CN115114827B - 基于最小路面损伤准则的车辆间距计算方法、装置和介质 - Google Patents

基于最小路面损伤准则的车辆间距计算方法、装置和介质 Download PDF

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Abstract

本申请涉及一种基于最小路面损伤准则的车辆间距计算方法，用于降低车辆对道路路面的损伤，包括：建立道路路面材料的本构模型；计算道路路面温度场；根据车辆的载重、所述道路路面温度场以及道路路面的结构与材料特征来计算车辆的尾端车轴对路面的力学响应，以便获取所述道路路面在所述尾端车轴的作用下，所产生的拉应力峰值与压应力峰值之间的距离，并将所述距离做为最小路面损伤间距；根据所述最小路面损伤间距确定车辆间距。本申请具有减少车辆对道路的损害，从而延长道路结构的服役时间，进而增加基础设施的全寿命周期效益的效果。

Description

基于最小路面损伤准则的车辆间距计算方法、装置和介质
技术领域
本申请涉及道路工程技术领域，尤其是涉及一种基于最小路面损伤准则的车辆间距计算方法、装置、计算机设备和可读存储介质。
背景技术
道路路面的损伤主要由货运车辆的碾压所导致。车辆碾压过道路路面后，道路将产生相应的拉应力，如果在一定的时间内再向道路施加压力，将对道路产生较大损伤。因此设计适当的车辆间距可以避免当道路的拉应力处于某个范围时，再次对其施加碾压，从而降低车辆对道路路面的损伤。但是传统的人工驾驶的方法无法时刻使车辆的间距保持在理想的范围内，而无人驾驶技术对车辆的行驶控制更加精确，同时可以实现车辆间的信息交互，因此可以在车辆行进过程中使车辆之间保持相对固定的间距。另外，现有的前后车之间的最小安全距离需要考虑驾驶员的反应时间等因素，而无人驾驶则无需考虑这些因素，因此可以使前后车辆之间的距离可以更近。所以，在无人驾驶技术的基础上，如何设置合适的车辆间距，使前后车辆对路面的力学响应(主要指压应力和拉应力)能够产生部分抵消，从而减少货运车辆对路面产生的损伤，成为本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
为了至少解决上述问题，本申请提供了一种基于最小路面损伤准则的车辆间距计算方法。该方法根据货运车辆的载重、道路路面温度场以及道路路面的结构与材料特征，来计算在无人驾驶条件下的合适的车辆编队间距，可以实现延长道路结构的服役时间，从而增加基础设施的全寿命周期效益。
第一方面，本申请提供一种基于最小路面损伤准则的车辆间距计算方法，用于降低车辆对道路路面的损伤，包括：建立道路路面材料的本构模型；计算道路路面温度场；根据车辆的载重、所述道路路面温度场以及道路路面的结构与材料特征来计算车辆的尾端车轴对路面的力学响应，以便获取所述道路路面在所述尾端车轴的作用下，所产生的拉应力峰值与压应力峰值之间的距离，并将所述距离做为最小路面损伤间距；根据所述最小路面损伤间距确定车辆间距。
通过采用上述技术方案，可以计算合适的车辆编队间距，使前后车辆对路面的力学响应(主要指压应力和拉应力)能够产生部分抵消，从而减少货运车辆对路面产生的损伤。
可选的，所述本构模型的应力-应变关系包括公式：
其中δij为克罗内克符号，E(t)为松弛模量，ξ(t)为温度调整函数，∈KK为体应变张量，eij为偏应变张量，v为泊松比；
所述温度调整函数的公式为：其中αT为温度调整系数，其符合公式/>其中C1与C2为材料参数；
所述松弛模量的公式为：其中Ei为材料的粘弹性模量；ρi为松弛时间。
通过采用上述技术方案，可以根据道路路面温度场以及道路路面的结构与材料特征计算道路路面的应力-应变关系，从而使计算出的车辆间距更贴合实际场景，实用性更强。
可选的，所述计算道路路面温度场包括：根据道路路面的结构与材料特征、道路路面日照辐射功率、道路路面逆辐射功率、道路路表热对流功率以及路面内部热传导功率，来计算道路路面温度场。
可选的，所述根据道路路面的结构与材料特征、道路路面日照辐射功率、道路路面逆辐射功率、道路路表热对流功率以及路面内部热传导功率，来计算道路路面温度场包括：
通过公式:qabs＝γabsqsol计算道路路面日照辐射功率，其中qabs为道路路面的热吸收功率，qsol为日照辐射功率，γabs为道路路面材料的热辐射吸收率；
