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鄒北川，楊興晏，田 力，孟照意，劉 璠，魏夢(mèng)嬌 （中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300222） 摘要：集裝箱拖掛車在彎道上行駛時(shí)，掛車的運(yùn)行軌跡會(huì)向牽引車轉(zhuǎn)彎的內(nèi)側(cè)偏移，嚴(yán)重時(shí)會(huì)刮碰彎道內(nèi)側(cè)的堆箱或構(gòu)筑物，造成事故。由于缺乏簡(jiǎn)便的計(jì)算工具計(jì)算出拖掛車彎道行車時(shí)的偏移軌跡，所以國(guó)內(nèi)在集裝箱碼頭的道路設(shè)計(jì)中均沒(méi)有體現(xiàn)出拖掛車在道路轉(zhuǎn)彎處需要局部加寬的特點(diǎn)。集裝箱拖掛車彎道行車軌跡仿真是以拖掛車運(yùn)動(dòng)模型理論為基礎(chǔ)，以Auto CAD為平臺(tái)專為設(shè)計(jì)人員開(kāi)發(fā)的輔助設(shè)計(jì)工具軟件。 關(guān)鍵詞：拖掛車；行車軌跡；運(yùn)動(dòng)模型；仿真軟件 引 言目前，在集裝箱碼頭中集裝箱拖掛車仍是水平運(yùn)輸?shù)闹饕煌üぞ?。由于集裝箱拖掛車是由牽引車和（半）掛車組成的，因牽引車和半掛車之間的相互影響，其操縱性能會(huì)比單獨(dú)的車輛要復(fù)雜得多。特別是在彎道上行駛時(shí)，掛車軌跡會(huì)向牽引車轉(zhuǎn)彎的內(nèi)側(cè)偏移，嚴(yán)重時(shí)會(huì)刮碰彎道內(nèi)側(cè)的堆箱或構(gòu)筑物，造成事故。 由于國(guó)內(nèi)在集裝箱碼頭的道路設(shè)計(jì)中均沒(méi)有體現(xiàn)出拖掛車在道路轉(zhuǎn)彎處需要局部加寬的特點(diǎn)，所以在實(shí)際運(yùn)營(yíng)時(shí)多由港方自行采取補(bǔ)救措施，往往會(huì)因缺乏總體規(guī)劃而造成場(chǎng)地浪費(fèi)。美國(guó)MOFFATT&NICHOL公司在集裝箱碼頭設(shè)計(jì)方面享有盛名，其為天津港集裝箱碼頭所做的設(shè)計(jì)中，在道路轉(zhuǎn)彎處為適應(yīng)拖掛車的偏移而考慮了不同的設(shè)計(jì)寬度。因?yàn)橥蠏燔囖D(zhuǎn)彎時(shí)的偏移軌跡與車輛及道路參數(shù)密切相關(guān)，所以需要一種簡(jiǎn)便的計(jì)算工具才能定量的模擬計(jì)算出拖掛車行駛在不同彎道時(shí)的偏移軌跡。本文介紹的集裝箱拖掛車彎道行車軌跡仿真是基于拖掛車運(yùn)動(dòng)模型理論研究、以Auto CAD為二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)、方便設(shè)計(jì)人員使用的輔助設(shè)計(jì)工具軟件。 1 拖掛車運(yùn)動(dòng)模型集裝箱拖掛車的彎路行駛軌跡，是確定其彎路機(jī)動(dòng)性能的依據(jù)。在低速條件下，不計(jì)側(cè)滑和側(cè)偏，忽略轉(zhuǎn)向系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間及車輛本身的機(jī)械偏差影響后，集裝箱拖掛車的運(yùn)動(dòng)模型可簡(jiǎn)化為圖1所示。  圖1 集裝箱拖掛車的運(yùn)動(dòng)模型示意 1.1 拖掛車運(yùn)動(dòng)模型的簡(jiǎn)化由于車輛是個(gè)剛體且相對(duì)中軸線左右對(duì)稱，為了簡(jiǎn)化可僅對(duì)中軸線上各點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)加以研究，所以集裝箱拖掛車的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型又可簡(jiǎn)化為如圖 2所示。  圖2 拖掛車的運(yùn)動(dòng)模型 圖2中：F是牽引車前軸的中心點(diǎn)，P是牽引車后軸中心點(diǎn)，Q是牽引車牽引點(diǎn)，G是掛車的后軸中心點(diǎn)。運(yùn)動(dòng)學(xué)模型中三個(gè)長(zhǎng)度 L1、h、L2是非常重要的參數(shù)：L1為牽引車的前后軸之間的距離；h為牽引車后軸與牽引點(diǎn)之間的距離；L2為牽引點(diǎn)與掛車后軸之間的距離。 1.2 拖掛車運(yùn)動(dòng)模型的數(shù)值算法雖然從圖1可以看到模型中各軸中點(diǎn)是圍繞同一個(gè)回轉(zhuǎn)中心，但這只有在靜態(tài)條件下才成立，曾有學(xué)者用解析方法證明在牽引車前軸中點(diǎn)沿著彎道中心線行駛時(shí)其掛車后軸的中心線所經(jīng)過(guò)的軌跡并不是一個(gè)圓弧。