Trucksim软件及重载作用仿真应用

郭 恩

(秦皇岛市公路管理处)

Trucksim 软件由美国Mechanical Simulation 公司出品，作为一款微观仿真软件，它可以通过输入车辆情况(动力性能、外观尺寸、载重情况等)、道路情况(平、纵线形，路面摩擦系数)、速度等要素来仿真货车的运行情况，仿真结果可以通过图表和情景模拟反映出来。鉴于此，该软件可广泛应用于车辆性能测试、道路线形设计修正和驾驶行为分析等交通研究领域。

近年来，秦皇岛地区多条公路混凝土路面先后进行了加铺沥青层改造，个别地段早先改造的路面由于重载交通的作用而有不同程度的破损。即较详细介绍Trucksim 软件组成，并采用Trucksim 软件来仿真分析重载交通的作用。

1 仿真实验简介

Trucksim6.0 由四个功能模块组成，如图1 所示。

图1 Trucksim 仿真软件的四个功能模块

四部分功能和组成分别是。

(1)图形数据库数据接口(Data screens in the graphical database)

它主要由车辆参数模块(Vehicle model parameters)、参数控制输入模块(Control inputs)和仿真设置(Simulation settings)三部分组成。它包含140 多个仿真实例，按照不同参数进行仿真演示，用户也可以通过新建或修改参数进行新的仿真环境设定。

(2)车辆仿真运算模块(Vehicle dynamics math models)

该模块利用车辆动力学计算公式，计算出车辆运行过程中牵引力、阻力变化情况以及车辆的运行轨迹，完成仿真数学运算。

(3)视频演示模块(The surface animator)

该模块能够演示车辆运动整体过程，从不同视角或通过放大缩小观看车辆的运动特征。

(4)绘图引擎(The Windows Engineering Plotter)

结合车辆的运行信息可以确定各项车辆参数，通过读取某个参数可以建立时间或空间下的参数变化曲线，也可以选择相关的两项进行参数读取并绘制图像。

与现场试验相比，利用Trucksim 软件进行仿真实验能够模拟困难、危险道路条件下车辆运行的状况，避免了现场试验的危险性，而且实验周期也比较短，数据能够实现自动采集，属性多而且比较准确。与其他类似仿真软件相比较，Trucksim 具有方针运算快速、要求硬件水平相对较低、程序可移植性、操作性好的优点。更主要的是该软件将道路信息和车辆信息能够有机的结合起来，摆脱了单纯从车辆信息或道路信息探究运行安全的传统研究模式，使得试验结果更接近于现场实地研究的结果。

2 仿真参数确定与数据输入

(1)仿真参数输入层子模块构成

仿真参数输入层主要由三部分组成，主控界面如图2 所示，分为车辆类型选择输入子模块、车辆控制方式输入子模块和车辆运行环境输入子模块。

图2 输入层主控界面

(2)车辆类型选择输入子模块

该模块为可选择式下拉菜单，可选择项有车辆几何尺寸、车辆荷载等项目。

本次仿真实验将重载货车应作为研究对象车型，功率质量比分别为8.9 kW/t 和8.3 kWt，根据我国道路规范要求，我国公路设计车辆外廓尺寸见表1 所示。为此，在Trucksim平台仿真时采用载重汽车的外廓尺寸。

根据我国车辆额载标准，规范规定大货车载重介于7～10 之间。考虑到超限运输的影响，可适当调整大货车载重量进行仿真实验。在具体仿真过程中，将载重分为以下几个档次:10 t、12 t、14 t、16 t、18 t、20 t。

表1 我国公路设计车辆外廓尺寸

在确定载重量的前提下，根据Trucksim 软件提供的载重参数设定界面进行载重的几何尺寸、重心以及货物对对前轴和后轴的轴荷分配。我国部分国产车满载时的轴荷分配见表2。

表2 部分国产车满载时的轴荷分配

通过载重量和前、后轴荷载分配的对比分析，黄河JN150 具有一定代表性。故在仿真界面输入该车型的轴荷分配。

(3)其他信息输入子模块

其他信息输入子模块尚有牵引力输入模块、汽车阻力输入模块、道路环境制作模块等。为了简化计算，采用集中作用的空气阻力PW 来代替上述分布在整个汽车各部位上的阻力。汽车摩擦力输入模块主要由汽车轮胎与路面摩擦系数决定。道路环境的制作主要是可以对道路颜色、周围景观以及一些附属设施进行修改或添加，使得仿真效果视觉明显、突出。

3 仿真结果分析

(1)重载对路面的疲劳寿命影响

我国《公路沥青路面设计规范》(JTJD50－ 2006)中规定:当以设计弯沉值和沥青层层底拉应力为指标时，各级轴载均应按下式换算成标准轴载P 的当量轴次N。

随着各种车辆随着超载率的增加，换算系数明显增加:超载20%时为满载的2.21 倍，超载50%为满载的5.83 倍，超载80%为满载的12.89 倍，超载100%时为满载的20.39倍。与此同时，公路等级使用初期计算标准轴次与设计寿命年限内累计标准轴次均明显增加，超载20% 时为满载的1.96 倍，超载50%时为满载的4.85 倍，超载80%时为满载的10.47 倍。据此判定各等级道路的使用年限可得到:在超载的情况下使用寿命明显降低，超载100%时，高速公路的路面结构只能使用1.3年，一级公路的路面结构只能使用1.4年，二级公路的路面结构只能使用1年。

(2)重载对路面厚度的影响

交通轴载对路面厚度设计是一个很重要的的参数。目前设计标准轴载为100 kN，设计标准轮压0.7 MPa，而实际路面上的交通车辆由于普遍严重超载，使得实际的轴载和轮压远远超过标准轴载和轮压。

在这种情况下，如果按不同轴载作用下，底基层底面的弯拉应力与标准轴载作用下应力相等的思路来确定在超载作用下所需要增加的结构层厚度，以及每一级超载水平对技术水平指标的影响，通过计算则得到车辆轴重每增加20 kN，表中的各项指标均增大20%，轴重由100 kN 增加到200 kN时，面层的层底拉应力增加一倍多。为了抵抗陡增的拉应力，势必要提高路面结构层厚度。

表3 面层受力情况

由上述分析可知，重载交通对道路承载能力的影响是巨大的。秦皇岛目前已完工的白改黑项目中，出现早期破损的主要原因就在于重载作用。尽管白改黑典型结构在常规荷载作用下能够满足要求，但如果考虑重载交通，路面结构厚度是偏薄的。这就需要在白改黑设计过程中充分保证路面各结构层的承载能力，并提高必要的强度可靠度，必要时增设碎石基层或增加沥青混凝土面层厚度。

4 结 语

Trucksim 软件可广泛应用于车辆性能测试、道路线形设计修正和驾驶行为分析等交通研究领域，将其应用于白改黑路面在重载交通下的影响分析。秦皇岛白改黑项目部分路面出现早期破损的主要原因就在于重载作用，为此需提高强度可靠度，必要时增设碎石基层或增加沥青混凝土面层厚度。