基于分形理論的路面不平度分級(jí)與模擬研究.pdf

1、路面不平度涉及人、車(chē)、路三方面的因素。在車(chē)輛工程研究領(lǐng)域，路面不平度是車(chē)輛運(yùn)行環(huán)境中的主要因素，是車(chē)輛行駛的主要激勵(lì)和振動(dòng)源，路面不平使車(chē)輛在行駛中產(chǎn)生行駛阻力和振動(dòng)，行駛阻力消耗車(chē)輛的功率并且影響車(chē)輛動(dòng)力系統(tǒng)和傳動(dòng)系統(tǒng)的壽命，而在路面沖擊下產(chǎn)生的振動(dòng)，則直接影響了車(chē)輛平順性、乘坐舒適性、操縱穩(wěn)定性、車(chē)輛行駛速度以及承載系的可靠性和壽命。在道路工程領(lǐng)域，路面不平度也是國(guó)內(nèi)外路面工程質(zhì)量的評(píng)定指標(biāo)之一，不平度檢測(cè)貫穿于路面施工質(zhì)量檢測(cè)、評(píng)

2、定、驗(yàn)收及運(yùn)營(yíng)期路面質(zhì)量檢測(cè)維護(hù)等環(huán)節(jié)。研究分析路面不平度、對(duì)其進(jìn)行合理的評(píng)價(jià)與分級(jí)、建立路面輸入模型對(duì)車(chē)輛工程和道路工程領(lǐng)域均具有重要意義。
　　 本文針對(duì)當(dāng)前路面不平度分析、模擬和分級(jí)研究的現(xiàn)狀，結(jié)合正在各領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的分析理論、計(jì)算方法、數(shù)字模型等理論和技術(shù)，圍繞路面不平度分形特征的確定、路面不平度分形分級(jí)方法、路面不平度分形模型等關(guān)鍵技術(shù)內(nèi)容進(jìn)行了深入和系統(tǒng)的研究。具體工作如下：
　　 首先設(shè)計(jì)了基于虛擬儀器技術(shù)

3、的路面不平度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，改善了接觸式路面不平度檢測(cè)儀的功能，并結(jié)合非接觸式激光不平度檢測(cè)車(chē)采集了大量路面不平度數(shù)據(jù)。然后對(duì)實(shí)測(cè)路面不平度數(shù)據(jù)進(jìn)行了傳統(tǒng)特性參數(shù)分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：要完整描述路面的不平度特性需要較多的參數(shù)；而且這些參數(shù)隨著測(cè)量尺度的變化而表現(xiàn)出不穩(wěn)定性，參數(shù)值相同的表面其特性卻可以相差很大，即存在尺度相關(guān)性和非唯一性。也就是說(shuō)，傳統(tǒng)參數(shù)無(wú)法唯一的表征路面不平度特性，因此，有必要尋找新的描述表面特性的參數(shù)。
　　 分形

4、理論是自1975年以來(lái)迅速發(fā)展起來(lái)的一個(gè)新的數(shù)學(xué)分支理論。它在信號(hào)描述、信號(hào)處理及其它眾多領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用。它與表面不平度相結(jié)合的研究已成為一個(gè)重要的交叉科學(xué)研究分支。眾多研究表明分形維數(shù)能夠描述復(fù)雜現(xiàn)象的本質(zhì)特性，本文利用分形理論對(duì)實(shí)測(cè)路面不平度的特性進(jìn)行了系統(tǒng)研究。為確定路面不平度的分形特性，首先以W-M函數(shù)生成的理想分形曲線來(lái)對(duì)比分析不同的分形維數(shù)測(cè)定方法，得到各分形維數(shù)測(cè)定方法在分析分形曲線時(shí)的適用范圍及優(yōu)缺點(diǎn)。進(jìn)而應(yīng)用不同

