重型汽车是公路交通运输的主要方式，由于惯性大、车身长、侧倾中心高，导致转向半径大、机动灵活性差，在转向、制动、变道、通过曲线桥等复杂工况下行驶时稳定性差，轮胎与路面之间的三维相互作用力具有非线性的特点，可能产生甩尾、侧翻等失稳现象，甚至造成重大交通事故。另外，现有道路设计中的平纵横分开设计已不能很好地满足弯道、积水、进出隧道口等复杂路段的线路安全设计要求，基于车路相互作用以车辆动力学指标分析复杂路段的交通安全性，对道路设计规范中的静力学方法进行动力学修正，已成为道路设计者关注的热点问题。
因此，研究复杂工况下重型汽车的非线性动力学及车辆与道路、桥梁的三维相互作用动力学机理，是一个车辆、道路、桥梁和非线性动力学相交叉的崭新学科，具有重要的理论意义和工程价值。
对汽车和道路相互作用的研究分为车辆动力学和路面结构动力学两个学科，或者只考虑道路振动从而对汽车系统进行简化，或者只考虑汽车振动而没有对道路结构进行建模。目前国内外反映车辆-道路相互作用研究成果的专著尚不多见，作者所在课题组已出版的专著《车辆-道路耦合系统动力学研究》(杨绍普,陈立群,李韶华 著. 北京：科学出版社,2012.12)将汽车动力学和道路动力学相结合，对车辆和道路的垂向相互作用机理进行了理论、数值和实验研究。但是，考虑轮胎-路面之间的纵向、侧向、垂向作用力，研究车辆在特殊路段(弯道、曲线桥)处的动力学行为及车-路/桥三维相互作用的专著，还未见公开发表。
《重型汽车-道路三维相互作用动力学研究》(李韶华, 路永婕, 任剑莹著. 北京：科学出版社, 2020.11。以下简称本书)一书立足于重型汽车与道路三维相互作用动力学的研究，突破以往仅在垂向开展车辆平顺性和道路友好性研究的局限性，以实验和理论分析的手段对轮胎与地面的三维接触力进行研究，将传统研究扩充到汽车-道路三维相互作用研究，结合路表微、宏观特性探索重型汽车在特殊路段处(弯道、路面特性突变、曲线桥) 转向、制动、变道超车等工况的整车动力学及行驶安全性，并从汽车-道路三维相互作用的角度对道路、桥梁的安全性进行评价，旨在揭示汽车-道路三维相互作用机理，为车辆、道路及曲线桥的动态设计提供新思路。
主要研究内容包括五个方面。
1. 轮胎三向动态特性实验建模。
以重型汽车子午线轮胎10.00R20 为研究对象，设计制作了可用于轮胎侧向、纵向及径向动态特性测试的新型实验装置。对轮胎三向动态特性进行测试，基于实验数据建立了轮胎侧向、纵向、径向动态刚度非线性模型，分析胎压及激振频率对动刚度和阻尼的影响，推导了所测侧向、纵向刚度系数与纵滑、侧偏刚度的非线性对应关系。并进一步提出了一种统一的四次非线性数学模型，可用于描述轮胎垂向、侧向、纵向滞迟非线性特性。
轮胎三向动态特性实验现场和轮胎实验装置结构图
2. 考虑轮胎动态摩擦的重型汽车操纵动力学。
选用LuGre 动态轮胎模型作为整车与路面的耦合模型。为保证轮胎模型更加准确，本节在原有的LuGre 动态轮胎模型的基础上，将沿轮胎接地印迹方向的压力密度分布函数改进为动态压力密度函数，增加了函数参量，进一步提高了轮胎模型的准确性。其次，针对三轴重型汽车，在MATLAB/Simulink 中结合改进后的LuGre 模型建立了重型汽车四自由度非线性动力学模型，在典型工况下对车辆进行仿真分析，并与ADAMS/Car 中建立的重型汽车模型在同工况下的仿真结果进行对比，验证了模型的合理性。
3. 含道路表面形貌特征的三维路面谱的重构。
利用分形理论研究微、宏观三维道路表面的自相似特征，建立包含分形维数和尺度系数的数学函数表达三维路面谱，采用随机中点位移算法重构适用于车辆动力学分析的三维路面数值模型，并在此基础上研究三维路面谱在车辆动力学研究中的应用。应用分形理论和粗糙路面接触理论对轮胎和具备各向统计特征的粗糙路面实际接触理论进行化简，讨论轮胎类型、路面类型、滑动速度和垂向载荷对接触面积、滑动摩擦系数改变趋势的作用，建立三维轮胎和路面的滑动摩擦系数模型；分别从垂向和纵向对车辆和路面的动力学响应进行分析，研究车辆在被动控制、阻尼控制和模糊PID 控制三种控制算法下的垂向响应以及三维路面在ADAMS 和TruckSim 软件中的应用。
轮胎与粗糙路面的三维接触模型
根据轮胎静态压力实验数据，把三维轮胎和轮胎印迹上分布的载荷特性相结合；结合建立的三维路面谱，把接触面看成由有限个点组成，建立轮胎与路面相互作用的三维接触模型。轮胎与三维路面接触模型是将接触部分所有点对轮胎的激励取平均值，作为路面的激励，轮胎的接地面积和接地压力等随着运动位移的变化而变化，如图所示。轮胎与路面的点接触模型，是将所建立的三维路面任一剖面的二维曲线作为路面激励。结合四分之一车辆模型，对车辆在点接触模型和面接触模型激励下进行动力学分析和比较。
