侧风对公路行车安全影响的仿真分析与对策研究

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1、第一章绪论第一章绪论1.1研究的目的和意义随着经济的飞速发展，物质生活水平的提高，山区和气候复杂地区高等级公路的快速建设，人们对汽车的行驶稳定性、安全性和舒适性提出了越来越高的要求[1]。由于自然风的普遍存在，行驶在道路上的汽车经常会受到侧风横向力的作用，由于没有提前的预报，驾驶员很难控制车辆行驶的方向，这将导致车辆行驶偏离正常的轨迹，甚至引发侧翻。研究表明，高速行驶汽车发生的安全事故中，有相当大的一部分事故是由于环境侧风对汽车瞬态转向特性的影响，驾驶员或难以及时或没有足够的经验而产生不正确的反应，致使汽车

2、行驶稳定性失控所造成的[2-5]。近几年来，随着我国山区高速公路建设增加，我国公路因侧风影响造成的事故呈明显增加的趋势。2004年至2009年，南京北汊河、南汊河大桥路段上，因侧风引发的车辆事故高达几十起，造成严重的人员伤亡和巨大的财产损失[6]。图1-1为车辆被风吹翻事故的现场照片。图1-1车辆被风吹翻的现场照片2008年12月4日，郑州市黄河公路大桥上，由于侧风的影响，一辆五征牌三轮车向东侧翻在由南向北的车道上，三轮车上装载的约4米高的家具靠在路灯灯杆上，途经车辆绕行通过，造成严重的交通拥堵。其现场照片

3、如图1-2所示。1长安大学硕士学位论文图1-2黄河公路大桥上车辆被风吹翻的照片2010年3月8日，乌拉泊立交桥入口匝道一辆拉草帘子的货车在大风中摇摇摆摆，最终被吹翻。所幸无人员伤亡，但造成严重的交通拥堵。2013年3月2日，横跨江西赣江的英雄大桥主桥上，江面的大风将一辆集装箱货车吹翻。载重汽车的外廓尺寸大迎风面积大，重心偏高倾覆力矩大，车身长转弯半径大，受侧风横向力作用影响较大。图1-3为该集装箱货车在大风中失稳的照片。图1-3汽车在侧风中失稳的照片侧风引起的交通事故作为单车事故的一种重要形式，虽然在总的交

4、通事故中所占比例不大，但往往会造成严重的人员伤亡和巨大的财产损失。传统的汽车侧风稳定性研究通常采用模拟侧风发生器做实车实验，包括风洞试验和道路试验两种。研究汽车的侧向气动力对汽车稳定性的影响，涉及到的因素比较多，比如所测车辆的车速、道路摩擦系数等因素。若全面考虑这些因素，风洞试验已经无法达到预期效果的的研究。这种情况常使用人为产生阵风的方2第一章绪论法，来模拟实际行驶中汽车受到的侧风作用，做道路实车试验。但道路实验需要的时间长，耗资大，需要花费大量的人力物力，而且具有一定的危险性[7]，不是专门的汽车行业很

5、难完成这样的实验，因而限制了其他行业对侧风稳定影响的研究。随着计算机技术的发展，利用计算机仿真技术对侧风作用下汽车操纵稳定性的计算分析，已经得到了广泛的应用，它与常规的试验分析方法相比，仿真实验不仅具有分析速度快、精度高、周期短等优点，而且还能解决一般常规方法所不能解决的问题，如得到精确的结果分析图，且这种模拟实验操作简单、准确度高，为公路行业研究侧风稳定提供了一种简单、快捷的方法。图1-4为汽车风洞试验。图1-4汽车风洞试验本课题主要针对公路侧风存在区域，以动力学仿真技术为基础，开展对山区风速风向变化规律

6、的研究，基于不同的车型，研究不同的风速、车速、道路摩擦系数等条件下车辆行驶的稳定性，通过对稳定指标的分析，确定侧风对车辆影响的指标标准，得到侧风区域不同风级对应的安全行驶速度值，同时提出风速监测预警系统，为高速公路侧风监测预警系统建设提供指导。并针对不同的风速情况采取相应的防风对策，这将有助于保障多侧风路段行车安全性、降低事故率，对保障车辆在侧风路段安全行驶具有重要的实用价值和广泛的推广前景。3长安大学硕士学位论文1.2国内外研究综述1.2.1国外研究概况1973年，HuchoWH和EmmelmHJ对侧向阵

7、风环境下车辆气动导数进行了理论研究[8]。1985年，UffelmannF研究了空气动力学因素和悬架系统对汽车侧风特性的影响，并考虑了驾驶员的反应，提出了在侧风条件下可以由风敏因子WS作为评价指标来综合评价汽车的操纵性[9]。2001年，WallentowitzH等人提出了一种评估在自然侧风条件下车辆运动特性的方法[10]。2006年，YoshihisaMaruyama研究了强侧风环境下，机车运行的稳定性。为了预测移动机车的提前位置点，包括司机的反应，在数值分析中使用二阶预测校正模型；对比数值模拟与实验研究

8、得到的结果，讨论驾驶员模型的有效性。若合理确定与司机反应相关的模型参数，便可使用数值模型系统地模拟侧风条件下机车的反应，无需进行大量实际机车测试及驾驶模拟器实验。为作进一步研究，对各类机车模型得出普遍性结论。建立多种机车模型，研究侧风条件下的反应是很有必要的。本研究提出的方法有助于对强风环境下是否关闭高速公路做出正确决策，并对风障的设计具有一定指导意义[11]。2010年，MakotoTsubokura提出了基于