車輛運輸船坡道行車仿真方法

李敏，羅鎮(zhèn)泉，黃茜

(上海船舶研究設計院，上海 201203)

為保證裝車數(shù)量，車輛運輸船設計為多層連續(xù)甲板形式，相鄰兩層甲板之間通過坡道連接[1]。為盡可能保證甲板裝車面積，車輛運輸船的坡道的總長度常常受限，在坡道設計時主要通過優(yōu)化上下端過渡段形狀以避免車輛在上下坡道時碰擦底盤。近年市面上部分新車型為追求舒適性，設計為低底盤、大軸距，對汽車運輸船裝卸過程中，車輛上下坡道的通過性要求越來越高。

1 車型和坡道數(shù)據(jù)庫的構建

1.1 影響坡道設計的車型參數(shù)

汽車在坡道上行駛過程中，其前懸底端、后懸底端，以及中間底盤的最低點容易與坡道發(fā)生碰擦，一般采用接近角、離去角和最小離地間隙來表示汽車上下坡的通過性能[2]，相關參數(shù)見圖1。

圖1 車型參數(shù)

主要參數(shù)說明如下。

接近角α1：汽車前端凸出點向前輪所引切線與地面的夾角，汽車前輪以前的所有部件均位于該夾角以外。汽車接近角越小，前端底盤越容易與地面發(fā)生碰擦。

離去角α2：汽車后端突出點向后輪所引切線與地面的夾角，汽車后輪以后的所有部件均位于該夾角以外。汽車離去角越小，后端底盤越容易與地面發(fā)生碰擦。

最小離地間隙d：除車輪以外汽車最低點與路面之間的距離。一般汽車底盤的最低點位于前后軸之間，最小離地間隙越小，中間底盤越容易與地面發(fā)生碰擦。

前懸長Lc1：汽車最前端到前軸中心的水平距離。

后懸長Lc2：汽車最后端到后軸中心的水平距離。

軸距Lc0：前軸中心和后軸中心之間的水平距離。

總長Lc：汽車最前端到最后端的水平距離。

輪胎半徑Rt：輪胎外輪廓半徑。

1.2 坡道參數(shù)

典型的車輛運輸船坡道設計為3段式，即下過渡段、中間段，以及上過渡段。為保證坡道與車輛甲板平滑過渡，上、下過渡段通常導圓弧[3]，坡道參數(shù)見圖2。主要參數(shù)說明如下。

圖2 坡道設計參數(shù)

總長L：坡道起始點到終止點的水平距離。

上、下過渡段長L1，L2：坡道起始段和終止段的過渡長度。設置過渡段的目的是使坡道起始和終止處過渡更加平滑。

上、下傾角θ1,θ2：上、下過渡段與甲板面的夾角。上、下傾角小于坡道傾角，以實現(xiàn)平滑過渡。

坡道傾角θ：坡道中間段與甲板面的夾角。該角度受限于汽車的爬坡能力，不能過大，一般車輛運輸船坡道傾角不超過12°。

上、下圓弧半徑R1，R2：上、下過渡段采用圓弧過渡時的圓弧半徑。對于直接采用直線段作為上、下端過渡的坡道，其上、下圓弧半徑視為無窮大。

1.3 數(shù)據(jù)庫構建

車輛運輸船裝載的汽車種類繁多，數(shù)據(jù)需要在仿真分析中反復使用，因此有必要將車型數(shù)據(jù)錄入數(shù)據(jù)庫，以便重復利用。此外，不同汽車滾裝船坡道設計參數(shù)不同，同一汽車滾裝船不同甲板層之間坡道設計參數(shù)也不同，將坡道設計參數(shù)錄入數(shù)據(jù)庫可以隨時調出進行分析，也可為后續(xù)設計提供母型參考。

