朱占猛,閆亞光

（河北工程大學(xué) 土木工程學(xué)院,河北 邯鄲 056107）

0 引言

在未來，智能化交通將廣泛應(yīng)用于各場(chǎng)景，智能交通基礎(chǔ)設(shè)施和應(yīng)用系統(tǒng)的建設(shè)以及運(yùn)行將成為未來交通發(fā)展的必然趨勢(shì)。而建設(shè)智慧交通體系，必然要對(duì)行駛車輛、道路天氣環(huán)境進(jìn)行精確化管理。貨運(yùn)汽車在高墩橋梁上行駛，經(jīng)常會(huì)受到環(huán)境側(cè)風(fēng)的作用。貨運(yùn)汽車在高速行駛過程中在遇到橫風(fēng)時(shí)，會(huì)使車輛的氣動(dòng)六分力迅速增加，導(dǎo)致車輛行駛安全性直線下降。尤其是對(duì)行駛車輛的穩(wěn)定性產(chǎn)生了巨大的威脅，造成車輛傾覆以及人員傷亡事故，給橋梁、公路運(yùn)輸安全、駕駛員生命安全造成嚴(yán)重威脅。與此同時(shí)，在特殊的風(fēng)環(huán)境下，如高墩橋梁上，車輛車身周圍流場(chǎng)發(fā)生明顯改變，致使車輛所受氣動(dòng)荷載顯著增大，車輛傾覆的可能性也大大增加。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了一些研究，國(guó)外學(xué)者，Yoshihisa Maruyama[1]通過數(shù)值模擬的方法對(duì)道路上行駛車輛行駛穩(wěn)定性進(jìn)行研究，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)對(duì)模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。Sn?bj?rnsson[2]從路面粗糙度、側(cè)風(fēng)風(fēng)速、車輛行駛速度等因素出發(fā)，對(duì)交通事故發(fā)生的概率進(jìn)行評(píng)估。通過測(cè)量裝置實(shí)際測(cè)量車輛所處環(huán)境風(fēng)速、車輛的位置信息以及車輛行駛速度。國(guó)內(nèi)學(xué)者，如湖南大學(xué)龔旭[3]研究了重型半掛廂式貨車在高速公路上受側(cè)風(fēng)影響，對(duì)其車輛氣動(dòng)穩(wěn)定性進(jìn)行了分析與優(yōu)化。長(zhǎng)安大學(xué)王露[4]研究了在惡劣天氣環(huán)境作用下，在山區(qū)橋隧連接段公路上行駛車輛穩(wěn)定性和安全性受脈動(dòng)風(fēng)影響程度。

該文針對(duì)在高墩橋梁上這種復(fù)雜風(fēng)環(huán)境下，利用CFD仿真得到的結(jié)果，對(duì)車輛側(cè)傾以及四種不同路面（干路面、濕路面、雪路面和冰路面）條件下側(cè)滑進(jìn)行分析，進(jìn)而對(duì)高墩橋梁上貨運(yùn)汽車行駛的安全風(fēng)速、安全車速進(jìn)行預(yù)警，對(duì)貨運(yùn)汽車在高墩橋上行駛的安全性進(jìn)行評(píng)價(jià)，為未來精細(xì)化監(jiān)控車輛安全體系的建立提供參考。

1 數(shù)值模擬理論基礎(chǔ)

1.1 控制方程

高墩橋梁上貨運(yùn)汽車行駛的最高運(yùn)行車速不超過90 km/h，其馬赫數(shù)遠(yuǎn)小于0.3。周圍流動(dòng)流體可按不可壓縮流體來處理，流場(chǎng)內(nèi)的流體以湍流狀態(tài)存在。在進(jìn)行流場(chǎng)模擬時(shí)，認(rèn)為流體在流場(chǎng)中是非定常流動(dòng)，流體的流動(dòng)參數(shù)隨著時(shí)間變化。對(duì)應(yīng)的流場(chǎng)控制方程如下：質(zhì)量守恒方程[5]、動(dòng)量守恒方程[6]、能量守恒方程[7]。

