基于虛擬試驗(yàn)場(chǎng)的強(qiáng)化路面建模方法研究

趙豐 魏健

摘 要：虛擬試驗(yàn)場(chǎng)是依據(jù)某汽車(chē)試驗(yàn)場(chǎng)建立的，可用于在仿真環(huán)境下對(duì)車(chē)輛進(jìn)行路試試驗(yàn)。虛擬試驗(yàn)場(chǎng)的路面建模需要保證具有實(shí)際路面特性，文章針對(duì)虛擬試驗(yàn)場(chǎng)建立中強(qiáng)化路面的建立問(wèn)題進(jìn)行研究，提出一種方法，可以準(zhǔn)確的建立虛擬試驗(yàn)場(chǎng)的強(qiáng)化路面。利用雙軌路面計(jì)測(cè)量強(qiáng)化路面的不平度，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，應(yīng)用試驗(yàn)場(chǎng)規(guī)則路面的詳細(xì)尺寸信息建立模擬路面。對(duì)于規(guī)則強(qiáng)化路面，應(yīng)用實(shí)際尺寸和技術(shù)規(guī)范等信息建立，對(duì)于不規(guī)則強(qiáng)化路面，利用實(shí)際測(cè)量的路面不平度，通過(guò)功率譜估計(jì)、路面等級(jí)分析、路面不平度數(shù)字化等建立模擬路面。通過(guò)相關(guān)性分析，保證所建立的模擬路面的準(zhǔn)確性和可信性。

關(guān)鍵字：虛擬試驗(yàn)場(chǎng);強(qiáng)化路面;路面不平度;功率譜密度;諧波分析;相關(guān)性分析

中圖分類(lèi)號(hào)：U467 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）06-118-05

Abstract： Virtual test field is built， based on an automobile test field， which can be used for road test of vehicles in the simulation environment. The road of virtual test field needs to ensure the actual road characteristics. This paper studies the establishment of strengthening road of virtual test field， and proposes a method， which can accurately establish the strengthening road of virtual test field. Using the double track pavement meter to measure the roughness of the strengthened pavement， analyzing and processing the test data to ensure the accuracy of the measurement results， and using the detailed size information of the regular pavement in the test field to establish the simulated pavement. For the regular strengthening pavement， the actual size and technical specifications and other information shall be used to establish the simulation pavement. For the irregular strengthening pavement， the actual measured pavement roughness shall be used to establish the simulation pavement through power spectrum estimation， pavement grade analysis and pavement roughness digitization. Through correlation analysis， the accuracy and credibility of the simulated road surface are guaranteed.

Keywords： Virtual test field; Strengthening pavement; Pavement roughness; Power spectral density; Harmonic analysis; Correlation analysis

CLC NO.： U467 ?Document Code： B ?Article ID： 1671-7988（2020）06-118-05

前言

車(chē)輛在定型之前需要在試驗(yàn)場(chǎng)進(jìn)行路試試驗(yàn)，對(duì)車(chē)輛的耐久性進(jìn)行評(píng)估，國(guó)內(nèi)試驗(yàn)場(chǎng)在評(píng)估方面以三萬(wàn)公里行駛來(lái)評(píng)估車(chē)輛耐久性，若是試驗(yàn)中存在問(wèn)題，則需要對(duì)車(chē)輛進(jìn)行分析調(diào)整，不僅增加成本，也導(dǎo)致研發(fā)周期增加。在實(shí)際試驗(yàn)中，獲取各個(gè)部件的載荷信息較為困難，通過(guò)虛擬試驗(yàn)場(chǎng)的建立，可以通過(guò)仿真，更加方便評(píng)估車(chē)輛以及各部件的耐久性。

