考虑乘员-智轨列车-道路的路基沉降机理仿真分析方法

本发明属于仿真分析，尤其涉及一种考虑乘员-智轨列车-道路的路基沉降机理仿真分析方法。

背景技术：

1、滩涂作为重要的土地后备资源，为沿海地区的发展提供了广阔的土地资源和空间。滩涂地区具有潮涨淹没、潮落露出的特点，路基往往会受到反复涨落水位作用的影响，在滩涂地上修建的路基，其两侧的环境差别迥异。因此，对滩涂地工程的施工质量和工期提出了更高的要求。工程经验表明，在反复水位作用下，深厚滩涂路基将会产生较大的沉降，从而影响道路平顺性以及车辆乘员的舒适性。对于路基沉降机理分析，目前大部分研究者采用数值模拟和仿真方法进行分析，取得了较好的效果。

2、但是目前所开展的各种路基沉降机理有限元及其它仿真分析方法中，大部分方法是从道路自身角度（道路土层变化、渗水率、土体软化程度）对路基沉降机理进行分析，其余方法也仅考虑了路基沉降与车辆之间的相互作用关系。尚未考虑车辆乘员——这一最能直接感受路基沉降所带来的路面不平顺影响的要素，进而缺乏综合考虑乘员-车辆-道路耦合的路基沉降机理的系统分析。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提出了一种考虑乘员-智轨列车-道路的路基沉降机理仿真分析方法，以解决现有技术中存在的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种考虑乘员-智轨列车-道路的路基沉降机理仿真分析方法，包括以下步骤：

3、采集近海滩涂区智轨列车道路的基础数据和各监测点的路基沉降量数据，并根据所述基础数据和路基沉降量数据构建仿真测试道路环境；

4、采集智轨列车的动力学参数，基于所述动力学参数构建初始智轨列车整车动力学模型；

5、运行初始智轨列车整车动力学模型，得到运行结果，基于所述运行结果进行模型优化，获得优化后的智轨列车整车动力学模型；

6、基于人-车-路耦合振动模型公式构建智轨列车的人-车-路耦合振动模型；

7、将所述整车动力学模型带入到仿真测试道路环境中结合人-车-路耦合振动仿真模型进行联合仿真，获得仿真数据；

8、基于所述仿真数据进行路基沉降长期作用机理分析，获得路基沉降长期作用机理分析结果。

9、优选地，所述构建智轨列车的人-车-路耦合振动模型的方法包括：

10、构建人-车-路的相对竖向位移的耦合关系式；

11、基于所述耦合关系得到人-车-路的相互作用力公式；

12、基于所述耦合关系式和相互作用力公式得到人、车、路的振动微分方程；

13、综合耦合关系式、相互作用力公式和振动微分方程得到人-车-路耦合振动模型。

14、优选地，所述耦合关系式为：

15、

16、式中，(t)表示路面与智轨列车车轮的相对竖向位移，(t)表示智轨列车车轮竖向位移，(t)表示路面竖向位移，r()表示智轨列车车轮与路面接触点处的路面不平度值，(t)表示智轨列车车身与乘员之间的相对竖向位移，(t)表示智轨列车车身的竖向位移，(t)表示乘员的竖向位移。

17、优选地，所述相互作用力公式为：

18、

19、式中，(t)表示智轨列车车轮对路面的作用力，表示路面对智轨列车车轮的作用力，(t)表示乘员对智轨列车车体的竖向作用力，表示智轨列车车体对乘员的竖向作用力，表示车轮阻尼，表示车轮刚度，表示生物力学的人体阻尼，表示生物力学的人体刚度，表示路面与智轨列车车轮的竖向相对位移对时间的一阶导数，表示智轨列车车身与乘员的竖向相对位移对时间的一阶导数，t表示时间。

20、优选地，所述振动微分方程包括智轨列车的振动微分方程、乘员的振动微分方程和道路的振动微分方程；

21、所述智轨列车的振动微分方程为：

22、；

23、式中，[]表示智轨列车的振动微分方程的质量，[]表示智轨列车的振动微分方程的阻尼，[]表示智轨列车的振动微分方程的刚度矩阵，{}表示智轨列车的位移向量，{}表示{}对时间的一阶导数，{}表示{}对时间的二阶导数，{}表示智轨列车自重；{(t)}表示智轨列车车轮与路面之间的相互作用力，{(t)}表示智轨列车车体与乘员之间的相互作用力。

24、优选地，所述乘员的振动微分方程为：

25、

26、式中，[]表示乘员的振动微分方程的质量，[]表示乘员的振动微分方程的阻尼，[]表示乘员的振动微分方程的刚度矩阵；{}表示乘员的位移向量，{}表示{}对时间的一阶导数，{}表示{}对时间的二阶导数；{}表示每个乘员的自重；{(t)}表示乘员与智轨列车车体之间的相互作用力。

27、优选地，所述道路的振动微分方程为：

28、；

29、式中，[]表示道路振动微分方程的质量，[]表示道路振动微分方程的阻尼，[]表示道路振动微分方程的刚度矩阵，{}表示道路的位移向量，{}表示{}对时间的一阶导数，{}表示{}对时间的二阶导数，{(t)}表示路面与智轨列车车轮之间的相互作用力。

30、优选地，所述人-车-路耦合振动模型的表达式为：

31、；

32、式中，表示路面接触点产生单位速度时，路面接触点所需施加的力；表示车轮接触点产生单位速度时，路面接触点所需施加的力；表示路面接触点产生单位速度时，车轮接触点所需施加的力；表示乘员竖向产生单位速度时，智轨列车车身竖向所需施加的力；表示智轨列车车身竖向产生单位速度时，乘员竖向所需施加的力；表示路面接触点产生单位位移时，路面接触点所需施加的力；表示智轨列车车轮接触点产生单位位移时，路面接触点所需施加的力；表示路面接触点产生单位位移时，智轨列车车轮接触点所需施加的力；表示乘员竖向产生单位位移时，智轨列车车身竖向所需施加的力，表示智轨列车车身竖向产生单位位移时，乘员竖向所需施加的力。

33、优选地，所述方法还包括通过加速度均方根值法对乘员舒适性进行分析；

34、所述对乘员舒适性进行分析的方法包括：

35、计算不同频率下的加速度均方根值；

36、对所述不同频率下的加速度均方根值进行频率加权，得到总体加权加速度均方根值；

37、基于总体加权加速度均方根值进行舒适度评估。

38、优选地，所述不同频率下的加速度均方根值的计算表达式为：

39、；

40、式中，表示不同频率下的加速度均方根值，t表示振动信号的持续时间，表示经过振动计权叠加后的振动信号加速度。

41、与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：

42、本发明所述的考虑乘员-智轨列车-道路的路基沉降机理仿真分析方法，从多角度、多参数、多维度对乘员-智轨列车-道路进行联合仿真分析，阐明路基沉降所引起的路面不平度、智轨列车动载以及乘员乘坐舒适性之间的动态相互作用机制，以期对近海滩涂区智轨列车道路路基沉降问题进行深入解析，探求车速、沉降量、车辆荷载等多因素影响下路基沉降产生的作用机理，填补现有相关研究空白。研究内容可以为预测和控制软土路基交通荷载引起的长期沉降问题、智轨列车道路设计标准、以及道路设计安全评价积累基础研究数据和提供理论支撑，具有深远的社会意义和经济效益。