1.2 湍流模型

對(duì)于車輛和橋梁部件的氣動(dòng)效應(yīng)研究，國(guó)內(nèi)外學(xué)者選用的模型大多數(shù)為SST模型RNG模型兩種，而RNG模型對(duì)汽車外流場(chǎng)的模擬效果較好。因此該文使用商業(yè)軟件Starccm+進(jìn)行分析，采用兩方程模型對(duì)側(cè)風(fēng)作用高墩橋梁上行駛的貨運(yùn)汽車氣動(dòng)荷載進(jìn)行數(shù)值模擬。

2 數(shù)值模擬

2.1 數(shù)值模型

該文選取沃爾沃重型貨運(yùn)汽車（Globetrotter XL）作為車輛模型，模型長(zhǎng)寬高尺寸為16.5 m×2.7 m×3.7 m，忽略了后視鏡等細(xì)部構(gòu)造。橋梁模型為雙向4車道橋梁，貨運(yùn)汽車位于靠近橋梁迎風(fēng)側(cè)的第一車道，橋梁斷面長(zhǎng)寬高尺寸為115 m×18 m×3 m，橋梁高度為50 m，單車道寬3.75 m。車速90 km/h，風(fēng)速25 m/s，簡(jiǎn)化后的車橋模型如圖1所示。

圖1 車輛-橋梁-模型

計(jì)算模型采用四面體網(wǎng)格和棱柱層網(wǎng)格，對(duì)車輛、橋梁周圍分別進(jìn)行加密處理。最小網(wǎng)格尺寸為0.01 m，時(shí)間步長(zhǎng)為0.001 s，內(nèi)部最大迭代次數(shù)為50步。

2.2 計(jì)算區(qū)域及邊界條件

研究使用重疊網(wǎng)格技術(shù)，采用切割體網(wǎng)格對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行劃分。為節(jié)省計(jì)算機(jī)資源并提高計(jì)算效率，對(duì)計(jì)算域分區(qū)劃分不同尺寸的網(wǎng)格，對(duì)防風(fēng)屏、車輛進(jìn)行加密。計(jì)算域大小選為：220 m×135 m×100 m。將防風(fēng)屏、貨運(yùn)車輛、橋梁和計(jì)算域底面設(shè)為壁面，迎風(fēng)面設(shè)為速度進(jìn)口，其余面設(shè)為壓力出口面，在車輛重疊網(wǎng)格區(qū)域和背景區(qū)域設(shè)置生成為重疊交界面。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 行車安全影響因素

貨運(yùn)汽車在高墩橋梁上行駛時(shí)受路面環(huán)境的影響，路面環(huán)境可分為干路面、濕路面、雪路面和冰路面。在四種天氣情況路面條件下，其路面的附著系數(shù)不同，其側(cè)向附著系數(shù)取值分別為0.7、0.5、0.15、0.07。高墩橋梁貨運(yùn)汽車行駛安全性不僅與行駛路面條件有關(guān)，還與貨運(yùn)汽車自身的車速有關(guān)，隨著貨運(yùn)汽車車速的提高，貨運(yùn)汽車行駛安全性不斷降低。與此同時(shí)，貨運(yùn)汽車在高墩橋梁上受到的橫風(fēng)風(fēng)速越大，導(dǎo)致貨運(yùn)車輛發(fā)生事故的可能性就會(huì)大大增加?；谪涍\(yùn)汽車行駛路面條件、行駛車速、側(cè)風(fēng)風(fēng)速三方面安全性影響因素對(duì)高墩橋梁上貨運(yùn)汽車進(jìn)行側(cè)傾和側(cè)滑分析，進(jìn)而對(duì)高墩橋梁上貨運(yùn)汽車的行駛安全性進(jìn)行評(píng)估。

3.2 貨運(yùn)汽車側(cè)傾分析

貨運(yùn)汽車在行駛過程中受到強(qiáng)側(cè)風(fēng)作用時(shí)，貨運(yùn)汽車想要保持平衡不發(fā)生側(cè)傾，其車體重力相對(duì)于背風(fēng)側(cè)外側(cè)車輪與地面的接觸點(diǎn)所產(chǎn)生的內(nèi)力矩要大于車體受到的側(cè)向力和升力對(duì)背風(fēng)側(cè)外側(cè)車輪與地面接觸點(diǎn)所產(chǎn)生的外力矩，車體受力分析如圖2所示。