在虛擬道路的建立中，主要分為兩類(lèi)，一種是對(duì)于規(guī)則路面，可以根據(jù)試驗(yàn)場(chǎng)詳細(xì)尺寸信息進(jìn)行模擬道路建立，另外一種可以根據(jù)試驗(yàn)實(shí)際測(cè)量路面不平度進(jìn)行模擬道路建立。由于實(shí)際測(cè)量的路面不平度，所對(duì)應(yīng)的路面不平度等級(jí)在一定范圍內(nèi)，若較為準(zhǔn)確的建立模擬路面，需要將所估計(jì)的功率譜密度將隨機(jī)路面數(shù)字化，將功率譜密度轉(zhuǎn)化為路面不平度的算法有諧波疊加法、偽白噪聲法、AR模型法等[1]。國(guó)內(nèi)外研究較多，薛勁櫓等利用MATLAB編程實(shí)現(xiàn)三維隨機(jī)路面的建模，并通過(guò)功率譜估計(jì)和相干系數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證[2]。張斌等人應(yīng)用諧波疊加法研究車(chē)輛參數(shù)對(duì)車(chē)輛隨機(jī)載荷的影響[3]，利用諧波疊加法模擬車(chē)輛隨機(jī)動(dòng)載荷，分析分別三種車(chē)身和路面下車(chē)輛模型參數(shù)對(duì)車(chē)輛載荷的影響。AU F T K等人[4]研究了混凝土橋梁的隨機(jī)路面粗糙度車(chē)輛行駛產(chǎn)生的沖擊對(duì)其的影響，應(yīng)用諧波疊加法對(duì)隨機(jī)路面處理。諧波疊加法[5]在路面不平度處理中應(yīng)用較為廣泛，算法基礎(chǔ)嚴(yán)密、簡(jiǎn)單和適應(yīng)面廣。

1 路面特征分析

強(qiáng)化路面主要包括搓板路、比利時(shí)路、不整齊石塊路、卵石路等，試驗(yàn)場(chǎng)路面采集高程信息可采用慣性參照道路縱斷剖面檢測(cè)系統(tǒng)[6]。本文對(duì)以上四種路面進(jìn)行分析，其他的強(qiáng)化路面可根據(jù)具體信息和道路采集的高程信息進(jìn)行分析處理，對(duì)強(qiáng)化路面建模。

1.1 搓衣板路

搓衣板路是通過(guò)不同規(guī)格的條形長(zhǎng)方體組成并在上方鋪設(shè)等厚度柏油所形成的路面，搓板路每個(gè)凸起近似于正弦波，車(chē)輛高速通過(guò)時(shí)，給簧下施加有規(guī)律的高頻激勵(lì)，簧上比較平穩(wěn)。主要用于車(chē)輛的振動(dòng)特性、平順性和可靠性試驗(yàn)。尺寸信息如下所示：

示意圖中矩形條為搓衣板路上的條形長(zhǎng)方體，D為相鄰兩個(gè)條形長(zhǎng)方體間距，約為600-620mm，W為條形長(zhǎng)方體的寬度，約為400-420mm，H為條形長(zhǎng)方體的高度，約為13-18mm。

搓衣板路示意圖下圖所示：

1.2 比利時(shí)路面

石塊路又稱(chēng)為比利時(shí)路，路面根據(jù)石塊大小和間距分為重型、中型和輕型三種路面，為保證各級(jí)路面可以按比例混合比利時(shí)路面，一般比利時(shí)路面建成寬為4m，長(zhǎng)為50m的統(tǒng)一規(guī)格的石板塊[7]。建立的仿真比利時(shí)路面石塊沿車(chē)行駛方向均勻分布，比利時(shí)路所用石塊信息如下表所示：

比利時(shí)路面建立示意圖如圖3所示：其中W為路寬，約為4mm。該路在較寬頻帶內(nèi)產(chǎn)生較大動(dòng)載荷，主要考核車(chē)輛承載系以及結(jié)構(gòu)部件的強(qiáng)度和可靠性。

1.3 不整齊石塊路

不整齊石塊路的空間頻率分布比較均勻，可以對(duì)車(chē)輛產(chǎn)生豐富、均勻的中小振動(dòng)載荷，路面鋪設(shè)花崗巖或其它堅(jiān)硬石塊，石塊長(zhǎng)寬尺寸、塊間縫隙、相鄰石塊表面高差和石塊表面相對(duì)路面橫斷面直線高都有明確的尺寸要求。