通过公式：计算道路路面逆辐射功率，其中qabs为道路路面的逆辐射功率，∈为发射率或称黑体辐射系数，σ为Stefan-Boltzmann常数，Troad为道路路面的绝对温度，Tatm为大气的绝对温度；
通过公式:qconv＝γfilm(Tatm-Troad)计算道路路表热对流功率，其中qconv为道路路表热对流功率；γfilm为传热膜系数；
通过公式:qcond＝-λ·gradT计算路面内部热传导功率，其中qcond为路面内部热传导功率，λ是固体的热传导率，gradT为道路路面温度梯度。
通过采用上述技术方案，可以针对不同天气、不同的道路路面的结构与材料特征计算道路路面的应力-应变关系，从而使计算出的计算道路路面温度场更准确。
可选的，所述根据车辆的载重、所述道路路面温度场以及所述道路路面的结构与材料特征来计算车辆的尾端车轴对路面的力学响应包括：根据有限元软件建立道路路面的有限元模型；将所述本构模型导入所述有限元模型；向所述有限元模型赋值车辆的载重；向所述有限元模型赋值道路路面温度场；对所述有限元模型进行网格单元划分，以计算道路路面各层的力学响应。
通过采用上述技术方案，可以准确高效地计算出不同场景下道路各层的力学响应。
可选的，根据所述有限元软件建立道路路面的有限元模型包括：所述道路路面包括多层，根据道路各层的厚度，建立三维道路有限元模型。
通过采用上述技术方案，可以精确地计算出道路各层的力学响应。
可选的，所述根据最小路面损伤间距确定车辆间距包括：
通过公式：Ltrack＝Lstress-(L1+L2)计算车辆间距，其中Ltrack为车辆间距，Lstress为最小路面损伤间距，L1为相邻的两车中前车的后轴至车尾的距离,L2为后车的前轴至车头的距离。
通过采用上述技术方案，可以避免在道路产生的拉应力较高时继续碾压道路，从而避免道路被严重损坏，而是在道路产生的拉应力降至最低时再使下一辆车辆的前轮碾压道路，从而降低对道路的损坏，进而根据该原理计算出合适的车辆编队间距。
第二方面，本申请提供一种基于最小路面损伤准则的车辆间距计算装置，包括：模型建立模块，用于建立道路路面材料的本构模型；温度场计算模块，计算道路路面温度场；力学响应计算模块，用于根据车辆的载重、所述道路路面温度场以及道路路面的结构与材料特征来计算车辆的尾端车轴对路面的力学响应，以便获取所述道路路面在所述尾端车轴的作用下，所产生的拉应力峰值与压应力峰值之间的距离，并将所述距离做为最小路面损伤间距；车辆间距计算模块，用于根据所述最小路面损伤间距确定车辆间距。
通过采用上述技术方案，可以计算合适的车辆编队间距，使前后车辆对路面的力学响应(主要指压应力和拉应力)能够产生部分抵消，从而减少货运车辆对路面产生的损伤。
第三方面，本申请提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任一方法的步骤。
通过采用上述技术方案，处理器内的计算机程序被执行时，实现一种基于最小路面损伤准则的车辆间距计算方法，能够使前后车辆对路面的力学响应产生部分抵消，从而减少货运车辆对路面产生的损伤，延长道路的使用寿命。
第四方面，本申请提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一项方法的步骤。
通过采用上述技术方案，计算机程序被执行时，实现一种基于最小路面损伤准则的车辆间距计算方法，能够使前后车辆对路面的力学响应产生部分抵消，从而减少货运车辆对路面产生的损伤，延长道路的使用寿命。
相对于传统的车辆编队方法，本发明的基于最小路面损伤准则的车辆间距计算方法通过计算合适的车辆编队间距，使前后车辆对路面的力学响应能够产生部分抵消，从而减少货运车辆对路面产生的损伤，因此延长了道路的服役时间，进而提高了基础设施的全寿命周期效益。
附图说明
图1示出了本申请其中一实施例的基于最小路面损伤准则的车辆间距计算方法的流程图；
图2示出了本申请其中一实施例的中采用南京2017-2020年4月平均气候资料计算得到的路面温度场；
图3示出了本申请其中一实施例的计算车辆的尾端车轴对路面的力学响应的流程图；
图4示出了本申请其中一实施例的车辆间距计算方法的示意图；