圖2 貨運(yùn)汽車受力分析

將車體受到的力和力矩平移到重心，貨運(yùn)汽車平衡條件如下列公式所示：

式中，MRM——?dú)鈩?dòng)側(cè)傾力矩；FS——貨運(yùn)汽車受到的氣動(dòng)側(cè)向力；FL——貨運(yùn)汽車受到的氣動(dòng)升力；H——貨運(yùn)汽車重心高度；B——車輛輪距；m——貨運(yùn)汽車質(zhì)量；g——重力加速度；MG=0.5mgB；MG——車體重力對(duì)迎風(fēng)側(cè)車輪與地面接觸點(diǎn)的力矩。

該節(jié)通過式（1）對(duì)高墩橋梁上貨運(yùn)車輛在側(cè)風(fēng)作用下側(cè)傾安全性進(jìn)行研究。通過計(jì)算得到車輛在車速70 km/h、80 km/h、90 km/h對(duì)應(yīng)側(cè)風(fēng)風(fēng)速?gòu)?5～35 m/s工況下車輛所受荷載，根據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù)，對(duì)高墩橋梁上貨運(yùn)汽車在空載狀況下進(jìn)行側(cè)風(fēng)作用下側(cè)傾安全性分析。通過Matlab軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到風(fēng)速v和促使車輛發(fā)生側(cè)傾外力合力矩M的擬合公式，擬合結(jié)果如下：

車速90 km/h：

車速80 km/h：

車速70 km/h：

同時(shí)運(yùn)用Matlab軟件得到貨運(yùn)汽車三種行駛速度下的擬合曲線，如圖3所示：

圖3 行駛空載貨運(yùn)汽車側(cè)傾分析

由圖3并結(jié)合擬合公式可知，當(dāng)空載貨運(yùn)車輛行駛在平直路面上時(shí)，隨著風(fēng)速的增加，貨運(yùn)汽車受到的外力矩不斷增大。與此同時(shí)，隨著貨運(yùn)汽車車速的提高，貨運(yùn)汽車安全行駛臨界風(fēng)速減小，當(dāng)車速為90 km/h、80 km/h、70 km/h時(shí)，分別在大于33.5 m/s、35.2 m/s、37.0 m/s的側(cè)風(fēng)作用下高墩橋梁上空載貨運(yùn)車輛就有側(cè)翻的危險(xiǎn)。

3.3 貨運(yùn)汽車側(cè)滑分析

高墩橋梁上貨運(yùn)車輛在行駛過程中受到側(cè)風(fēng)作用，當(dāng)車體所受側(cè)向力大于車輪與地面的側(cè)向附著力時(shí)，車體受力不平衡，會(huì)發(fā)生側(cè)滑事故。貨運(yùn)車輛在行駛中受力情況如圖4所示。

圖4 貨運(yùn)汽車側(cè)滑受力分析

車輛在側(cè)風(fēng)下安全行駛而不發(fā)生側(cè)滑的條件如式（5）所示：

式中，F(xiàn)S——貨運(yùn)汽車受到的氣動(dòng)側(cè)向力；FL——貨運(yùn)汽車受到的氣動(dòng)升力；m——貨運(yùn)汽車質(zhì)量；g——重力加速度；μ——側(cè)向附著系數(shù)。

該節(jié)分析干路面、濕路面、雪路面和冰路面四種不同的路面狀況，根據(jù)（5）式對(duì)高墩橋梁上行駛的空載重貨運(yùn)汽車在側(cè)風(fēng)下的側(cè)滑安全性進(jìn)行分析。將計(jì)算數(shù)據(jù)通過Matlab軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，得到風(fēng)速v和促使車輛受到氣動(dòng)外力合力F(F=FS+μFL)的擬合公式和擬合曲線，擬合結(jié)果如下：

