趙豐 魏健

摘 要：虛擬試驗場是依據(jù)某汽車試驗場建立的，可用于在仿真環(huán)境下對車輛進行路試試驗。虛擬試驗場的路面建模需要保證具有實際路面特性，文章針對虛擬試驗場建立中強化路面的建立問題進行研究，提出一種方法，可以準確的建立虛擬試驗場的強化路面。利用雙軌路面計測量強化路面的不平度，對測試數(shù)據(jù)進行分析處理，保證測量結果的準確性，應用試驗場規(guī)則路面的詳細尺寸信息建立模擬路面。對于規(guī)則強化路面，應用實際尺寸和技術規(guī)范等信息建立，對于不規(guī)則強化路面，利用實際測量的路面不平度，通過功率譜估計、路面等級分析、路面不平度數(shù)字化等建立模擬路面。通過相關性分析，保證所建立的模擬路面的準確性和可信性。

關鍵字：虛擬試驗場;強化路面;路面不平度;功率譜密度;諧波分析;相關性分析

中圖分類號：U467 ?文獻標識碼：B ?文章編號：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

車輛在定型之前需要在試驗場進行路試試驗，對車輛的耐久性進行評估，國內(nèi)試驗場在評估方面以三萬公里行駛來評估車輛耐久性，若是試驗中存在問題，則需要對車輛進行分析調(diào)整，不僅增加成本，也導致研發(fā)周期增加。在實際試驗中，獲取各個部件的載荷信息較為困難，通過虛擬試驗場的建立，可以通過仿真，更加方便評估車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，一種是對于規(guī)則路面，可以根據(jù)試驗場詳細尺寸信息進行模擬道路建立，另外一種可以根據(jù)試驗實際測量路面不平度進行模擬道路建立。由于實際測量的路面不平度，所對應的路面不平度等級在一定范圍內(nèi)，若較為準確的建立模擬路面，需要將所估計的功率譜密度將隨機路面數(shù)字化，將功率譜密度轉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]。國內(nèi)外研究較多，薛勁櫓等利用MATLAB編程實現(xiàn)三維隨機路面的建模，并通過功率譜估計和相干系數(shù)進行驗證[2]。張斌等人應用諧波疊加法研究車輛參數(shù)對車輛隨機載荷的影響[3]，利用諧波疊加法模擬車輛隨機動載荷，分析分別三種車身和路面下車輛模型參數(shù)對車輛載荷的影響。AU F T K等人[4]研究了混凝土橋梁的隨機路面粗糙度車輛行駛產(chǎn)生的沖擊對其的影響，應用諧波疊加法對隨機路面處理。諧波疊加法[5]在路面不平度處理中應用較為廣泛，算法基礎嚴密、簡單和適應面廣。

1 路面特征分析

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

1.1 搓衣板路

搓衣板路是通過不同規(guī)格的條形長方體組成并在上方鋪設等厚度柏油所形成的路面，搓板路每個凸起近似于正弦波，車輛高速通過時，給簧下施加有規(guī)律的高頻激勵，簧上比較平穩(wěn)。主要用于車輛的振動特性、平順性和可靠性試驗。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方體，D為相鄰兩個條形長方體間距，約為600-620mm，W為條形長方體的寬度，約為400-420mm，H為條形長方體的高度，約為13-18mm。

搓衣板路示意圖下圖所示：

1.2 比利時路面

石塊路又稱為比利時路，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，為保證各級路面可以按比例混合比利時路面，一般比利時路面建成寬為4m，長為50m的統(tǒng)一規(guī)格的石板塊[7]。建立的仿真比利時路面石塊沿車行駛方向均勻分布，比利時路所用石塊信息如下表所示：

比利時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)生較大動載荷，主要考核車輛承載系以及結構部件的強度和可靠性。

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，可以對車輛產(chǎn)生豐富、均勻的中小振動載荷，路面鋪設花崗巖或其它堅硬石塊，石塊長寬尺寸、塊間縫隙、相鄰石塊表面高差和石塊表面相對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建立仿真路面[8]。

1.4 卵石路

卵石路是由卵石鋪設在混凝土路槽中，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度水泥混凝土中，車輛在卵石路上行駛時，除了引起垂直跳動外，不規(guī)則分布的卵石還對車輪、轉向系統(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所提供的路面類型不足以進行車輛的疲勞耐久性仿真，需要建立符合試驗場路面的模型，應用軟件內(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]，具體方法為應用試驗得到的各種路面的高程信息或者規(guī)則路面的信息，獲取對應數(shù)據(jù)點，應用MATLAB生成各個節(jié)點的三維坐標，編程將相鄰的3個點連接一個三角形，相鄰三角形具有公共邊，各個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當獲取試驗場路面信息，并通過高程信息對所建立的路面進行誤差分析。

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)計數(shù)據(jù)來評估測試路段的不平度等級[13]。沿車輛的行駛方向路面縱剖面的不平度，可以按波長分為長波、短波和粗波三種，長波可以導致車輛的低頻率范圍振動，短波對應高頻振動，而粗波可引起車輪噪聲。不平度測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在E-F之間。本文所建立路面的方法為對于規(guī)則的強化路面，采用三維軟件、有限元軟件、MATLAB和ADAMS軟件結合的方法，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）應用有限元軟件離散化

（4）應用MATLAB軟件對節(jié)點坐標處理

（5）應用ADAMS軟件建立路面

對于不規(guī)則的路面建立方法為：通過雙跡路形計獲取所測路面信息，應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)不整齊石塊路相關函數(shù)可知，兩者的相關性比較小，原因可能在于應用諧波疊加法中的隨機相位的影響。

4 結論

本文提出一種虛擬試驗場混合建立的方法，該方法建立在詳細分析試驗場路面信息，對于規(guī)則路面需要詳細的尺寸信息，對于不規(guī)則的路面需要進行路面不平度測量，后續(xù)的完整的虛擬實驗場建立，對生成的路面文件進行編程，將各個路面進行連接，對于模擬車輛在試驗場的疲勞穩(wěn)定性試驗具有重要的作用。通過本文的研究主要得到以下結論：

（1）分開建立各個強化路段，對于規(guī)則的路面，根據(jù)具體信息可以準確快速的建立模擬路面，通過驗證，通過規(guī)則路面的建立方法具有準確性和可信度。

（2）在對采集的數(shù)據(jù)進行處理時，要準確分析數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理的不合理將會導致試驗數(shù)據(jù)讀取不準確，進一步致使建立的路面和實際路面的相關性較小。

（3）利用諧波疊加法進行路面不平度重構，可以簡單、迅速的完成重構，計算結果可直接作為車輛性能模擬的輸入，但是由于諧波疊加法中隨機相位的影響，導致其準確性降低，因此需要對諧波疊加法進行改進。

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