基于虚拟试验场的强化路面建模方法研究

赵丰 魏健

摘 要：虚拟试验场是依据某汽车试验场建立的，可用于在仿真环境下对车辆进行路试试验。虚拟试验场的路面建模需要保证具有实际路面特性，文章针对虚拟试验场建立中强化路面的建立问题进行研究，提出一种方法，可以准确的建立虚拟试验场的强化路面。利用双轨路面计测量强化路面的不平度，对测试数据进行分析处理，保证测量结果的准确性，应用试验场规则路面的详细尺寸信息建立模拟路面。对于规则强化路面，应用实际尺寸和技术规范等信息建立，对于不规则强化路面，利用实际测量的路面不平度，通过功率谱估计、路面等级分析、路面不平度数字化等建立模拟路面。通过相关性分析，保证所建立的模拟路面的准确性和可信性。

关键字：虚拟试验场;强化路面;路面不平度;功率谱密度;谐波分析;相关性分析

中图分类号：U467  文献标识码：B  文章编号：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

車辆在定型之前需要在试验场进行路试试验，对车辆的耐久性进行评估，国内试验场在评估方面以三万公里行驶来评估车辆耐久性，若是试验中存在问题，则需要对车辆进行分析调整，不仅增加成本，也导致研发周期增加。在实际试验中，获取各个部件的载荷信息较为困难，通过虚拟试验场的建立，可以通过仿真，更加方便评估车辆以及各部件的耐久性。

在虚拟道路的建立中，主要分为两类，一种是对于规则路面，可以根据试验场详细尺寸信息进行模拟道路建立，另外一种可以根据试验实际测量路面不平度进行模拟道路建立。由于实际测量的路面不平度，所对应的路面不平度等级在一定范围内，若较为准确的建立模拟路面，需要将所估计的功率谱密度将随机路面数字化，将功率谱密度转化为路面不平度的算法有谐波叠加法、伪白噪声法、AR模型法等[1]。国内外研究较多，薛劲橹等利用MATLAB编程实现三维随机路面的建模，并通过功率谱估计和相干系数进行验证[2]。张斌等人应用谐波叠加法研究车辆参数对车辆随机载荷的影响[3]，利用谐波叠加法模拟车辆随机动载荷，分析分别三种车身和路面下车辆模型参数对车辆载荷的影响。AU F T K等人[4]研究了混凝土桥梁的随机路面粗糙度车辆行驶产生的冲击对其的影响，应用谐波叠加法对随机路面处理。谐波叠加法[5]在路面不平度处理中应用较为广泛，算法基础严密、简单和适应面广。

1 路面特征分析

强化路面主要包括搓板路、比利时路、不整齐石块路、卵石路等，试验场路面采集高程信息可采用惯性参照道路纵断剖面检测系统[6]。本文对以上四种路面进行分析，其他的强化路面可根据具体信息和道路采集的高程信息进行分析处理，对强化路面建模。

1.1 搓衣板路

搓衣板路是通过不同规格的条形长方体组成并在上方铺设等厚度柏油所形成的路面，搓板路每个凸起近似于正弦波，车辆高速通过时，给簧下施加有规律的高频激励，簧上比较平稳。主要用于车辆的振动特性、平顺性和可靠性试验。尺寸信息如下所示：

示意图中矩形条为搓衣板路上的条形长方体，D为相邻两个条形长方体间距，约为600-620mm，W为条形长方体的宽度，约为400-420mm，H为条形长方体的高度，约为13-18mm。

搓衣板路示意图下图所示：

1.2 比利时路面

石块路又称为比利时路，路面根据石块大小和间距分为重型、中型和轻型三种路面，为保证各级路面可以按比例混合比利时路面，一般比利时路面建成宽为4m，长为50m的统一规格的石板块[7]。建立的仿真比利时路面石块沿车行驶方向均匀分布，比利时路所用石块信息如下表所示：

