Trucksim軟件及重載作用仿真應用

郭 恩

(秦皇島市公路管理處)

Trucksim 軟件由美國Mechanical Simulation 公司出品，作為一款微觀仿真軟件，它可以通過輸入車輛情況(動力性能、外觀尺寸、載重情況等)、道路情況(平、縱線形，路面摩擦系數)、速度等要素來仿真貨車的運行情況，仿真結果可以通過圖表和情景模擬反映出來。鑒于此，該軟件可廣泛應用于車輛性能測試、道路線形設計修正和駕駛行為分析等交通研究領域。

近年來，秦皇島地區多條公路混凝土路面先后進行了加鋪瀝青層改造，個別地段早先改造的路面由于重載交通的作用而有不同程度的破損。即較詳細介紹Trucksim 軟件組成，并采用Trucksim 軟件來仿真分析重載交通的作用。

1 仿真實驗簡介

Trucksim6.0 由四個功能模塊組成，如圖1 所示。

圖1 Trucksim 仿真軟件的四個功能模塊

四部分功能和組成分別是。

(1)圖形數據庫數據接口(Data screens in the graphical database)

它主要由車輛參數模塊(Vehicle model parameters)、參數控制輸入模塊(Control inputs)和仿真設置(Simulation settings)三部分組成。它包含140 多個仿真實例，按照不同參數進行仿真演示，用戶也可以通過新建或修改參數進行新的仿真環境設定。

(2)車輛仿真運算模塊(Vehicle dynamics math models)

該模塊利用車輛動力學計算公式，計算出車輛運行過程中牽引力、阻力變化情況以及車輛的運行軌跡，完成仿真數學運算。

(3)視頻演示模塊(The surface animator)

該模塊能夠演示車輛運動整體過程，從不同視角或通過放大縮小觀看車輛的運動特征。

(4)繪圖引擎(The Windows Engineering Plotter)

結合車輛的運行信息可以確定各項車輛參數，通過讀取某個參數可以建立時間或空間下的參數變化曲線，也可以選擇相關的兩項進行參數讀取并繪制圖像。

與現場試驗相比，利用Trucksim 軟件進行仿真實驗能夠模擬困難、危險道路條件下車輛運行的狀況，避免了現場試驗的危險性，而且實驗周期也比較短，數據能夠實現自動采集，屬性多而且比較準確。與其他類似仿真軟件相比較，Trucksim 具有方針運算快速、要求硬件水平相對較低、程序可移植性、操作性好的優點。更主要的是該軟件將道路信息和車輛信息能夠有機的結合起來，擺脫了單純從車輛信息或道路信息探究運行安全的傳統研究模式，使得試驗結果更接近于現場實地研究的結果。

2 仿真參數確定與數據輸入

(1)仿真參數輸入層子模塊構成

仿真參數輸入層主要由三部分組成，主控界面如圖2 所示，分為車輛類型選擇輸入子模塊、車輛控制方式輸入子模塊和車輛運行環境輸入子模塊。

圖2 輸入層主控界面

(2)車輛類型選擇輸入子模塊

該模塊為可選擇式下拉菜單，可選擇項有車輛幾何尺寸、車輛荷載等項目。

本次仿真實驗將重載貨車應作為研究對象車型，功率質量比分別為8.9 kW/t 和8.3 kWt，根據我國道路規范要求，我國公路設計車輛外廓尺寸見表1 所示。為此，在Trucksim平臺仿真時采用載重汽車的外廓尺寸。

根據我國車輛額載標準，規范規定大貨車載重介于7～10 之間。考慮到超限運輸的影響，可適當調整大貨車載重量進行仿真實驗。在具體仿真過程中，將載重分為以下幾個檔次:10 t、12 t、14 t、16 t、18 t、20 t。

表1 我國公路設計車輛外廓尺寸

在確定載重量的前提下，根據Trucksim 軟件提供的載重參數設定界面進行載重的幾何尺寸、重心以及貨物對對前軸和后軸的軸荷分配。我國部分國產車滿載時的軸荷分配見表2。

表2 部分國產車滿載時的軸荷分配

通過載重量和前、后軸荷載分配的對比分析，黃河JN150 具有一定代表性。故在仿真界面輸入該車型的軸荷分配。

(3)其他信息輸入子模塊

其他信息輸入子模塊尚有牽引力輸入模塊、汽車阻力輸入模塊、道路環境制作模塊等。為了簡化計算，采用集中作用的空氣阻力PW 來代替上述分布在整個汽車各部位上的阻力。汽車摩擦力輸入模塊主要由汽車輪胎與路面摩擦系數決定。道路環境的制作主要是可以對道路顏色、周圍景觀以及一些附屬設施進行修改或添加，使得仿真效果視覺明顯、突出。

3 仿真結果分析

(1)重載對路面的疲勞壽命影響

我國《公路瀝青路面設計規范》(JTJD50－ 2006)中規定:當以設計彎沉值和瀝青層層底拉應力為指標時，各級軸載均應按下式換算成標準軸載P 的當量軸次N。

隨著各種車輛隨著超載率的增加，換算系數明顯增加:超載20%時為滿載的2.21 倍，超載50%為滿載的5.83 倍，超載80%為滿載的12.89 倍，超載100%時為滿載的20.39倍。與此同時，公路等級使用初期計算標準軸次與設計壽命年限內累計標準軸次均明顯增加，超載20% 時為滿載的1.96 倍，超載50%時為滿載的4.85 倍，超載80%時為滿載的10.47 倍。據此判定各等級道路的使用年限可得到:在超載的情況下使用壽命明顯降低，超載100%時，高速公路的路面結構只能使用1.3年，一級公路的路面結構只能使用1.4年，二級公路的路面結構只能使用1年。

(2)重載對路面厚度的影響

交通軸載對路面厚度設計是一個很重要的的參數。目前設計標準軸載為100 kN，設計標準輪壓0.7 MPa，而實際路面上的交通車輛由于普遍嚴重超載，使得實際的軸載和輪壓遠遠超過標準軸載和輪壓。

在這種情況下，如果按不同軸載作用下，底基層底面的彎拉應力與標準軸載作用下應力相等的思路來確定在超載作用下所需要增加的結構層厚度，以及每一級超載水平對技術水平指標的影響，通過計算則得到車輛軸重每增加20 kN，表中的各項指標均增大20%，軸重由100 kN 增加到200 kN時，面層的層底拉應力增加一倍多。為了抵抗陡增的拉應力，勢必要提高路面結構層厚度。

表3 面層受力情況

由上述分析可知，重載交通對道路承載能力的影響是巨大的。秦皇島目前已完工的白改黑項目中，出現早期破損的主要原因就在于重載作用。盡管白改黑典型結構在常規荷載作用下能夠滿足要求，但如果考慮重載交通，路面結構厚度是偏薄的。這就需要在白改黑設計過程中充分保證路面各結構層的承載能力，并提高必要的強度可靠度，必要時增設碎石基層或增加瀝青混凝土面層厚度。

4 結 語

Trucksim 軟件可廣泛應用于車輛性能測試、道路線形設計修正和駕駛行為分析等交通研究領域，將其應用于白改黑路面在重載交通下的影響分析。秦皇島白改黑項目部分路面出現早期破損的主要原因就在于重載作用，為此需提高強度可靠度，必要時增設碎石基層或增加瀝青混凝土面層厚度。