桥梁组成的是一个相互耦合的高维、非线性、时变动力学系统，针对该耦合动力学问题的精确求解具有重要的科学意义。本项目拟建立车-路-桥耦合模型，基于哈密尔顿变分原理，在辛几何理论体系下对该动力学问题进行描述。通过建立并实现保辛数值格式，使数值计算方法与系统的力学守恒性在数学表述上达到一致，探索车-路-桥耦合模型的动力学特性，建立一套针对汽车与公路桥梁耦合动力学问题的保辛分析理论和计算方法。重点研究多工况参数和耦合振动作用下系统非线性动力学行为及相互作用机理，分析耦合振动对车辆及桥梁安全性的影响。研究成果可为改进车辆动态设计、完善公路桥梁安全性设计提供理论参考，对保证公路桥梁安全运营具有重要的工程应用价值。

随着国民经济、科技的发展以及物流数量的增加，公路交通运输正在不断蓬勃发展。汽车过桥时，其与路面、桥梁组成的是一个相互耦合的高维、非线性、时变动力学系统，针对该耦合动力学问题的精确求解具有重要的科学意义。研究多工况和耦合振动下系统动力学行为，对合理设定车距、车速等车辆动态工况、保证公路桥梁安全运营具有重要的工程应用价值。.本项目建立了汽车-桥面铺装层-桥耦合动力学模型，构造了参数冻结精细指数积分法和辛Runge-Kutta法用于耦合系统的数值积分计算；开展了实验室模型实验，与理论模型计算结果进行了对比验证；研究了智能驾驶电动汽车过桥时的系统建模和动力学特性；分析了智能网联汽车编队环境下的多车-桥面铺装层-桥耦合系统建模和动力学行为；研究了重型载货汽车编队过桥时的多车-桥面铺装层-桥-INES动力吸振器耦合系统建模、振动特性和振动控制。.重要结果及关键数据：.(1) 建立了独立驱动电动汽车-桥梁耦合模型、考虑沥青路面铺装层的车-桥面铺装层-桥耦合模型、多车-桥面铺装层-桥耦合模型以及多车-桥面铺装层-桥-动力吸振器耦合模型。.(2) 构造了参数冻结精细指数积分法和辛Runge-Kutta法用于车-桥耦合模型求解。.(3) 通过车-曲线桥耦合系统的实验研究以及ANSYS有限元建模，验证了理论模型计算结果的有效性。.(4) 车距和车速是影响车-桥系统振动特性的重要因素，在车-桥耦合动态设计中应重点关注。桥面越平坦，电机激励和桥面二次激励对车辆平顺性和道路友好性影响越显著。.(5) 在桥梁跨径较大，峰值振动挠度较大时，如不考虑几何非线性因素，桥梁振动响应和汽车行驶平顺性指标会被高估。.(6) 不同车型编队过桥时，应避免在任意车型共振速度下行驶。INES动力吸振器可显著降低与主结构的质量比。.本项目建立的数值计算方法以及多种车桥相互作用理论模型，可以丰富高维、非线性、时变动力学系统的求解方法，并为独立驱动电动汽车过桥、车辆编队过桥等问题的研究提供理论参考。