在不整齊石塊路上的行駛速度要求在30-40Km/h，可以根據(jù)石塊的尺寸信息或者功率譜密度估計(jì)建立仿真路面[8]。

1.4 卵石路

卵石路是由卵石鋪設(shè)在混凝土路槽中，根據(jù)卵石大小的不同可以分為大卵石路、中卵石路和小卵石路。卵石約有1/3外露，卵石間距等于或大于卵石粒徑，卵石鑲嵌放置于高強(qiáng)度水泥混凝土中，車(chē)輛在卵石路上行駛時(shí)，除了引起垂直跳動(dòng)外，不規(guī)則分布的卵石還對(duì)車(chē)輪、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)和懸架系統(tǒng)造成較大的縱向和橫向沖擊，考核其可靠性及耐久性。

2.2 基于ADAMS/car建立三維路面

由于ADAMS/car所提供的路面類(lèi)型不足以進(jìn)行車(chē)輛的疲勞耐久性仿真，需要建立符合試驗(yàn)場(chǎng)路面的模型，應(yīng)用軟件內(nèi)的三維等效容積道路模型建立突塊、凹凸或者不規(guī)則起伏路面[12]，具體方法為應(yīng)用試驗(yàn)得到的各種路面的高程信息或者規(guī)則路面的信息，獲取對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)點(diǎn)，應(yīng)用MATLAB生成各個(gè)節(jié)點(diǎn)的三維坐標(biāo)，編程將相鄰的3個(gè)點(diǎn)連接一個(gè)三角形，相鄰三角形具有公共邊，各個(gè)三角形相互連接形成路面，路面建立的流程如下所示：

根據(jù)流程圖可知，在建立虛擬路面之前應(yīng)當(dāng)獲取試驗(yàn)場(chǎng)路面信息，并通過(guò)高程信息對(duì)所建立的路面進(jìn)行誤差分析。

2.3 基于路面不平度法

路面不平度通常用于表示路面的起伏程度，可以利用路面不平度的宏觀統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)評(píng)估測(cè)試路段的不平度等級(jí)[13]。沿車(chē)輛的行駛方向路面縱剖面的不平度，可以按波長(zhǎng)分為長(zhǎng)波、短波和粗波三種，長(zhǎng)波可以導(dǎo)致車(chē)輛的低頻率范圍振動(dòng)，短波對(duì)應(yīng)高頻振動(dòng)，而粗波可引起車(chē)輪噪聲。不平度測(cè)試的基本步驟如下所示：

由圖可以看出，不整齊石塊路的路面等級(jí)在E-F之間。本文所建立路面的方法為對(duì)于規(guī)則的強(qiáng)化路面，采用三維軟件、有限元軟件、MATLAB和ADAMS軟件結(jié)合的方法，具體步驟如為：

（1）分析規(guī)則路面的特征信息

（2）三維軟件建立路面的三維模型

（3）應(yīng)用有限元軟件離散化

（4）應(yīng)用MATLAB軟件對(duì)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)處理

（5）應(yīng)用ADAMS軟件建立路面

對(duì)于不規(guī)則的路面建立方法為：通過(guò)雙跡路形計(jì)獲取所測(cè)路面信息，應(yīng)用基于路面不平度法建立路面。所建立的列舉路面如下圖所示：

根據(jù)不整齊石塊路相關(guān)函數(shù)可知，兩者的相關(guān)性比較小，原因可能在于應(yīng)用諧波疊加法中的隨機(jī)相位的影響。

4 結(jié)論

本文提出一種虛擬試驗(yàn)場(chǎng)混合建立的方法，該方法建立在詳細(xì)分析試驗(yàn)場(chǎng)路面信息，對(duì)于規(guī)則路面需要詳細(xì)的尺寸信息，對(duì)于不規(guī)則的路面需要進(jìn)行路面不平度測(cè)量，后續(xù)的完整的虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)建立，對(duì)生成的路面文件進(jìn)行編程，將各個(gè)路面進(jìn)行連接，對(duì)于模擬車(chē)輛在試驗(yàn)場(chǎng)的疲勞穩(wěn)定性試驗(yàn)具有重要的作用。通過(guò)本文的研究主要得到以下結(jié)論：

