2013年, 第26卷, 第3期　刊出日期：2013-05-01

  

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  中国道路工程学术研究综述·2013

  《中国公路学报》编辑部

  中国公路学报. 2013, 26(3): 1-36.

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  为了促进中国道路工程学科的发展,系统梳理了国内外道路工程领域(包括路基工程、路面工程、公路支挡结构、道路几何设计)的学术研究现状、热点前沿、存在问题、具体对策及发展前景。首先对路基沉降变形特征、拓宽路基沉降控制、路基稳定性分析方法、特殊土路基处治技术等进行了综述;并对沥青及其混合料、水泥混凝土路面和多年冻土地区路面分别进行了分析;同时基于支挡结构特点,对公路常用支挡结构的适用条件、加固原理、设计计算理论等研究成果进行了总结;最后对道路智能选线及3D道路设计技术、道路交叉设计、面向路线设计的汽车行驶特性预测技术、路线设计质量评价技术等新理念、新技术进行了剖析,以期为道路工程学科的学术研究提供新的视角和基础资料。
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  考虑土体非线性固结沉降的复合地基桩侧负摩阻力研究

  孔纲强,陈力恺,刘汉龙

  中国公路学报. 2013, 26(3): 37-43.

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  基于Davis一维非线性固结理论,求得桩周土体固结沉降随时间和深度变化的计算公式;结合桩-土双曲线荷载传递模型,建立复合地基中桩体平衡方程的矩阵表达式,通过将矩阵方程组联立迭代求解,得到复合地基中桩侧摩阻力、桩身轴力及中性点位置。通过针对某工程实例的对比分析,验证了本文中所建理论计算方法的可靠性;继而探讨了地基土固结度、桩周土体初始体积压缩系数、桩端土体压缩模量及桩-土应力比对桩侧负摩阻力和中性点位置的影响。研究结果表明:所建立的考虑土体非线性固结沉降的桩侧负摩阻力计算模型可以有效、准确地反映复合地基中基桩负摩阻力和中性点位置随地基土固结时间的变化规律;桩周土体初始体积压缩系数对桩侧摩阻力影响显著,桩端土体压缩模量对中性点位置影响显著;桩身下拽力、中性点深度随着桩-土应力比的增大而减小。
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  基于含水率和温度变化的冻融黄土性能试验

  周志军,吕大伟,宋伟,梁涵,叶万军

  中国公路学报. 2013, 26(3): 44-49.

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  为了解冻融作用对黄土路用性能的影响,以Q₂黄土为研究对象,采用增湿法配制不同含水率试样,并在不补水条件下进行不同温度冻融循环后,分别开展液限、塑限、单轴固结及直剪试验,得出了Q₂黄土液限、塑限、压缩模量、粘聚力及内摩擦角等物理力学指标与含水率、测试温度的关系。研究结果表明:天然含水率试样冻融后,塑性指数随测试温度降低而略有增大,土样压缩模量及抗剪强度随含水率增大而降低;测试温度对黄土力学性能的影响取决于试样的含水率,其中压缩模量随测试温度降低而降低,且其降幅与饱和度之间存在近似二次函数关系;当含水率小于临界值时,粘聚力随测试温度降低而增大,含水率大于临界值时粘聚力则减小;试样内摩擦角随测试温度的降低呈增大趋势,且含水率越大,内摩擦角的增幅越大。
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  沥青分子聚集状态变化特征研究

  唐伯明,丁勇杰,朱洪洲,曹雪娟

  中国公路学报. 2013, 26(3): 50-56.

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  为研究沥青的化学结构特征,根据沥青组分溶解度参数和极性的不同,将沥青分为沥青质、胶质、油分3个组分,分别采用一个典型分子模型代表沥青的每一个组分,构建2种沥青分子模型,采用分子动力学模拟方法对沥青分子聚集状态变化特征进行分析。结果表明:由于π-π效应,沥青质分子之间形成层状堆积现象,但较长烷烃链造成芳环间扭转角增大,阻碍层状堆积现象的形成;随着温度升高,芳环间扭转角增大,沥青质分子之间的层状堆积结构被破坏,形成穿插或垂直排列结构;在沥青分子模型中,胶质和油分分子的存在使沥青质分子间的距离大于沥青质分子模型中的距离,也使沥青质分子间形成的聚集结构趋于稳定;沥青质与胶质分子形成聚集结构,分散在油分中,沥青质分子结构对沥青能否形成稳定胶体结构具有重要影响。
交通工程与管理
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  基于热力学的沥青混合料粘弹-粘塑性损伤本构模型

  朱浩然,孙璐,朱耀庭

  中国公路学报. 2013, 26(3): 57-64.