所以在實(shí)踐中人們往往更傾向于采用數(shù)值方法通過(guò)迭代計(jì)算來(lái)近似地求解該問(wèn)題，圖3為迭代計(jì)算的邏輯框圖。  圖3 迭代計(jì)算的邏輯框圖 1.3 牽引車前軸中點(diǎn)的運(yùn)行軌跡按照假設(shè)牽引車前軸中點(diǎn)是沿著道路中心線在行駛，通常彎道的中心線是一段以轉(zhuǎn)彎半徑為1/ρ的弧線，其中ρ是弧線的曲率。圖4顯示的是起始點(diǎn)為(X0，Y0)，起始航向角 0φ，曲率為ρ的一段曲線，沿曲線行駛s距離后抵達(dá)新的位置(X，Y)處，航向角φ，根據(jù)幾何原理可知：  并得到新位置(X，Y)的坐標(biāo)值：  其中：sinc(x)=sin(x)/x，又稱為辛格函數(shù)，按照定義有：sinc(0)=1。  圖4 牽引車前軸中點(diǎn)的運(yùn)行軌跡計(jì)算示意 1.4 拖掛車中軸線上其他各點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算按照1.2節(jié)所述，只要拖掛車每一步行駛的步長(zhǎng)Δs足夠小，其各點(diǎn)的運(yùn)行軌跡可近似地認(rèn)為是個(gè)圓弧，可以用其瞬時(shí)曲率來(lái)定義。同理，各點(diǎn)的坐標(biāo)值亦可用牽引車前軸坐標(biāo)的公式近似計(jì)算。當(dāng)牽引車前軸沿行車線路行駛一個(gè)微小步長(zhǎng)之后，后續(xù)的計(jì)算過(guò)程可分為兩個(gè)步驟：①計(jì)算牽引車及掛車新的方向角及瞬時(shí)曲率；②計(jì)算牽引車及掛車后軸中點(diǎn)新的坐標(biāo)。 1）瞬時(shí)曲率計(jì)算  圖5 瞬時(shí)曲率計(jì)算示意 圖5展示某一車輛單元體（j）被前置單元體（i）拖掛行駛某一瞬間的幾何狀態(tài)，其中：j=i+1。 如果前置單元體是牽引車，則i=1，此時(shí)j=2，代表掛車。 圖中的兩個(gè)三角形可以表示為：  同時(shí)，角β可以表示為兩車輛單元體方向角的函數(shù)：  將以上3個(gè)方程式重新整理代入得到計(jì)算瞬時(shí)曲率的表達(dá)式：  雖然從下標(biāo)看，上式僅為計(jì)算掛車瞬時(shí)曲率的公式，其實(shí)若i=0，則j=1，令0λ=1， 0ρ=0，則0θ是進(jìn)入彎道前直線的方向角。這樣該式亦可計(jì)算牽引車瞬時(shí)曲率。 2）計(jì)算各單元體后軸中點(diǎn)的新坐標(biāo) 如果已知各車輛單元體每一次前行的弧長(zhǎng)及曲率，那么可以用1.3節(jié)中介紹的公式計(jì)算各單元體后軸的坐標(biāo)。但遺憾的是各車輛單元體每一次前行的弧長(zhǎng)并不相同而是隨著車輛前進(jìn)的過(guò)程在變化。圖6中顯示每一次前行的弧長(zhǎng)sj可由已知圓心和半徑的兩段弧線的交點(diǎn)來(lái)定義。  圖6 單元體后軸中點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算示意 那么各單元體后軸中點(diǎn)的新坐標(biāo)可表示為： (Xj，Yj)是該單元體后軸中點(diǎn)上一步所在位置的坐標(biāo)。 對(duì)于掛車來(lái)講，所謂“前軸”的位置與牽引車上的牽引點(diǎn)相同，其坐標(biāo)可以表達(dá)為： 由于 因?yàn)樵谟?jì)算sj的公式中出現(xiàn)了變量 xδ和 yδ，而在前面計(jì)算 xδ和 yδ的公式中亦用到sj，所以這是個(gè)隱函數(shù)不能得到直接解。按照前面的說(shuō)明，由于Δs非常小，其運(yùn)行軌跡可近似認(rèn)為是個(gè)圓弧，相鄰的sj值差別也比較小，所以可以用上一步的 盡管從運(yùn)動(dòng)學(xué)角度研究集裝箱拖掛車只要研究拖掛車中軸線各點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)即可，但通道的寬度與牽引車左前輪及掛車右后輪的運(yùn)行軌跡有關(guān)。所以要想了解最終的通道寬度，還是需要了解拖掛車上各個(gè)車輪的運(yùn)行軌跡。如果拖掛車中軸線各點(diǎn)的坐標(biāo)及方向角已知，那么通過(guò)坐標(biāo)變換的方法就可以計(jì)算出拖掛車上其他各點(diǎn)的坐標(biāo)，因篇幅關(guān)系對(duì)此不再贅述。 2 仿真試驗(yàn)平臺(tái)為了方便設(shè)計(jì)人員使用，本仿真軟件以 Auto CAD為二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)，用VBA 語(yǔ)言編寫了計(jì)算模塊并在Auto CAD的主菜單欄中嵌入專用下拉菜單如圖7所示。 