（1）分開(kāi)建立各個(gè)強(qiáng)化路段，對(duì)于規(guī)則的路面，根據(jù)具體信息可以準(zhǔn)確快速的建立模擬路面，通過(guò)驗(yàn)證，通過(guò)規(guī)則路面的建立方法具有準(zhǔn)確性和可信度。

（2）在對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理時(shí)，要準(zhǔn)確分析數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理的不合理將會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)讀取不準(zhǔn)確，進(jìn)一步致使建立的路面和實(shí)際路面的相關(guān)性較小。

（3）利用諧波疊加法進(jìn)行路面不平度重構(gòu)，可以簡(jiǎn)單、迅速的完成重構(gòu)，計(jì)算結(jié)果可直接作為車(chē)輛性能模擬的輸入，但是由于諧波疊加法中隨機(jī)相位的影響，導(dǎo)致其準(zhǔn)確性降低，因此需要對(duì)諧波疊加法進(jìn)行改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 郝鵬飛，趙又群，邸長(zhǎng)俊.基于Matlab與Adams的三維路面建模研究[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2011，30（2）：327-330.

[2] 薛勁櫓，王紅巖，遲寶山.虛擬試驗(yàn)三維隨機(jī)路面的建模[J].中國(guó)工程機(jī)械學(xué)報(bào)，2012，10（2）：237-241.

[3] 張斌，薛輝，張榮花.基于諧波疊加法車(chē)輛參數(shù)對(duì)車(chē)輛隨機(jī)荷載模擬的影響分析[J].黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報(bào)，2018，30（05）：107- 112.

[4] Au F T K ，Cheng Y S， Cheung Y K. Effects of random road surface roughness and long-term deflection of prestressed concrete girder and cable-stayed bridges on impact due to moving vehicles[J]. Com -puters & Structures， 2001， 79（8）：853-872.

[5] SCHIEHLEN W， HU B. Spectral simulation and shock absorber identification[J]. International Journal of Non-Linear Mechanics， 2003， 38（2）：161-171.

[6] 馮亞杰.基于剛?cè)狁詈戏抡娴钠?chē)橫臂疲勞壽命分析[D].長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2014.

[7] Palma E S， Vidal F A C. Fatigue Damage Analysis on Body Shell of a Passenger Vehicle[J]. Journal of Materials Engineering and Perfor -mance，2002， 11（4）： 450-460.

[8] 段虎明，石峰，謝飛，et al.路面不平度研究綜述[J].振動(dòng)與沖擊，2009， 28（9）：95-101.

[9] 長(zhǎng)春汽車(chē)研究所.GB7031-1986 車(chē)輛振動(dòng)輸入路面平度表示方法[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1986.

[10] 黃志強(qiáng)，鄭旺輝.Matlab實(shí)現(xiàn)ADAMS三維隨機(jī)路面建模[J].現(xiàn)代防御技術(shù)，2018（3）：165-170.

[11] 虞明，趙濟(jì)海，鄔惠樂(lè)，et al.定遠(yuǎn)試驗(yàn)區(qū)汽車(chē)試驗(yàn)路面譜的研究[J]. 汽車(chē)工程，1990（2）.

[12] 楊國(guó)權(quán)，趙又群，郝鵬飛.車(chē)輛虛擬試驗(yàn)場(chǎng)的路面建模方法研究[J]. 系統(tǒng)仿真技術(shù)， 2010， 06（3）：183-186.

[13] 王紅巖，王欽龍，芮強(qiáng)，et al.車(chē)輛行駛路面的數(shù)字化建模方法研究[J].兵工學(xué)報(bào)，2016， 37（7）：1153-1160.

[14] 杜峰，葛曉成，陳翔，et al.路面功率譜密度換算及不平度建模理論研究[J].振動(dòng).測(cè)試與診斷， 2015， 35（5）：981-986.

[15] GB/T 7031——2005機(jī)械振動(dòng)道路路面譜測(cè)量數(shù)據(jù)報(bào)告[S].北京： 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2005.