干路面條件下（附著系數(shù)μ=0.7）：

車速90 km/h：

車速80 km/h：

車速70 km/h：

當(dāng)空載貨運(yùn)車輛行駛在干路面上時(shí)，當(dāng)風(fēng)速低于35 m/s時(shí)，貨運(yùn)汽車在干路面條件下均能安全行駛，不會(huì)發(fā)生側(cè)滑事故。

濕路面條件下（附著系數(shù)μ=0.5）：

車速90 km/h：

車速80 km/h：

車速70 km/h：

當(dāng)空載貨運(yùn)車輛行駛在濕路面上時(shí)，當(dāng)風(fēng)速低于35 m/s時(shí)，貨運(yùn)汽車在干路面條件下均能安全行駛，不會(huì)發(fā)生側(cè)滑事故。

雪路面條件下（附著系數(shù)μ=0.15）：

車速90 km/h：

車速80 km/h：

車速70 km/h：

由上式計(jì)算得到，當(dāng)空載貨運(yùn)車輛行駛在雪路面條件下時(shí)，當(dāng)貨運(yùn)汽車行駛車速為90 km/h、80 km/h、70 km/h時(shí)，分別在大于26 m/s、26.5 m/s、27.5 m/s的側(cè)風(fēng)作用下高墩橋梁上空載貨運(yùn)車輛就有側(cè)翻的危險(xiǎn)。

冰路面條件下（附著系數(shù)μ=0.07）：

車速90 km/h：

車速80 km/h：

車速70 km/h：

由上式計(jì)算得到，當(dāng)空載貨運(yùn)車輛行駛在雪路面條件下時(shí)，當(dāng)貨運(yùn)汽車行駛車速為90 km/h、80 km/h、70 km/h時(shí)，分別在大于15.5 m/s、16 m/s、17 m/s的側(cè)風(fēng)作用下高墩橋梁上空載貨運(yùn)車輛就有側(cè)翻的危險(xiǎn)。

4 結(jié)論

該文根據(jù)數(shù)值模擬得出貨運(yùn)汽車在不同車速和風(fēng)速情況下的氣動(dòng)特性，對(duì)高墩橋梁上空載貨運(yùn)汽車在側(cè)風(fēng)下的側(cè)傾安全性進(jìn)行分析。結(jié)論如下：

（1）對(duì)高墩橋梁上貨運(yùn)車輛行車安全影響因素進(jìn)行分析，對(duì)四種天氣情況路面狀態(tài)下側(cè)向附著系數(shù)進(jìn)行取值。

（2）根據(jù)數(shù)值模擬得出貨運(yùn)汽車在不同車速和風(fēng)速情況下的氣動(dòng)特性。當(dāng)空載貨運(yùn)車輛行駛在平直路面上時(shí)，貨運(yùn)汽車行駛車速為90 km/h、80 km/h、70 km/h時(shí)，分別在大于33.5 m/s、33.5 m/s、37.0 m/s的側(cè)風(fēng)作用下高墩橋梁上空載貨運(yùn)車輛就有側(cè)翻的危險(xiǎn)。

（3）對(duì)高墩橋梁上空載貨運(yùn)汽車在側(cè)風(fēng)下的側(cè)滑安全性進(jìn)行分析，當(dāng)空載貨運(yùn)車輛行駛在干濕路面上時(shí)，貨運(yùn)汽車在干路面條件下均能安全行駛，不會(huì)發(fā)生側(cè)滑事故。當(dāng)空載貨運(yùn)車輛行駛在雪路面條件下時(shí)，行駛車速為90 km/h、80 km/h、70 km/h時(shí)，分別在大于26 m/s、26.5 m/s、27.5 m/s的側(cè)風(fēng)作用下高墩橋梁上空載貨運(yùn)車輛就有側(cè)翻的危險(xiǎn)。當(dāng)空載貨運(yùn)車輛行駛在冰路面條件下時(shí)，行駛車速為90 km/h、80 km/h、70 km/h時(shí)，分別在大于15.5 m/s、16 m/s、17 m/s的側(cè)風(fēng)作用下高墩橋梁上空載貨運(yùn)車輛就有側(cè)滑的危險(xiǎn)。