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  为了表征沥青混合料的力学行为,以不可逆热力学理论为基础,推导出沥青混合料粘弹-粘塑性损伤本构模型;将建立的本构模型用于分析沥青混合料三轴蠕变试验和等应变速率压缩试验。结果表明:该模型能够合理描述沥青混合料蠕变试验的三阶段,准确表征其三维变形特征,并能从机理上分析沥青混合料的变形行为;可以较准确地预估等应变速率压缩试验中的应力-应变发展规律及应力峰值和体积变形规律;所提出的粘弹-粘塑性损伤本构模型能够表征沥青混合料在多种压缩加载模式下的力学行为特征。
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  边坡滚石破坏及防护技术研究

  赵红,折学森,卢和全,何其浩

  中国公路学报. 2013, 26(3): 65-69.

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  为了有效防治高速公路边坡发生岩石滚石破坏,基于能量守恒定律建立了边坡滚石飞落模型,综合考虑边坡坡型、地面摩擦因数等因素推导了岩石滚落轨迹方程,并根据所建立的模型计算出滚石水平运动距离及滚石在防护栏处的撞击能,从而提出合理的道路防护方式。研究结果表明:滚石撞击坡面后的水平运动距离小于撞击点到公路路缘的水平距离,滚石飞落至地面的撞击能为142 kJ,设计采用型号为AXI-015(防护能级为150 kJ)的被动防护网,可对高速公路坡面滚石灾害进行有效防护。
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  基于二维Rosin阈值方法的道路裂纹边缘检测

  刘悦,李一兵,谢红

  中国公路学报. 2013, 26(3): 70-76.

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  为了在道路裂纹图像边缘检测时选择准确的区分噪声与边缘阈值,针对一维Rosin算法不能充分利用图像局部结构信息的缺陷,将传统Rosin方法推广至二维,联合Canny边缘检测算法和Rosin算法,利用像素点本身及其邻域的局部结构信息建立图像二维直方图;利用直方图的最高点和最低点构造全角旋转阈值选取平面,以搜索直方图与各阈值平面的空间距离最大值确定阈值点,获得一种自适应的Canny算法中的阈值选取方法。研究结果表明:该算法可对道路裂纹边缘进行有效检测,并扩展Canny算法的应用范围。
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  混凝土斜拉桥动力有限元建模与模型修正

  方志,张国刚,唐盛华,陈素君

  中国公路学报. 2013, 26(3): 77-85.

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  为建立准确可靠的混凝土斜拉桥动力基准有限元模型,对1座大比例(1∶15)Π形截面主梁混凝土斜拉桥试验模型进行了模态测试,分别采用单主梁模式、三主梁模式、梁壳模式和实体模式建立了斜拉桥的初始动力有限元模型;以实测数据为依据,采用基于灵敏度的模型修正技术分别对以上初始有限元模型进行了修正,将修正前后的动力特性计算值与实测数据进行对比,讨论了不同模式建模方法的计算精度和模型修正效果,以及有限元建模的误差来源和模型修正的相关问题。结果表明:初始有限元模型计算误差主要是由建模误差和参数误差引起的;梁单元模型在建模方面有局限性,应根据不同的结构特点和分析目标建立相应的有限元模型;模型修正应与试验相结合,对引起有限元模型计算误差的各种因素进行全面的考虑,正确处理,才能得到符合实际的基准有限元模型。
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  T形开孔肋连接件的极限承载力计算及影响因素分析

  苏庆田,王巍,汪瑞,吴冲

  中国公路学报. 2013, 26(3): 86-93.

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  为了得到T形开孔肋连接件的极限承载力及其影响因素,设计、制作了15组不同的T形开孔肋连接件试件共计45个,进行了极限承载力和破坏形式测试试验,分析了不同因素对T形开孔肋连接件承载力和破坏形式的影响;并根据试验结果建立了可以用于T形开孔肋极限承载力的计算公式。研究结果表明:T形开孔肋连接件抗剪承载力大、延性好;T形开孔肋的厚度、开孔大小和混凝土的强度对T形开孔肋连接件承载力影响较为显著;T形开孔肋的腹板高度、翼缘的数量、贯穿钢筋的直径和T形开孔肋的翼缘长度对其承载力有一定的影响;研究结果可为T形开孔肋的设计和应用提供依据。
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  公路与城市桥梁技术状况评估方法对比分析

  陈宝春,余印根

  中国公路学报. 2013, 26(3): 94-100.

