详情

原文传递基于分形理论的路面不平度分级与模拟研究

论文题名：	基于分形理论的路面不平度分级与模拟研究
关键词：	路面不平度;分形理论;数字模型;计算方法
摘要：	路面不平度涉及人、车、路三方面的因素。在车辆工程研究领域，路面不平度是车辆运行环境中的主要因素，是车辆行驶的主要激励和振动源，路面不平使车辆在行驶中产生行驶阻力和振动，行驶阻力消耗车辆的功率并且影响车辆动力系统和传动系统的寿命，而在路面冲击下产生的振动，则直接影响了车辆平顺性、乘坐舒适性、操纵稳定性、车辆行驶速度以及承载系的可靠性和寿命。在道路工程领域，路面不平度也是国内外路面工程质量的评定指标之一，不平度检测贯穿于路面施工质量检测、评定、验收及运营期路面质量检测维护等环节。研究分析路面不平度、对其进行合理的评价与分级、建立路面输入模型对车辆工程和道路工程领域均具有重要意义。　　本文针对当前路面不平度分析、模拟和分级研究的现状，结合正在各领域广泛应用的分析理论、计算方法、数字模型等理论和技术，围绕路面不平度分形特征的确定、路面不平度分形分级方法、路面不平度分形模型等关键技术内容进行了深入和系统的研究。具体工作如下：　　首先设计了基于虚拟仪器技术的路面不平度数据采集系统，改善了接触式路面不平度检测仪的功能，并结合非接触式激光不平度检测车采集了大量路面不平度数据。然后对实测路面不平度数据进行了传统特性参数分析，结果发现：要完整描述路面的不平度特性需要较多的参数；而且这些参数随着测量尺度的变化而表现出不稳定性，参数值相同的表面其特性却可以相差很大，即存在尺度相关性和非唯一性。也就是说，传统参数无法唯一的表征路面不平度特性，因此，有必要寻找新的描述表面特性的参数。　　分形理论是自1975年以来迅速发展起来的一个新的数学分支理论。它在信号描述、信号处理及其它众多领域中具有广泛的应用。它与表面不平度相结合的研究已成为一个重要的交叉科学研究分支。众多研究表明分形维数能够描述复杂现象的本质特性，本文利用分形理论对实测路面不平度的特性进行了系统研究。为确定路面不平度的分形特性，首先以W-M函数生成的理想分形曲线来对比分析不同的分形维数测定方法，得到各分形维数测定方法在分析分形曲线时的适用范围及优缺点。进而应用不同的测定方法分析实测路面不平度的标度律直线关系、无标度区间和分形维数值，通过计算可知，变差法、结构函数法和均方根法在双对数坐标上的标度律直线关系均较好，但变差法和结构函数法的无标度区间存在不稳定性，均方根法下的无标度区间较稳定；又由于均方根法的物理意义明确，对表面轮廓曲线有很好的表征作用，因此，可以确定均方根法为计算路面不平度分形维数的有效方法。采用确定的均方根法计算所选路面样本的分形维数，根据计算结果来表达路面样本的不平整程度发现，仅用分形维数这一参数不能唯一确定某一路面不平度状况，即分形维数在表征实测路面不平度中存在相对性。　　为进一步确定能够唯一表征路面不平度的参数，从现有路面不平度分级的国际标准出发，根据各等级路面的功率谱数据，通过傅立叶逆变换法获得满足各个等级的路面高程序列，然后分析路面不平度的常用表征参数与分形参数之间的关系，结果表明，傅立叶逆变换方法模拟的不同等级路面表现出显著的分形特征，其分形维数差别很小，没有明显分界；但等级越差的路面在均方根法所得路面的测度与尺度的对数分布图纵轴上的截距越大，进一步通过对傅立叶逆变换所得路面数据的表征参数的计算，发现这一截距值与轮廓均方根偏差呈较好的线性关系，鉴于路面的特征分形参数值较小且其变化不利于路面分级使用，提出将分形维数与轮廓均方根偏差结合起来成为路面不平度表征的综合参数，即提出以路面不平度指数作为路面的表征参数，并计算各等级路面的路面不平度指数。　　从国际标准对路面不平度的分级原理分析出发，通过实测路面不平度数据分析国际标准对路面不平度分级的局限性；计算实测路面的表征参数，统计分析轮廓均方根偏差、分形维数、路面不平度指数与按国际标准划分的路面等级的关系，建立了以路面不平度指数为表征参数的路面不平度分级方法，该方法对于路面不平度分级方法和标准的改进具有一定参考价值。　　在路面不平度实测离散数据的基础上进行分形插值模拟，并通过时频域、分形特性参数检验分形插值的模拟效果，对影响分形插值精度的因素进行分析。研究结果表明基于迭代函数系统的分形插值函数对路面不平度进行模拟是可行的，其对于路面不平度的客观表征、数据的压缩和路面不平度测量仪器的制造等具有重要的参考价值。路面不平度分形插值模型可以作为车辆振动响应仿真分析的路面输入激励，该输入模型更加接近实际路面。　　本文最后通过仿真和试验的方式验证分形路面模型的适用性。评价本文建立的路面不平度分形模型与实际随机输入的路面的近似程度。以ADAMS软件为平台，建立了多路面输入下的整车模型，路面输入分别选择实测随机路面数据、傅立叶逆变换数据、分形插值模型数据和软件中内置的路面模型，整车模型的建立与实测车辆一致，然后进行整车动态响应仿真试验，通过比较四种路面下的车辆振动响应参数可知，分形模型能较好的逼近实测路面，其振动响应参数最接近实测路面。进一步通过实车实验采集车辆振动响应参数，对仿真结果进行了检验。
作者：	赵兰英
专业：	农业机械化工程
导师：	鲁植雄
授予学位：	博士
授予学位单位：	南京农业大学
学位年度：	2009
正文语种：	中文