5、的測(cè)定方法分析實(shí)測(cè)路面不平度的標(biāo)度律直線關(guān)系、無(wú)標(biāo)度區(qū)間和分形維數(shù)值，通過(guò)計(jì)算可知，變差法、結(jié)構(gòu)函數(shù)法和均方根法在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)上的標(biāo)度律直線關(guān)系均較好，但變差法和結(jié)構(gòu)函數(shù)法的無(wú)標(biāo)度區(qū)間存在不穩(wěn)定性，均方根法下的無(wú)標(biāo)度區(qū)間較穩(wěn)定；又由于均方根法的物理意義明確，對(duì)表面輪廓曲線有很好的表征作用，因此，可以確定均方根法為計(jì)算路面不平度分形維數(shù)的有效方法。采用確定的均方根法計(jì)算所選路面樣本的分形維數(shù)，根據(jù)計(jì)算結(jié)果來(lái)表達(dá)路面樣本的不平整程度發(fā)現(xiàn)，僅用

6、分形維數(shù)這一參數(shù)不能唯一確定某一路面不平度狀況，即分形維數(shù)在表征實(shí)測(cè)路面不平度中存在相對(duì)性。
　　 為進(jìn)一步確定能夠唯一表征路面不平度的參數(shù)，從現(xiàn)有路面不平度分級(jí)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)出發(fā)，根據(jù)各等級(jí)路面的功率譜數(shù)據(jù)，通過(guò)傅立葉逆變換法獲得滿足各個(gè)等級(jí)的路面高程序列，然后分析路面不平度的常用表征參數(shù)與分形參數(shù)之間的關(guān)系，結(jié)果表明，傅立葉逆變換方法模擬的不同等級(jí)路面表現(xiàn)出顯著的分形特征，其分形維數(shù)差別很小，沒(méi)有明顯分界；但等級(jí)越差的路面在均方

7、根法所得路面的測(cè)度與尺度的對(duì)數(shù)分布圖縱軸上的截距越大，進(jìn)一步通過(guò)對(duì)傅立葉逆變換所得路面數(shù)據(jù)的表征參數(shù)的計(jì)算，發(fā)現(xiàn)這一截距值與輪廓均方根偏差呈較好的線性關(guān)系，鑒于路面的特征分形參數(shù)值較小且其變化不利于路面分級(jí)使用，提出將分形維數(shù)與輪廓均方根偏差結(jié)合起來(lái)成為路面不平度表征的綜合參數(shù)，即提出以路面不平度指數(shù)作為路面的表征參數(shù)，并計(jì)算各等級(jí)路面的路面不平度指數(shù)。
　　 從國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)對(duì)路面不平度的分級(jí)原理分析出發(fā)，通過(guò)實(shí)測(cè)路面不平度數(shù)據(jù)分析

8、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)對(duì)路面不平度分級(jí)的局限性；計(jì)算實(shí)測(cè)路面的表征參數(shù)，統(tǒng)計(jì)分析輪廓均方根偏差、分形維數(shù)、路面不平度指數(shù)與按國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)劃分的路面等級(jí)的關(guān)系，建立了以路面不平度指數(shù)為表征參數(shù)的路面不平度分級(jí)方法，該方法對(duì)于路面不平度分級(jí)方法和標(biāo)準(zhǔn)的改進(jìn)具有一定參考價(jià)值。
　　 在路面不平度實(shí)測(cè)離散數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行分形插值模擬，并通過(guò)時(shí)頻域、分形特性參數(shù)檢驗(yàn)分形插值的模擬效果，對(duì)影響分形插值精度的因素進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明基于迭代函數(shù)系統(tǒng)的分形插值

9、函數(shù)對(duì)路面不平度進(jìn)行模擬是可行的，其對(duì)于路面不平度的客觀表征、數(shù)據(jù)的壓縮和路面不平度測(cè)量?jī)x器的制造等具有重要的參考價(jià)值。路面不平度分形插值模型可以作為車(chē)輛振動(dòng)響應(yīng)仿真分析的路面輸入激勵(lì)，該輸入模型更加接近實(shí)際路面。
　　 本文最后通過(guò)仿真和試驗(yàn)的方式驗(yàn)證分形路面模型的適用性。評(píng)價(jià)本文建立的路面不平度分形模型與實(shí)際隨機(jī)輸入的路面的近似程度。以ADAMS軟件為平臺(tái)，建立了多路面輸入下的整車(chē)模型，路面輸入分別選擇實(shí)測(cè)隨機(jī)路面數(shù)據(jù)、傅立