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  为了研究中国公路与城市桥梁技术状况评估方法的差异,对《公路桥涵养护规范》(JTG H11—2004)和《城市桥梁养护技术规范》(CJJ 99—2003)进行了比较分析,应用2本规范对1座钢筋混凝土简支梁桥和1座钢管混凝土拱桥进行了检测与技术状况评估,对评估结果进行了对比分析;并对2本规范评估方法一般性内容进行了比较。结果表明:2本规范对桥梁技术状况评估均采用构件加权法,但具体方法、内容均存在一定差异;运用2本规范方法得出的2座桥的桥面系、上部结构和下部结构3个部位的评估结果相近,但上、下部结构的权重差异较大,导致全桥技术状况等级评估结果差异很大;研究结果可为中国道路桥梁技术状况评估方法提供参考。
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  混凝土桥梁全寿命设计方法和例证

  彭建新,邵旭东,张建仁

  中国公路学报. 2013, 26(3): 101-109.

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  针对传统桥梁设计方法存在后期维护成本过高、维修资源分配不合理和服役期性能缺乏预见性等不足,提出基于寿命成本和性能的混凝土桥梁全寿命设计方法。建立混凝土桥梁全寿命成本模型作为优化目标函数,并将截面尺寸、混凝土强度和服役期维修时机处理作为设计变量,从结构应力、几何参数和材料参数出发构造约束条件,构建了服役期劣化桥梁性能与维护对策的关系模型,从而验证混凝土桥梁全寿命设计方法优化模型和设计流程。研究结果表明:基于全寿命成本和性能的混凝土桥梁全寿命设计方法合理,能够在设计阶段考虑服役期性能、维护方案及维修成本,平衡初始造价和后期维护成本。
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  板式橡胶支座桥梁地震位移控制方法

  汤虎,李建中

  中国公路学报. 2013, 26(3): 110-116.

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  为了克服中国采用板式橡胶支座的中小跨径桥梁易发生梁体移位震害的不足,合理控制梁体地震位移,以一典型板式橡胶支座连续梁桥为研究背景,采用SAP2000有限元程序,考虑板式橡胶支座的滑动效应,建立了桥梁结构空间动力计算模型,进行了非线性时程地震反应分析,研究了地震动特性对梁体地震位移的影响,探讨了板式橡胶支座桥梁存在的问题,提出了将一联梁桥中某中间桥墩的板式橡胶支座改为铅芯橡胶支座的地震位移控制方法。结果表明:该方法能有效控制梁体地震位移,虽在一定程度上增大了设置铅芯橡胶支座桥墩的地震反应,但与可能的落梁震害相比,桥墩发生有限损伤是可接受的。
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  部分内填混凝土钢桁梁焊接整体节点试验

  程斌,钱沁,黄仁锋

  中国公路学报. 2013, 26(3): 117-123.

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  为明确部分内填混凝土设计方案在焊接整体钢桁梁结构中的适用性,设计了2组不同混凝土填充范围的T形焊接整体节点试件,对其在水平和竖向荷载下的静力性能进行试验研究,分析了弦杆内填混凝土长度对节点刚度、应力应变分布、极限承载力、破坏模态等性能指标的影响。结果表明:与空心节点相比,弦杆内部分或完全填充混凝土之后,节点的弦杆翼板压屈破坏得到有效避免,钢板应力水平出现较明显降低,且节点的弹性刚度、屈服强度和极限强度显著提高;而部分填充混凝土方案与完全填充混凝土方案的节点力学性能则区别甚微。
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  预应变影响下形状记忆合金约束混凝土圆柱体轴压试验

  余志刚,韩西,钟厉,阴可

  中国公路学报. 2013, 26(3): 124-129.

