Trucksim軟件及重載作用仿真應(yīng)用

郭 恩

(秦皇島市公路管理處)

Trucksim 軟件由美國Mechanical Simulation 公司出品，作為一款微觀仿真軟件，它可以通過輸入車輛情況(動力性能、外觀尺寸、載重情況等)、道路情況(平、縱線形，路面摩擦系數(shù))、速度等要素來仿真貨車的運行情況，仿真結(jié)果可以通過圖表和情景模擬反映出來。鑒于此，該軟件可廣泛應(yīng)用于車輛性能測試、道路線形設(shè)計修正和駕駛行為分析等交通研究領(lǐng)域。

近年來，秦皇島地區(qū)多條公路混凝土路面先后進行了加鋪瀝青層改造，個別地段早先改造的路面由于重載交通的作用而有不同程度的破損。即較詳細介紹Trucksim 軟件組成，并采用Trucksim 軟件來仿真分析重載交通的作用。

1 仿真實驗簡介

Trucksim6.0 由四個功能模塊組成，如圖1 所示。

圖1 Trucksim 仿真軟件的四個功能模塊

四部分功能和組成分別是。

(1)圖形數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)接口(Data screens in the graphical database)

它主要由車輛參數(shù)模塊(Vehicle model parameters)、參數(shù)控制輸入模塊(Control inputs)和仿真設(shè)置(Simulation settings)三部分組成。它包含140 多個仿真實例，按照不同參數(shù)進行仿真演示，用戶也可以通過新建或修改參數(shù)進行新的仿真環(huán)境設(shè)定。

(2)車輛仿真運算模塊(Vehicle dynamics math models)

該模塊利用車輛動力學計算公式，計算出車輛運行過程中牽引力、阻力變化情況以及車輛的運行軌跡，完成仿真數(shù)學運算。

(3)視頻演示模塊(The surface animator)

該模塊能夠演示車輛運動整體過程，從不同視角或通過放大縮小觀看車輛的運動特征。

(4)繪圖引擎(The Windows Engineering Plotter)

結(jié)合車輛的運行信息可以確定各項車輛參數(shù)，通過讀取某個參數(shù)可以建立時間或空間下的參數(shù)變化曲線，也可以選擇相關(guān)的兩項進行參數(shù)讀取并繪制圖像。

與現(xiàn)場試驗相比，利用Trucksim 軟件進行仿真實驗?zāi)軌蚰M困難、危險道路條件下車輛運行的狀況，避免了現(xiàn)場試驗的危險性，而且實驗周期也比較短，數(shù)據(jù)能夠?qū)崿F(xiàn)自動采集，屬性多而且比較準確。與其他類似仿真軟件相比較，Trucksim 具有方針運算快速、要求硬件水平相對較低、程序可移植性、操作性好的優(yōu)點。更主要的是該軟件將道路信息和車輛信息能夠有機的結(jié)合起來，擺脫了單純從車輛信息或道路信息探究運行安全的傳統(tǒng)研究模式，使得試驗結(jié)果更接近于現(xiàn)場實地研究的結(jié)果。

2 仿真參數(shù)確定與數(shù)據(jù)輸入

(1)仿真參數(shù)輸入層子模塊構(gòu)成

仿真參數(shù)輸入層主要由三部分組成，主控界面如圖2 所示，分為車輛類型選擇輸入子模塊、車輛控制方式輸入子模塊和車輛運行環(huán)境輸入子模塊。

圖2 輸入層主控界面

(2)車輛類型選擇輸入子模塊

該模塊為可選擇式下拉菜單，可選擇項有車輛幾何尺寸、車輛荷載等項目。

本次仿真實驗將重載貨車應(yīng)作為研究對象車型，功率質(zhì)量比分別為8.9 kW/t 和8.3 kWt，根據(jù)我國道路規(guī)范要求，我國公路設(shè)計車輛外廓尺寸見表1 所示。為此，在Trucksim平臺仿真時采用載重汽車的外廓尺寸。

根據(jù)我國車輛額載標準，規(guī)范規(guī)定大貨車載重介于7～10 之間?？紤]到超限運輸?shù)挠绊?，可適當調(diào)整大貨車載重量進行仿真實驗。在具體仿真過程中，將載重分為以下幾個檔次:10 t、12 t、14 t、16 t、18 t、20 t。