圖7 下拉菜單示意 在進(jìn)行拖掛車行彎道駛軌跡仿真試驗(yàn)前，首先是要確定試驗(yàn)拖掛車的參數(shù)，用鼠標(biāo)點(diǎn)擊“拖掛車參數(shù)模型”菜單欄，屏幕上即彈出相應(yīng)對(duì)話圖框，用戶按圖示要求輸入拖掛車的參數(shù)后，點(diǎn)擊“保存”按鈕即可。當(dāng)然，進(jìn)行仿真試驗(yàn)前要準(zhǔn)備好相關(guān)道路的圖形，因計(jì)算只用到道路中心線，所以只有道路中心線圖形是必需的。 用鼠標(biāo)點(diǎn)擊“選擇行駛彎道”菜單欄后，鼠標(biāo)自動(dòng)進(jìn)入選擇框狀態(tài)，此時(shí)用戶只需用鼠標(biāo)點(diǎn)擊需要進(jìn)行試驗(yàn)的彎道中心線，模型就會(huì)開(kāi)始進(jìn)行仿真計(jì)算并在屏幕上顯示出拖掛車沿彎道行駛的軌跡，見(jiàn)圖8。圖中用深藍(lán)色和淺藍(lán)色分別表示拖車和掛車。除了圖形輸出外，每次仿真試驗(yàn)也提供一個(gè)文本文件輸出拖掛車轉(zhuǎn)彎時(shí)偏移軌跡的數(shù)值結(jié)果，以車道中心線作為行車?yán)锍虡?biāo)線，進(jìn)入彎道前直線段距彎道始點(diǎn)一輛拖掛車長(zhǎng)度的位置作為行車?yán)锍痰钠瘘c(diǎn)，每隔0.2m輸出行車?yán)锍碳皰燔囋谠撎幍钠屏?，在文件的最后給出最大偏移量及其所在里程。圖8中最大偏移量為3.75 m發(fā)生在行車?yán)锍?3 m處，牽引車左前輪及掛車右后輪運(yùn)行軌跡間的最大寬度為6.49 m。 圖8 牽引車左前輪及掛車右后輪運(yùn)行軌跡 3 仿真模型的驗(yàn)證為了檢驗(yàn)仿真模型的正確性，在天津港太平洋國(guó)際集裝箱碼頭有限公司的支持下，課題組專門到碼頭現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了仿真模型的驗(yàn)證工作。 試驗(yàn)車輛：東風(fēng)日產(chǎn)（柴）CWB459。 試驗(yàn)道路條件：道路中心線的轉(zhuǎn)彎半徑為15 m。對(duì)轉(zhuǎn)彎角度為90°和180°兩種路況分別進(jìn)行了試驗(yàn)。 測(cè)試結(jié)果：因篇幅關(guān)系僅對(duì)90°轉(zhuǎn)彎的路況給出計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果圖形比較，見(jiàn)圖9。 從圖9來(lái)看模型計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果的趨勢(shì)比較吻合，盡管在部分測(cè)點(diǎn)約有20 cm左右的誤差。這是由于在試驗(yàn)過(guò)程中，司機(jī)僅是憑目測(cè)來(lái)按照道路中心線駕駛，車輛在行駛過(guò)程中會(huì)左右搖擺，據(jù)測(cè)量搖擺的幅度大約也是20 cm左右，所以模型計(jì)算的精度應(yīng)該還是很高的。 圖9 轉(zhuǎn)90°彎計(jì)算與實(shí)測(cè)結(jié)果比較 4 結(jié) 語(yǔ)集裝箱拖掛車彎道行車軌跡仿真軟件的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，為港口工程總體專業(yè)設(shè)計(jì)人員進(jìn)行集裝箱碼頭（場(chǎng)站）道路的精細(xì)化設(shè)計(jì)提供了新的技術(shù)手段，在一定程度上彌補(bǔ)了我國(guó)水運(yùn)工程設(shè)計(jì)院在集裝箱碼頭道路設(shè)計(jì)中的缺陷，讓集裝箱拖掛車在港內(nèi)的行駛更加安全順暢。 由于本仿真軟件對(duì)拖掛車采用的是參數(shù)化建模，所以對(duì)那些使用特種拖掛車的汽車滾裝碼頭及重件碼頭的道路設(shè)計(jì)也同樣適用。 參考文獻(xiàn)： [1] 郭正康. 現(xiàn)代汽車列車設(shè)計(jì)與使用[M]. 北京： 北京理工大學(xué)出版社, 2006. [2] P F Sweatman. A Study of Heavy Vehicle Swept Path Performance[R]. Victoria： Australin Road Research Board Special Report, 1991, 48. [3] Bareket Z, Fancher P. Increased Capacity Automobile Transporter Feasibility Study and Road-Handling Analysis[R]. Detroit： National Automobile Transporters Association, 2000. 