基于CarSim的高速公路双曲型与抛物线型竖曲线车辆动力性能对比研究

《Scientific Reports》：Performance-based evaluation of hyperbolic and parabolic vertical curves for highway geometric design

　　

摘要

竖曲线在高速公路几何设计中起着基础性作用，影响着车辆动力学特性、乘坐舒适性和行车安全。尽管抛物线型曲线在当前实践中被广泛采用，但替代曲线形式可能表现出不同的动力性能特征。据作者所知，在标准公路设计约束条件下，利用多体仿真研究双曲型竖曲线对车辆动力学影响的文献十分有限。因此，本研究使用基于CarSim的车辆模型，对比了双曲型与抛物线型竖曲线的动力性能。分析涵盖了按照停车视距（SSD）和超车视距（PSD）标准设计的凸形和凹形曲线，两者在相同的几何边界条件下进行对比。车辆响应通过以下四项指标进行评估：最大垂直加速度、动态轮荷、俯仰角和悬架挠度。结果显示两种曲线形式之间存在显著差异。垂直加速度是最敏感的指标，双曲型曲线的峰值响应最高可达0.590 m/s2，而相应抛物线型曲线的峰值约为0.030 m/s2。相反，在凹形曲线条件下，与抛物线型方案相比，双曲型曲线将峰值轮荷降低了约20–30%，悬架挠度降低了约15–20%。俯仰角响应在两种方案之间仅有微乎其微的差异。研究结果表明，所调查的曲线几何形状之间存在明确的性能权衡。虽然抛物线型轮廓始终产生较低的垂直加速度，但双曲型轮廓在所研究的凹形曲线条件下降低了峰值轮荷和悬架挠度。然而，这些优势伴随着垂直加速度的显著增加。本文提出的框架为评估替代竖曲线形式提供了一种基于性能的方法，并支持将车辆动力学考量纳入未来高速公路几何设计研究之中。