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  为了研究形状记忆合金预应变条件对混凝土柱的影响,利用形状记忆合金的形状记忆效应,将含有预拉伸变形的形状记忆合金材料与混凝土材料组合在一起,制作成自适应功能的混凝土柱,通过对相同混凝土配合比的1组素混凝土柱,2组不同预应变形状记忆合金螺旋箍筋未驱动柱和2组不同预应变形状记忆合金螺旋箍筋驱动柱进行轴压试验,并对5组混凝土试件的力学性能进行了初步的试验研究,包括抗压强度、横向应变、纵向应变和裂缝出现时的荷载,分析了5组试件的变化规律。研究结果表明:驱动柱比未驱动柱的抗裂性能有较大提高;形状记忆合金箍筋预应变越大,施加的预应力就越大,抵抗变形的能力就越强;驱动柱与未驱动柱极限荷载几乎一致;驱动柱和未驱动柱都比素混凝土柱在极限荷载和抗裂性能方面有很大提高。
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  渗流作用下海底隧道开挖面围岩稳定性分析

  李鹏飞,张顶立,赵勇

  中国公路学报. 2013, 26(3): 130-136.

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  针对暗挖海底隧道开挖面围岩稳定性问题,总结极限分析上限法、楔形体模型、二维对数螺旋线模型以及条分法模型4种理论解析模型,并考虑了海底隧道开挖面滑移体上部地层压力等因素,对理论解析公式进行了修正;同时结合一工程实例,将数值模拟方法与解析模型进行了对比分析。结果表明:与数值模拟结果相比,4种理论解析模型在求解极限支护力时都偏于安全和保守,其中,极限分析上限法精确度最高,其次是楔形体模型,再次是二维对数螺旋线模型和条分法模型。
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  考虑支路路段双向流量相互影响的交通网络均衡分析

  史峰,王英姿,徐光明,黎茂盛

  中国公路学报. 2013, 26(3): 137-142.

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  为了解决含双向不分道行驶的狭窄支路路段交通网络配流问题,提出基于路段宽度、单车道通行能力、双向流量比例等因素的支路路段通行能力近似公式;通过扩展支路路段费用的表达形式,建立了分析支路路段双向车流相互作用的交通网络均衡模型。鉴于支路路段费用函数不是关于方向流量的凸函数,采用最短路径上全有全无分配并结合相继平均法设计了模型的求解算法。结果表明:该近似公式与模拟结果基本吻合;含双向不分车道行驶支路路段的交通网络均衡模型与算法,有效地推广了常规配流方法,可用于解决实际工程问题。
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  基于加速度严重指数的公路路侧危险度评估

  龙科军,李寅,雷正保,郑健龙

  中国公路学报. 2013, 26(3): 143-149.

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  为了定量评估二、三级公路路侧危险程度,以确定路侧护栏防护等级,并为制定安全改善方案提供依据,提出了一种基于乘员风险的路侧危险分级新方法,乘员风险指标采用加速度严重指数(Acceleration Severity Index, ASI)表征;利用软件VPG3.2和LS-DYNA971,选择5类典型路侧障碍物、2类护栏和15种路堤边坡组合,针对小客车、大客车和大货车开展了59组碰撞仿真试验,获取碰撞过程中车辆重心纵向、横向和竖向的加、减速度曲线,进而得到ASI序列样本;采用Fisher最优分割算法确定了路侧危险度合理分级数和各级所对应的ASI阈值。结果表明:5类路侧障碍物中,F形混凝土护栏端部对车辆和人员伤害最严重,其他依次为树木、突出山石、标志立柱和路侧边沟;当路堤边坡高度超过4 m且坡率陡于1∶1时,车辆坠入边坡的损伤严重度将超过碰撞二波波形梁护栏,与碰撞F形混凝土护栏相当。
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  快速路路段类别事故率与交通流状态关系

  吴勇,刘新荣

  中国公路学报. 2013, 26(3): 150-157.

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  选取基本段、合流段和分流段作为比较对象,对快速路不同路段类别的事故率与交通流状况的关系进行研究。采用临界速度区分饱和流和非饱和流,利用交通密度划分交通流水平,统计其事故率,并比较直、曲线形和分(合)流模式以及分(合)流点上(下)游区事故率分布差异。研究结果表明:对于非饱和流,事故率随交通密度呈现二次函数变化,其中合流段事故率显著大于分流段和基本段事故率;对于饱和流,事故率随交通密度呈现指数函数变化,但3种路段类别间事故率差异不显著,直、曲线形和分(合)流模式以及分(合)流点上(下)游区对事故率变化趋势有较大影响,其中在分流段的影响更为显著。
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  基于选择方案抽样调查的城市群低频率出行行为研究

  陈颖雪,董治,吴兵,刘志钢

  中国公路学报. 2013, 26(3): 158-163.