數(shù)據(jù)庫選用SQL Sever，在數(shù)據(jù)庫中建立2張表分別存儲車型參數(shù)和坡道參數(shù)。

2 坡道行車仿真

2.1 汽車監(jiān)測點選取

坡道行車仿真的目的是判斷汽車在上下坡道的過程中底盤是否與坡道發(fā)生擦碰。汽車與地面發(fā)生擦碰的部位一般出現(xiàn)在前懸底端，后懸底端以及中間底盤的最低點。因此，仿真分析分別在上述3個位置各取1點，監(jiān)測其與坡道面的間隙值。

2.1.1 前后端底盤監(jiān)測點

一般情況下，汽車前后端底盤的最容易發(fā)生碰擦的點并不在最前端或最后端，而是在稍靠中部的凸出部件處，見圖3。然而不同車型前后端底盤輪廓各不相同，碰擦點的位置也不同，在標準的車型數(shù)據(jù)中沒有此項數(shù)據(jù)。因此，選取接近角切線與汽車最前端的鉛垂線交點作為前端底盤等效監(jiān)測點，選取離去角切線與汽車最后端的鉛垂線交點作為后端底盤等效監(jiān)測點。根據(jù)典型坡道的幾何特點，汽車的前后端底盤只有在坡道的下端才可能發(fā)生碰擦，等效監(jiān)測點將先于實際碰擦點與坡道發(fā)生碰擦，因此用等效監(jiān)測點的離地間隙來判斷是否碰擦是偏于安全的。

圖3 汽車前端底盤碰擦點和等效監(jiān)測點

忽略輪胎變形，前后端底盤監(jiān)測點距水平地面的高度h1、h2為

(1)

(2)

2.1.2 中間底盤監(jiān)測點

汽車的中間底盤實際并非一個平面，汽車制造商給出的底盤最小離地間隙一般指底盤上零部件最低點距地面的距離，實際最低點的位置不同車型有所不同。實際仿真分析中將汽車底盤簡化為一個距地面為最小離地間隙d的平面，對簡化底盤平面的所有點進行監(jiān)測。

2.2 坡道離散

坡道行車仿真的目的是判斷汽車在上下坡道過程中底盤是否與坡道接觸，可等效為計算汽車底盤監(jiān)測點距坡道面的最小距離。由于坡道面輪廓是1條復雜曲線，難以通過幾何直接得到底盤監(jiān)測點距坡道面的最小距離。因此，將坡道離散為若干個點，通過計算汽車底盤附近所有坡道離散點到汽車底盤監(jiān)測點的距離，從而找出最小值。

將坡道下端端點作為原點，水平方向為x軸，垂向為y軸，根據(jù)坡道設計的幾何參數(shù)，分別計算出下過渡段、中間段和上過渡段的坡道坐標值。在仿真分析開始之前將坡道離散為(x,y)坐標值數(shù)組，以便仿真過程中調用。由于仿真分析起止位置處車輛在坡道外，為分析方便，在坡道面坐標數(shù)組里坡道前后端增加5 m長度的水平直線段。

2.3 仿真原理

為模擬車輛上、下坡情況，需要將汽車模型在坡道上移動。以上坡仿真為例，先將汽車模型置于坡道下端，并使車頭與坡道起點對齊，將汽車前輪與地面的交點Pf作為汽車位置控制點。當Pf移動到坡道上時，汽車后輪與地面交點Pa可以通過以Pf為圓心，軸距Lc0為半徑的圓與坡道交點得到。程序中通過從坡道面坐標數(shù)組第一個元素開始逐點計算到Pf點距離，直到第一次搜索到距離等于Lc0即得到Pa點坐標。

通過Pa和Pf位置可以進一步得到汽車底盤前端監(jiān)測點Tf和后端監(jiān)測點Ta位置，以及中間底盤投影線方程。對于前后端監(jiān)測點，通過搜索其附近的坡道面坐標點可得到相應的監(jiān)測點最小離地間隙。對于中間底盤線，通過搜索2輪之間的坡道面坐標點，找到距底盤線最近的點，即為中間底盤最小離地間隙，見圖4。

