考虑驾驶员行为的风—汽车—桥梁系统空间耦合振动研究

论文摘要

21世纪的世界桥梁工程步入了建设跨海联岛工程的新时期，中国也开始了跨海工程建设，长大桥梁是跨海工程的有力竞争者，但带来了因桥位处大风频袭所导致的风对通行车辆的影响问题。在强风作用下，行使在振动桥梁上的车辆的安全性和舒适性研究不仅是一个科学问题，而且也是一个急待解决的工程问题，同时强风作用下关闭交通的临界风速标准的确定是一个影响广泛的社会问题和经济问题。首先对现有解决风环境下车辆行驶问题的驾驶员反应行为模型、风-汽车-桥梁耦合分析组成内容进行了回顾，研究了考虑汽车运动时坐标转动特性的驾驶员行为模型和桥面车轮侧滑力模型，发展了汽车-桥梁的侧向耦合关系，采用了一个更加合理，能考虑众多因素影响的汽车动力分析模型，将驾驶员模型的运用融入到整体的风-汽车-桥梁分离迭代法的时域求解过程中去，从而建立了考虑驾驶员行为的风-汽车-桥梁系统空间耦合振动分析框架及求解策略，用Fortran实现了相应的程序功能。在此基础上探讨桥面振动对行车事故相关响应的影响，分析了不同风向下桥面行车的侧滑、侧倾临界风速。其次提供了Fourier变换识别抖振响应频谱失真的实例，采用Hilbert-Huang变换（HHT变换）分析桥梁抖振响应的时频特性，从结构动力学角度探讨了响应非平稳性的原因，从风工程的角度探讨HHT变换分量的物理意义，并分析侧风作用下桥上汽车支撑力响应的非平稳指标，为动力可靠度分析中平稳性假定的合理性提供必要的论证。再次建立了基于广义极值分布的风速风向联合分布，为桥上行车安全的可靠度分析提供了风速概率模型。针对极大似然法参数估计的失效问题，将逐步迭代法推广应用于广义极值分布，建立了参数估计的高效稳定算法，并比较广义极值分布与极值Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型分布的拟合度，研究平均风速的最优分布类型。最后探讨并建立桥面行车安全概率评价的模型。分析了风-汽车-桥梁系统脉动风及路面粗糙度样本的随机过程特性对行车安全可靠度的影响，建立了考虑风速风向联合概率分布的动力可靠度评价方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 风车桥耦合研究发展概述
• 1.2 非线性抖振分析理论发展近况
• 1.3 风-车-桥耦合振动研究近况
• 1.4 驾驶员模型研究近况
• 1.5 行车安全的其它相关问题
• 1.6 动力可靠度理论的新动态及在风工程中的应用
• 1.7 本文的研究内容
• 第二章 风-汽车-桥梁系统输入的随机模拟
• 2.1 基于改进谐波合成法的风场模拟
• 2.1.1 风场模拟研究的简要回顾
• 2.1.2 改进的谐波合成法
• 2.1.3 改进谐波合成法的实桥应用
• 2.1.4 脉动风对平均风和空间坐标的插值
• 2.2 路面粗糙度模型
• 2.3 本章小结
• 第三章 考虑驾驶员行为的风-汽车耦合分析
• 3.1 考虑驾驶员行为的风-汽车分析系统
• 3.1.1 汽车的动力学模型
• 3.1.2 考虑路面横向坡度的两轴汽车动力学方程
• 3.1.3 不同风向角时的汽车风荷载
• 3.1.4 考虑汽车运动随动坐标特性的驾驶员行为模型
• 3.1.5 运动方程组的求解策略
• 3.1.6 两轴汽车动力学方程的矩阵形式
• 3.1.7 事故标准
• 3.2 侧风作用下路面汽车事故相关响应的特征及影响因素分析
• 3.2.1 侧风作用下汽车事故相关响应的特征
• 3.2.2 两种驾驶员模型的探讨
• 3.2.3 脉动风对汽车事故相关响应的影响
• 3.2.4 平均风速对汽车事故相关响应的影响
• 3.2.5 风向对汽车事故相关响应的影响
• 3.2.6 车速对汽车事故相关响应的影响
• 3.2.7 路面粗糙度对事故相关响应的影响
• 3.2.8 路面横向坡度的影响
• 3.3 侧滑和侧倾临界风速
• 3.4 本章小结
• 第四章 大跨桥梁非线性抖振时域分析
• 4.1 大跨度桥梁动力学模型
• 4.1.1 桥梁系统动力学有限元方程
• 4.1.2 几何非线性简介