4. 重型汽车-道路三维相互作用系统建模及动力学分析。
将汽车垂向动力学、侧向动力学和纵向动力学相结合，建立三向耦合汽车模型，推导了汽车三向耦合作用的规律，搭建了整车仿真平台，可实时仿真汽车的各种工况，并通过实验数据验证了模型的有效性，分析了汽车-道路三维相互作用机理及参数影响规律。进而从车辆动力学的角度出发，在分析总结现有道路安全评价及理论研究现状的基础上，以车辆动力学指标分析车辆行车安全性，并为道路线形设计提供参考建议。
5. 重型汽车-曲线桥三维相互作用系统动力学分析及安全性评价。
在汽车-道路三维相互作用研究的基础上，本章进一步建立了重型汽车-曲线桥三维相互作用动力学模型，对比了汽车-曲线桥耦合模型与非耦合模型的区别，分析了车辆行驶条件对桥梁垂向、径向、扭转位移冲击系数的影响规律，对桥梁的安全性进行评价，并分析了桥梁几何非线性与材料非线性对桥梁响应的影响。另外，还设计制作了汽车-曲线桥实验模型，通过实测数据分析了工况参数对桥梁响应的影响，并验证了所建模型及计算方法的正确性。
车-曲线桥三维相互作用系统动力学分析的计算流程
在车辆-道路相互作用动力学的研究中，尚存在以下关键问题，值得学者们进一步关注。
- 三维非线性轮胎力作用下非线性黏弹性道路建模及边界条件的确定；
- 基于汽车-道路三维相互作用的车辆三维失稳机理分析；
- 基于汽车-道路三维相互作用的道路结构耐久性评价；
- 车辆-桥面铺装-钢桥相互作用动力学；
- 基于联立常微分方程和偏微分(积分) 方程的解析方法中，可解性条件的建立；
- 高维刚柔耦合非线性系统数值积分算法的稳定性和收敛性。
本书介绍了车辆-道路三维相互作用动力学的研究结果，是作者近五年来从事车辆-道路动力学及相关领域研究成果的凝练，在一定程度上也反映了该领域研究的最新进展。研究成果将丰富汽车-道路相互作用动力学的研究内容，为复杂工况下车辆安全行驶及道路、桥梁安全性评价提供理论支持。
本文摘编自《重型汽车-道路三维相互作用动力学研究》(李韶华, 路永婕, 任剑莹著. 北京：科学出版社, 2020.11)一书“前言”“第1章 引言”，有删减修改，文中图片来自该书中文，可点击放大浏览。标题为编者所加。
(非线性动力学丛书; 28)
ISBN 978-7-03-066583-6
责任编辑: 刘信力 杨 探
本书在介绍重型汽车、道路、曲线桥动力学国内外研究现状的基础上，以轮胎-路面三维相互作用为联结点，研究车辆在特殊路段(弯道、曲线桥)处的动力学行为；通过对重型汽车轮胎的动态特性和接地印记实验，为轮胎的精细化建模提供可靠参数依据；提出考虑动态摩擦的改进轮胎模型，研究此模型下的重型汽车操纵动力学行为；对含道路表面形貌特征的三维路面谱重构，研究车辆在复杂行驶状态和多尺度路表形貌下轮胎/路面摩擦因数特征，探索道路表面抗滑与车辆行驶安全性的作用机理；建立重型汽车-道路/曲线桥三维相互作用动力学模型，分析重型汽车在特殊路段处的稳定性和安全性，并对道路桥梁的安全性进行评价。本书将丰富车-路相互作用动力学研究内容，为车辆安全行驶和道路、桥梁的动态设计提供理论支持。本书可供高等学校力学、车辆、公路、机械等相关专业的教师、研究生与高年级本科生使用，也可供相关专业的科研工作者和工程技术人员使用。
车辆-道路耦合系统动力学研究
(非线性动力学丛书; 16)
ISBN 978-7-03-036965-9
杨绍普,陈立群,李韶华 著
北京：科学出版社,2012.12
本书在介绍车辆动力学、道路动力学的国内外研究现状的基础上，提出了车辆-道路耦合系统动力学的研究框架，对车辆、道路及车辆-道路耦合系统动力学进行了理论、仿真及实验研究，主要包括基于实验建模、多自由度模型和多体系统动力学模型进行重型车辆动力学的研究；采用积分变换法、Galerkin方法、有限元法分析移动车辆载荷下的道路系统动力学响应；建立车辆-道路耦合系统，比较耦合模型与传统模型动力响应的区别，分析车辆、道路系统参数的低动力设计措施；对于车路耦合实验段的建设、传感器的布置和实验数据的分析处理进行论述。本书将理论和实际相结合，既有理论推导和数值仿真结果，又包含很多实验分析。研究成果可为车辆参数的低动力设计，道路结构的设计、施工、养护和疲劳寿命预测提供理论指导。
(本文编辑：刘四旦)