图5示出了本申请其中一实施例的道路沥青层层底单轴条件下产生的力学响应。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图1-附图5及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
参考图1，本申请提供一种基于最小路面损伤准则的车辆间距计算方法，用于降低车辆对道路路面的损伤，在一个实施场景中，该方法可以包括步骤S101-S104。在步骤S101处，建立道路路面材料的本构模型。在实际应用场景中，本构模型的应力-应变关系可以由以下公式计算：
其中δij为克罗内克符号，E(t)为松弛模量，ξ(t)为温度调整函数，∈KK为体应变张量，eij为偏应变张量，v为泊松比；上述温度调整函数的公式为：其中αT为温度调整系数，其符合公式/>其中C1与C2为材料参数；上述松弛模量的公式为：/>其中Ei为材料的粘弹性模量；ρi为松弛时间。
以沥青混合料为例，沥青混合料的粘弹性模量与松弛时间如表1所示。
表1沥青混合料的粘弹性模量与松弛时间
ρi(s) 1E-6 1E-5 1E-4 1E-3 1E-2 1E-1 1 1E20
Ei(Pa) 2.74E9 3.94E9 4.73E9 4.22E9 2.57E9 9.45E8 5.37E8 1.28E8
同时，以道路路面结构采用柔性基层沥青路面为例，其他道路路面材料的力学本构模型采用线弹性模型，道路的结构层厚度，级配碎石与路基的设计参数如表2所示。
表2道路路面结构设计参数
材料 层厚(cm) 模量(MPa) 泊松比
沥青混合料 32 - -
级配碎石 16 400 0.3
路基 - 60 0.4
在步骤S102处，计算道路路面温度场。在一个实施例中，可以根据道路路面的结构与材料特征、道路路面日照辐射功率、道路路面逆辐射功率、道路路表热对流功率以及路面内部热传导功率，来计算道路路面温度场。具体地，可以通过公式：qabs＝Yabsqsol计算道路路面日照辐射功率，其中qabs为道路路面的热吸收功率，qsol为日照辐射功率，Yabs为道路路面材料的热辐射吸收率；
通过公式：计算道路路面逆辐射功率，其中qabs为道路路面的逆辐射功率，∈为发射率或称黑体辐射系数，σ为Stefan-Boltzmann常数，Troad为道路路面的绝对温度，Tatm为大气的绝对温度；
通过公式：qconv＝Yfilm(Tatm-Troad)计算道路路表热对流功率，其中qconv为道路路表热对流功率；Yfilm为传热膜系数；
通过公式：qcond＝-λ·gradT计算路面内部热传导功率，其中qcond为路面内部热传导功率，λ是固体的热传导率，gradT为道路路面温度梯度。
参考图2，以南京2017-2020年4月平均气候为例，如表3所示，根据步骤S102中的4个公式对道路路面温度场进行计算，温度场计算结果如图2所示。
表3南京2017-2020 4月平均气候资料
月均气温/℃ 15.2
月均最高气温/℃ 20.3
月均最低气温/℃ 10.6
日辐射峰值/W·m-2 847
月均风速/m·s-1 2.7
日照时间/h 5.1
参考图3，在步骤S103处，根据车辆的载重、上述道路路面温度场以及道路路面的结构与材料特征来计算车辆的尾端车轴对路面的力学响应，从而获取所述道路路面在所述尾端车轴的作用下，所产生的拉应力峰值与压应力峰值之间的距离，并将所述距离做为最小路面损伤间距。其中车辆的尾端车轴是指车辆的最靠近车尾的车轴。在一个应用场景中，可以通过步骤S1031-S1035来实现。在步骤S1031处，根据有限元软件建立道路路面的有限元模型；在步骤S1032处，将上述本构模型导入上述有限元模型；在步骤S1033处，向上述有限元模型赋值车辆的载重；在步骤S1034处，向上述有限元模型赋值道路路面温度场；在步骤S1035处，对前述有限元模型进行网格单元划分，以计算道路路面各层的力学响应。
为了便于理解上述步骤S1031-S1035，以下以ABAQUS软件(一种有限元软件)为例进行示例性介绍，在步骤S1031处，因为道路路面包括多层，所以可以根据道路各层的厚度在ABAQUS中建立道路的三维有限元模型，将道路路面的结构与材料特征(包括道路各层的层厚，材料模量以及材料的本构参数)等进行定义。例如，分别设置每层道路的材料本构模型，并设置每层道路的材料本构模型的参数。在步骤S1032处，将上述道路的三维有限元模型导入ABAQUS模型。在步骤S1033处，根据双圆均布垂直荷载计算模式向ABAQUS模型施加荷载(车辆的载重)。在一个实施例中，也可以在定义温度场后，再向ABAQUS模型施加荷载。