專利名稱：抗浪、減流、促淤、固沙的齒形結(jié)構(gòu)塊體 專利類型：實(shí)用新型 專 利 號(hào)：ZL 2013 2 0269840.9 專利權(quán)人：中交第一航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司 技術(shù)領(lǐng)域：本實(shí)用新型屬海港工程、江河整治工程中堤壩類水工建筑物中的一種抗浪、減流、促淤、固沙的齒形結(jié)構(gòu)塊體。可用于混合堤上部結(jié)構(gòu)，也可用于有基床的直立堤堤身結(jié)構(gòu)。適用于港口防波堤、航道整治建筑物等承受波浪與水流共同作用、需要促淤保灘的各種防護(hù)性建（構(gòu)）筑物，更適用于水深、波浪等自然條件和施工條件較差的工程。 專利摘要：本實(shí)用新型提供一種抗浪、減流、促淤、固沙的齒形結(jié)構(gòu)塊體，該齒形結(jié)構(gòu)塊體包括縱向主肋和橫向齒肋，縱向主肋的斷面為矩形或梯形形狀，橫向齒肋對(duì)稱或交錯(cuò)設(shè)在縱向主肋的兩側(cè)，每個(gè)齒形結(jié)構(gòu)塊體至少有一對(duì)齒肋。橫向齒肋的截面形狀為削角梯形，橫向齒肋的根部與縱向主肋相接。本實(shí)用新型塊體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性好、不需配筋減少了施工工序、預(yù)制后一次安裝即可形成堤壩斷面，適應(yīng)堤壩使用高度和地基承載力對(duì)構(gòu)件底寬的要求，有利于快速施工。該塊體可作為混合堤的上部結(jié)構(gòu)，也可作為基床上安放的直立式堤身，可抵抗大浪、強(qiáng)流的作用，少用石料減少對(duì)天然石料的開(kāi)采、運(yùn)輸，特別適用于在惡劣的自然條件下建造防波堤、防沙堤等港口和航道整治工程建筑物。 Simulation Research on Wheel Path of Container Tractor-trailers in a Curve Zou Beichuan, Yang Xingyan, Tian Li, Meng Zhaoyi, Liu Fan, Wei Mengjiao (CCCC First Harbor Consultants Co., Ltd., Tianjin 300222, China) Abstract:When a container tractor-trailer travels in a curve, the trailer shifts toward inner side of the tractor, even collides with the stacked containers or structures inside the curve, which results in accidents. Due to the shortage of simple device for calculating the deviation track of a tractor-trailer going around a curve, the access design of China domestic container terminals fails to highlight the requirement for widening the road curve in order to prevent tractor-trailers from accident. The wheel path simulation of container Tractor-trailer in a curve serves as a design-aided tool developed specially for the designers on the basis of tractor-trailer motion model and Auto CAD software. Key words:tractor-trailer; wheel path; motion model; simulation software 中圖分類號(hào)：U653.92；U169.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1004-9592（2017）04-0031-05 DOI： 10.16403/j.cnki.ggjs20170408 收稿日期：2017-02-16 作者簡(jiǎn)介：鄒北川（1964-），男，高級(jí)工程師，主要從事港口工程總體設(shè)計(jì)工作。 |
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