比利时路面建立示意图如图3所示：其中W为路宽，约为4mm。该路在较宽频带内产生较大动载荷，主要考核车辆承载系以及结构部件的强度和可靠性。

1.3 不整齐石块路

不整齐石块路的空间频率分布比较均匀，可以对车辆产生丰富、均匀的中小振动载荷，路面铺设花岗岩或其它坚硬石块，石块长宽尺寸、块间缝隙、相邻石块表面高差和石块表面相对路面横断面直线高都有明确的尺寸要求。

在不整齐石块路上的行驶速度要求在30-40Km/h，可以根据石块的尺寸信息或者功率谱密度估计建立仿真路面[8]。

1.4 卵石路

卵石路是由卵石铺设在混凝土路槽中，根据卵石大小的不同可以分为大卵石路、中卵石路和小卵石路。卵石约有1/3外露，卵石间距等于或大于卵石粒径，卵石镶嵌放置于高强度水泥混凝土中，车辆在卵石路上行驶时，除了引起垂直跳动外，不规则分布的卵石还对车轮、转向系统和悬架系统造成较大的纵向和横向冲击，考核其可靠性及耐久性。

2.2 基于ADAMS/car建立三维路面

由于ADAMS/car所提供的路面类型不足以进行车辆的疲劳耐久性仿真，需要建立符合试验场路面的模型，应用软件内的三维等效容积道路模型建立突块、凹凸或者不规则起伏路面[12]，具体方法为应用试验得到的各种路面的高程信息或者规则路面的信息，获取对应数据点，应用MATLAB生成各个节点的三维坐标，编程将相邻的3个点连接一个三角形，相邻三角形具有公共边，各个三角形相互连接形成路面，路面建立的流程如下所示：

根据流程图可知，在建立虚拟路面之前应当获取试验场路面信息，并通过高程信息对所建立的路面进行误差分析。

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观统计数据来评估测试路段的不平度等级[13]。沿车辆的行驶方向路面纵剖面的不平度，可以按波长分为长波、短波和粗波三种，长波可以导致车辆的低频率范围振动，短波对应高频振动，而粗波可引起车轮噪声。不平度测试的基本步骤如下所示：

由图可以看出，不整齐石块路的路面等级在E-F之间。本文所建立路面的方法为对于规則的强化路面，采用三维软件、有限元软件、MATLAB和ADAMS软件结合的方法，具体步骤如为：

（1）分析规则路面的特征信息

（2）三维软件建立路面的三维模型

（3）应用有限元软件离散化

（4）应用MATLAB软件对节点坐标处理

（5）应用ADAMS软件建立路面

对于不规则的路面建立方法为：通过双迹路形计获取所测路面信息，应用基于路面不平度法建立路面。所建立的列举路面如下图所示：

根据不整齐石块路相关函数可知，两者的相关性比较小，原因可能在于应用谐波叠加法中的随机相位的影响。

4 结论

本文提出一种虚拟试验场混合建立的方法，该方法建立在详细分析试验场路面信息，对于规则路面需要详细的尺寸信息，对于不规则的路面需要进行路面不平度测量，后续的完整的虚拟实验场建立，对生成的路面文件进行编程，将各个路面进行连接，对于模拟车辆在试验场的疲劳稳定性试验具有重要的作用。通过本文的研究主要得到以下结论：

（1）分开建立各个强化路段，对于规则的路面，根据具体信息可以准确快速的建立模拟路面，通过验证，通过规则路面的建立方法具有准确性和可信度。

（2）在对采集的数据进行处理时，要准确分析数据，数据处理的不合理将会导致试验数据读取不准确，进一步致使建立的路面和实际路面的相关性较小。

（3）利用谐波叠加法进行路面不平度重构，可以简单、迅速的完成重构，计算结果可直接作为车辆性能模拟的输入，但是由于谐波叠加法中随机相位的影响，导致其准确性降低，因此需要对谐波叠加法进行改进。

参考文献

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