在步骤S1034处，为有限元模型建立温度场，温度场的计算可以基于以上四个热传递方程：qabs＝Yabsqsol，qconv＝Yfilm(Tatm-Troad)和qcond＝-λ·gradT，并且依据有限元软件对道路路面温度场进行计算。以有限元软件ABAQUS为例，与日照辐射相对应的热边界在有限元软件ABAQUS中通过荷载(Load)模块的面热流(Surfaceheat flux)功能进行实现；路面逆辐射的实现通过相互作用(Interaction)模块中的面辐射(Surface radiation)功能实现；路表-大气热交换在通过相互作用(Interaction)模块中的膜条件(Surface film condition)进行定义；材料间热传导的实现通过定义材料的热参数进行实现。
在步骤S1035处，对道路的三维有限元模型进行网格单元划分后开始进行求解，得到道路各层的力响应。具体地，可以先确定三维有限元模型的单元类型、网格层数和网格尺寸，然后对三维有限元模型进行网格划分。最后通过层状体系力学计算方法，例如有限元方法、解析法，基于力学原理和上述本构模型，来计算道路各层的力响应。观察道路(主要指道路的抗疲劳层，例如沥青层)产生的拉应力和压应力与车辆间距的关系，以获得道路的拉应力和压应力随着车辆间距变化的关系曲线。从而获取所述道路路面在所述尾端车轴的作用下，所产生的拉应力峰值与压应力峰值之间的距离，并将所述距离做为最小路面损伤间距。
在步骤S104处，参考图4，根据上述最小路面损伤间距确定车辆间距。其中车辆间距Ltrack根据以下公式计算：Ltrack＝Lstress-(L1+L2)。其中Ltrack为车辆间距，Lstress为最小路面损伤间距，L1为相邻的两车中前车的后轴至车尾的距离,L2为后车的前轴至车头的距离。通过采用上述技术方案，可以避免在道路产生的拉应力较高时继续碾压道路，从而避免道路被严重损坏，而是在道路产生的拉应力降至最低时(即压应力最高时)再使下一辆车辆的前轮碾压道路，从而降低对道路的损坏，进而根据该原理计算出合适的车辆编队间距。使前后车辆对路面的力学响应(主要指压应力和拉应力)能够产生部分抵消，从而减少货运车辆对路面产生的损伤。
参考图5，以南京4月正午12点的温度场分布为例，利用有限元软件ABAQUS，计算得到100kN单轴在道路抗疲劳层层底的拉应力分布如图5所示。由图5可知，最小路面损伤间距Lstress＝2.2m。假设本实施例中前车后轴至车尾距离以及后车前轴至车头距离总计1m，即L1+L2＝1m,则基于最小路面损伤准则，本实施例所计算的柔性基层结构中，货车在4月正午12时的车辆间距为1.2m时对路面造成的损伤最小，即货运车辆编队间距Ltrack＝1.2m。
同时，本申请实施例还公开了一种基于最小路面损伤准则的车辆间距计算装置，包括：模型建立模块，用于建立道路路面材料的本构模型；温度场计算模块，计算道路路面温度场；力学响应计算模块，用于根据车辆的载重、所述道路路面温度场以及道路路面的结构与材料特征来计算车辆的尾端车轴对路面的力学响应，以便获取所述道路路面在所述尾端车轴的作用下，所产生的拉应力峰值与压应力峰值之间的距离，并将所述距离做为最小路面损伤间距；车辆间距计算模块，用于根据所述最小路面损伤间距确定车辆间距。
另外，本申请实施例还公开了一种计算机设备，包括存储器和处理器，该存储器存储有计算机程序，该处理器执行上述计算机程序时可以实现上述任一实施例的方法的步骤。
最后，本申请实施例还公开了一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时可以实现上述任一实施例的方法的步骤。
以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，本说明书(包括摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或者具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

Claims (9)