• 4.2 桥梁结构的气动力
• 4.2.1 主梁静风力
• 4.2.2 主梁抖振力
• 4.2.3 主梁自激力
• 4.2.4 其它构件的气动力
• 4.3 新疆赛吾迭格尔桁架梁悬索桥抖振及影响因素分析
• 4.3.1 新疆赛吾迭格尔大桥工程概况
• 4.3.2 全桥有限元模型
• 4.3.3 计算时长抖振的影响
• 4.3.4 几何大变形对抖振响应的影响
• 4.3.5 几种气动力影响程度分析
• 4.4 苏通大桥的抖振分析
• 4.4.1 薄壁箱梁主梁模式探讨
• 4.4.2 苏通长江大桥概况
• 4.4.3 桥的气动参数
• 4.4.4 苏通大桥脉动风场的模拟
• 4.4.5 大桥抖振响应
• 4.5 苏通大桥抖振参数敏感性研究
• 4.6 本章小结
• 第五章 考虑驾驶员行为的风-汽车-桥梁系统空间耦合振动分析
• 5.1 考虑驾驶员行为的风-汽车-桥梁耦合系统的建立
• 5.1.1 车桥竖向几何耦合关系
• 5.1.2 车桥竖向力学耦合关系
• 5.1.3 汽车-桥梁侧向耦合关系
• 5.1.4 轮胎的非线性侧偏特性讨论
• 5.1.5 桥上汽车的驾驶员行为模型
• 5.1.6 考虑驾驶员行为的风-汽车-桥梁耦合系统的数值求解步骤
• 5.2 苏通大桥实例分析
• 5.2.1 考虑驾驶员行为风-汽车-桥梁系统的输出
• 5.2.2 桥上与路上汽车事故及舒适性相关响应的比较
• 5.2.3 桥面竖向振动对汽车响应影响的分析
• 5.2.4 桥面侧摆对汽车侧滑响应影响的分析
• 5.2.5 桥面的侧倾和侧滑临界风速
• 5.2.6 不同风向角下的桥面临界车速和风速
• 5.3 本章小结
• 第六章 风-汽车-桥梁系统响应的时频研究
• 6.1 基于Hilbert-Huang变换的桥梁抖振响应的时频分析
• 6.1.1 问题的提出
• 6.1.2 时频分析技术发展的回顾
• 6.1.3 Hilbert-Huang变换
• 6.1.4 信号非平稳程度的量化指标
• 6.2 新疆赛吾迭格尔桥抖振响应的时频分析
• 6.2.1 跨中横桥向抖振响应时频分析
• 6.2.2 跨中竖直向抖振响应时频分析
• 6.2.3 跨中抖振响应非平稳性分析
• 6.3 苏通大桥抖振响应的时频分析
• 6.3.1 跨中竖桥向响应时频分析
• 6.3.2 跨中横桥向响应时频分析
• 6.4 汽车事故相关响应的时频分析
• 6.5 本章小结
• 第七章 基于广义极值分布的风速风向联合分布
• 7.1 风速概率拟合研究近况简介
• D-r曲线变化规律'>7.2 三种基本极值分布和广义极值分布的r_D-r曲线变化规律
• 7.2.1 极值分布和广义极值分布的概型
• D-r曲线变化规律'>7.2.2 极值分布的r_D-r曲线变化规律
• 7.3 极值分布和广义极值分布的极大似然估计和有效最优估计
• 7.3.1 极值分布的极大似然估计
• 7.3.2 极值分布的求解步骤
• 7.3.3 广义极值分布的的极大似然参数估计
• 7.4 基于广义极值分布的风速风向联合分布
• 7.4.1 联合分布的概率本质
• 7.4.2 基于联合分布的基本风速的推算
• 7.5 本章小结
• 第八章 桥上行车安全动力可靠度研究
• 8.1 基于风速风向联合分布的行车安全可靠度分析
• 8.2 基于动力可靠度理论的汽车桥上安全行驶可靠度分析
• 8.2.1 动力可靠度近似理论适用条件的论证
• 8.2.2 基于超越时间的汽车侧倾安全可靠度分析
• 8.2.3 基于超越极值的汽车侧倾安全可靠度分析
• 8.2.4 实例分析
• 8.2.5 考虑平均风和脉动风随机性的侧倾安全可靠度分析
• 8.2.6 考虑风速风向联合分布的行车安全动力可靠度分析
• 8.3 本章小结
• 结论和展望
• 论文所做的主要工作
• 分析得到的重要结论
• 进一步研究的建议
• 参考文献
• 附录
• 附录Ⅰ Newmark-β算法
• 附录Ⅱ 典型车辆气动参数和动力学参数
• 攻读学位期间取得的研究成果
• 发表的论文
• 编制的程序
• 参加的项目
• 致谢
• 回答评阅人问题