表1 我國公路設(shè)計車輛外廓尺寸

在確定載重量的前提下，根據(jù)Trucksim 軟件提供的載重參數(shù)設(shè)定界面進行載重的幾何尺寸、重心以及貨物對對前軸和后軸的軸荷分配。我國部分國產(chǎn)車滿載時的軸荷分配見表2。

表2 部分國產(chǎn)車滿載時的軸荷分配

通過載重量和前、后軸荷載分配的對比分析，黃河JN150 具有一定代表性。故在仿真界面輸入該車型的軸荷分配。

(3)其他信息輸入子模塊

其他信息輸入子模塊尚有牽引力輸入模塊、汽車阻力輸入模塊、道路環(huán)境制作模塊等。為了簡化計算，采用集中作用的空氣阻力PW 來代替上述分布在整個汽車各部位上的阻力。汽車摩擦力輸入模塊主要由汽車輪胎與路面摩擦系數(shù)決定。道路環(huán)境的制作主要是可以對道路顏色、周圍景觀以及一些附屬設(shè)施進行修改或添加，使得仿真效果視覺明顯、突出。

3 仿真結(jié)果分析

(1)重載對路面的疲勞壽命影響

我國《公路瀝青路面設(shè)計規(guī)范》(JTJD50－ 2006)中規(guī)定:當以設(shè)計彎沉值和瀝青層層底拉應(yīng)力為指標時，各級軸載均應(yīng)按下式換算成標準軸載P 的當量軸次N。

隨著各種車輛隨著超載率的增加，換算系數(shù)明顯增加:超載20%時為滿載的2.21 倍，超載50%為滿載的5.83 倍，超載80%為滿載的12.89 倍，超載100%時為滿載的20.39倍。與此同時，公路等級使用初期計算標準軸次與設(shè)計壽命年限內(nèi)累計標準軸次均明顯增加，超載20% 時為滿載的1.96 倍，超載50%時為滿載的4.85 倍，超載80%時為滿載的10.47 倍。據(jù)此判定各等級道路的使用年限可得到:在超載的情況下使用壽命明顯降低，超載100%時，高速公路的路面結(jié)構(gòu)只能使用1.3年，一級公路的路面結(jié)構(gòu)只能使用1.4年，二級公路的路面結(jié)構(gòu)只能使用1年。

(2)重載對路面厚度的影響

交通軸載對路面厚度設(shè)計是一個很重要的的參數(shù)。目前設(shè)計標準軸載為100 kN，設(shè)計標準輪壓0.7 MPa，而實際路面上的交通車輛由于普遍嚴重超載，使得實際的軸載和輪壓遠遠超過標準軸載和輪壓。

在這種情況下，如果按不同軸載作用下，底基層底面的彎拉應(yīng)力與標準軸載作用下應(yīng)力相等的思路來確定在超載作用下所需要增加的結(jié)構(gòu)層厚度，以及每一級超載水平對技術(shù)水平指標的影響，通過計算則得到車輛軸重每增加20 kN，表中的各項指標均增大20%，軸重由100 kN 增加到200 kN時，面層的層底拉應(yīng)力增加一倍多。為了抵抗陡增的拉應(yīng)力，勢必要提高路面結(jié)構(gòu)層厚度。

表3 面層受力情況

由上述分析可知，重載交通對道路承載能力的影響是巨大的。秦皇島目前已完工的白改黑項目中，出現(xiàn)早期破損的主要原因就在于重載作用。盡管白改黑典型結(jié)構(gòu)在常規(guī)荷載作用下能夠滿足要求，但如果考慮重載交通，路面結(jié)構(gòu)厚度是偏薄的。這就需要在白改黑設(shè)計過程中充分保證路面各結(jié)構(gòu)層的承載能力，并提高必要的強度可靠度，必要時增設(shè)碎石基層或增加瀝青混凝土面層厚度。

4 結(jié) 語

Trucksim 軟件可廣泛應(yīng)用于車輛性能測試、道路線形設(shè)計修正和駕駛行為分析等交通研究領(lǐng)域，將其應(yīng)用于白改黑路面在重載交通下的影響分析。秦皇島白改黑項目部分路面出現(xiàn)早期破損的主要原因就在于重載作用，為此需提高強度可靠度，必要時增設(shè)碎石基層或增加瀝青混凝土面層厚度。