1.一种基于最小路面损伤准则的车辆间距计算方法，用于降低车辆对道路路面的损伤，其特征在于，包括：
建立道路路面材料的本构模型；
计算道路路面温度场；
根据所述车辆的载重、所述道路路面温度场以及道路路面的结构与材料特征，来计算车辆的尾端车轴对路面的力学响应，以便获取所述道路路面在所述尾端车轴的作用下，所产生的拉应力峰值与压应力峰值之间的距离，并将所述距离做为最小路面损伤间距；
通过公式：Ltrack＝Lstress-(L1+L2)计算车辆间距，其中Ltrack为车辆间距，Lstress为最小路面损伤间距，L1为相邻的两车中前车的后轴至车尾的距离,L2为后车的前轴至车头的距离。
2.根据权利要求1所述的基于最小路面损伤准则的车辆间距计算方法，其特征在于，所述本构模型的应力-应变关系包括公式：
其中δij为克罗内克符号，E(t)为松弛模量，ξ(t)为温度调整函数，∈KK为体应变张量，eij为偏应变张量，V为泊松比；
所述温度调整函数的公式为：其中aT为温度调整系数，其符合公式其中C1与C2为材料参数；
所述松弛模量的公式为：其中Ei为材料的粘弹性模量；ρi为松弛时间。
3.根据权利要求1所述的基于最小路面损伤准则的车辆间距计算方法，其特征在于，所述计算道路路面温度场包括：根据道路路面的结构与材料特征、道路路面日照辐射功率、道路路面逆辐射功率、道路路表热对流功率以及路面内部热传导功率，来计算道路路面温度场。
4.根据权利要求3所述的基于最小路面损伤准则的车辆间距计算方法，其特征在于，所述根据道路路面的结构与材料特征、道路路面日照辐射功率、道路路面逆辐射功率、道路路表热对流功率以及路面内部热传导功率，来计算道路路面温度场包括：
通过公式：qabs＝Yabsqsol计算道路路面日照辐射功率，其中qabs为道路路面的热吸收功率，qsol为日照辐射功率，Yabs为道路路面材料的热辐射吸收率；
通过公式：计算道路路面逆辐射功率，其中qabs为道路路面的逆辐射功率，∈为发射率或称黑体辐射系数，σ为Stefan-Boltzmann常数，Troad为道路路面的绝对温度，Tatm为大气的绝对温度；
通过公式：qconv＝γfilm(Tatm-Troad)计算道路路表热对流功率，其中qconv为道路路表热对流功率；Yfilm为传热膜系数；
通过公式：qcond＝-λ·gradT计算路面内部热传导功率，其中qcond为路面内部热传导功率，λ是固体的热传导率，gradT为道路路面温度梯度。
5.根据权利要求1所述的基于最小路面损伤准则的车辆间距计算方法，其特征在于，所述根据车辆的载重、所述道路路面温度场以及所述道路路面的结构与材料特征来计算车辆的尾端车轴对路面的力学响应包括：
根据有限元软件建立道路路面的有限元模型；
将所述本构模型导入所述有限元模型；
向所述有限元模型赋值车辆的载重；
向所述有限元模型赋值道路路面温度场；
对所述有限元模型进行网格单元划分，以计算道路路面各层的力学响应。
6.根据权利要求5所述的基于最小路面损伤准则的车辆间距计算方法，其特征在于，根据所述有限元软件建立道路路面的有限元模型包括：所述道路路面包括多层，根据道路路面各层的厚度，建立三维道路有限元模型。
7.一种基于最小路面损伤准则的车辆间距计算装置，其特征在于，包括：
模型建立模块，用于建立道路路面材料的本构模型；
温度场计算模块，计算道路路面温度场；
力学响应计算模块，用于根据车辆的载重、所述道路路面温度场以及所述道路路面的结构与材料特征来计算车辆的尾端车轴对路面的力学响应，以便获取所述道路路面在所述尾端车轴的作用下，所产生的拉应力峰值与压应力峰值之间的距离，并将所述距离做为最小路面损伤间距；
车辆间距计算模块，用于通过公式：Ltrack＝Lstress-(L1+L2)计算车辆间距，其中Ltrack为车辆间距，Lstress为最小路面损伤间距，L1为相邻的两车中前车的后轴至车尾的距离,L2为后车的前轴至车头的距离。
8.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1-6中任一项所述的方法的步骤。
9.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-6中任一项所述的方法的步骤。
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