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  为分析城市群内低频率城际出行行为,对长三角城市群内上海与其他城市间的城际出行进行选择方案抽样调查,基于城际出行行为调查数据建立出行方式选择的多项Logit(MNL)模型;选择方案抽样调查数据与随机抽样调查数据存在方案分层结构偏差和因素重视度偏差,故引入反转因子(IPW),分别用外源性样本极大似然估计(ESMLE)简单修正法和加权外源性样本极大似然估计(WESMLE)法对MNL模型进行修正。结果表明:未修正模型及2种修正法下的模型命中率分别为57%,75%和84%;WESMLE修正后的模型能基本满足建模精度要求;城市群内低频率城际出行行为受出行时间、费用及个人属性等因素影响,同时,也表现出一定程度的随机性和随意性。
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  城市居住区停车配建标准研究

  马辉,王建军,张素丽,刘洪营

  中国公路学报. 2013, 26(3): 164-169.

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  为了解决居住区的停车问题,更好地规范停车供给、促进居住区动静态交通的协调,通过调查与分析居住区的停车供需现状,分析了中国城市居住区停车配建标准的现存问题及其影响因素;结合潍坊市居住小区的停车特性,对建筑物进行了更加合理、细化的分类,并把商住楼单独列为一类,对现状停车调查数据进行多元回归分析,建立了居住区停车需求率预测模型;根据停车需求率预测值,应用城市可持续发展理论,引入区位系数、区位修正系数和建筑物类别修正系数对停车需求率预测值进行修正,提出了一种基于修正系数并结合城市自身特性制定居住区停车配建标准的方法。研究结果表明:该方法可为停车需求率预测提供依据,使停车配建指标的制定过程更趋于定量化。
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  超级电容纯电动重型牵引车参数匹配与控制策略

  刘玺斌,马建,方红卫,郝茹茹,宋青松

  中国公路学报. 2013, 26(3): 170-175.

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  针对港口、码头、物流园区等场所节能环保用车的实际需求,首先提出一种以超级电容作为动力源的纯电动重型牵引车设计方案,实现动力总成选型与匹配理论计算;然后制定整车驱动控制策略,进而开发出超级电容纯电动重型牵引车原型样车;最后开展实车路测试验,检验原型样车的动力性、经济性指标。结果表明:空载最高车速达40 km·h^-1,0~30 km·h^-1加速时间仅需15 s,连续行驶里程达20 km;满载最高车速约为25 km·h^-1,连续行驶里程约5 km,满足目标用户需要。
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  城市客车并联液压混合动力系统参数匹配

  张仲良,钱正纵,陈杰

  中国公路学报. 2013, 26(3): 176-182.

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  为给城市客车并联液压混合动力系统进行更为合理的参数匹配,针对中国典型城市公交循环频繁启停特性,考虑客车行驶速度、牵引功率和制动能量分布区域等因素的影响,确定了液压泵马达参数和转矩耦合器传动比;采用不同初始制动压力和不同容积蓄能器组合进行制动压力和能量回收仿真,分析确定合适的蓄能器容积。研究结果表明:匹配后的液压混合动力系统参数在每次起步速度不超过20 km·h^-1时均能独立驱动客车前进,而且在每次制动过程中能够回收几乎所有可利用制动能量,整车燃油经济性得到显著提高。
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  推土机动力传动系统的合理匹配仿真研究

  赵克利,白秀超,刘宇飞,陈卫正,李光志

  中国公路学报. 2013, 26(3): 183-190.

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  为了给推土机传动系统设计提供参考,进一步提高推土机的动力性和燃油经济性,针对某大型液力机械传动的履带推土机,考虑了地面附着条件、换挡油压等因素的影响,在Simulink/SimDriveline环境下建立了推土机整机动力传动系统仿真模型;以表征推土机动力性和经济性的综合评价指标为目标函数,采用Simulink/SimDriveline模型与M文件联合编程的方法,对推土机传动系统的2个重要参数——变矩器有效直径和整机质量进行优化,得到了其最佳匹配组合,并将优化前后推土机驱动链轮输出功率和当量比油耗数值进行对比。结果表明:在推土机典型工况中的铲掘、运土和松土阶段,推土机驱动链轮输出功率有所提高,驱动链轮当量比油耗有不同程度的下降,推土机的动力性和经济性指标得到了改善。