圖4 汽車定位及監(jiān)測點最小離地間隙搜索

理論上當監(jiān)測點最小離地間隙小于等于0時，即表明汽車底盤與坡道發(fā)生碰擦。但由于汽車底盤懸架為彈性設計[4]，在車輛裝卸上下坡過程中存在加速和減速的情況，會引起底盤發(fā)生額外的升降運動；此外，由車輛運輸船坡道上通常會布置防滑條，在汽車上下坡過程中底盤會發(fā)生一定幅度的抖動?？紤]上述影響，仿真程序增加最小安全離地間隙參數(shù)。當當前位置監(jiān)測點最小離地間隙小于等于最小安全離地間隙時，即認為監(jiān)測點處有碰擦底盤危險。用戶可以手動設置前后懸和中間底盤最小安全離地間隙。

程序控制汽車逐步向前移動，并在屏幕上實時畫出坡道及汽車位置[5]，實時輸出當前各監(jiān)測點最小離地間隙，并記錄坡道行車全過程中各監(jiān)測點離地間隙最小值。當車輛監(jiān)測點與坡道發(fā)生碰擦時，程序記錄坡道發(fā)生碰擦的范圍，以提醒用戶該處坡道設計需要優(yōu)化。

3 應用

3.1 設計階段應用

選取凱迪拉克XTS車型，車型參數(shù)見表1。

表1 凱迪拉克XTS車型參數(shù)

某PCTC車輛運輸船2甲板至3甲板坡道設計參數(shù)見表2。

表2 某車輛運輸船2甲板至3甲板坡道設計參數(shù)

將上述參數(shù)錄入數(shù)據(jù)庫，并在坡道行車仿真程序中調用。設定前后懸最小安全離地間隙60 mm，中間底盤最小安全距離30 mm，對上坡過程進行仿真分析，截取中間過程,見圖5。

圖5中數(shù)據(jù)根據(jù)汽車位置實時變化，如果發(fā)生觸底，將記錄汽車的觸底部位和坡道的觸底位置。經坡道仿真模擬，該車型在經過該坡道時，沒有發(fā)生觸底的情況。

圖5 設計坡道行車仿真分析

3.2 實船應用

經船東反饋，某車輛運輸船在裝卸商品車凱迪拉克部分車型時，車輛前懸底端與坡道發(fā)生碰擦。實船坡道由于長期裝卸車輛，坡道面產生了一定的變形。為獲取實船坡道的坐標值，設計以下測量方法：使用2根帶刻度的標尺固定U形水柱A、B兩邊，水柱A固定在坡道起點并通過鉛垂線保證垂直，水柱B在坡道范圍內從坡道起點開始沿甲板面方向以固定距離s為1站移動，并通過鉛垂線保持垂直。讀取水柱B移動到各站位置時，水柱A的高度值變化量Δh，根據(jù)圖6列出第k站處水柱平衡關系方程。

圖6 實船坡道測量方法示意

進而得到第k站處坡道坐標值。

(4)

式中：α為船舶縱傾角。

根據(jù)測量得到的坡道若干坐標點，在程序中繪制出坡道形狀，并選擇凱迪拉克XTS車型，通過仿真模擬車輛在坡道上行駛的情況，得到可能觸底的區(qū)域，見圖7。

圖7 實船坡道行車仿真分析

經坡道行車仿真模擬，發(fā)現(xiàn)該船坡道在長期運營中，底部區(qū)域發(fā)生了較大的結構變形，導致汽車在上坡過程中前懸底盤先發(fā)生碰擦，繼而后懸底盤也發(fā)生碰擦。針對仿真分析得到的坡道碰擦危險區(qū)域做相應的修復方案，并對修復方案進行仿真分析，最終確定可行的坡道修復方案。

4 結論

所介紹的車輛運輸船坡道行車仿真方法可以在船舶設計階段通過分析車輛上、下坡道的通過性驗證坡道設計合理性。對于已經長期運營的車輛運輸船，可通過該方法分析確定坡道變形是否會導致裝卸某些車型時碰擦底盤，對有碰擦危險的情況給出坡道碰擦危險區(qū)域，輔助設計坡道的修復方案，或者禁止裝卸可能發(fā)生底盤碰擦的車型，避免裝卸過程中造成損失。