（光学工程专业论文）vpg中虚拟路面再造方法及其仿真研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 虚拟试验场技术已经渗透到汽车开发流程中的各个环节，成为汽车研发的重 要技术之一。路面不平度是汽车振动的基本输入，汽车的振动主要是由路面不平 度引起的。因此，正确地运用虚拟试验场技术，建造反映实际路面状况的路面模 型至关重要。路面模型的建立不仅要体现真实路面的微观不平度还要描述出宏观 道路的形状。本论文结合国家高技术发展计划( 8 6 3 ) 项目，主要开展了以下几 个方面的工作。 研究了虚拟试验场( v i r t u a lp r o v i n gg r o u n d ，v p g ) 中路面文件的组织形式； 利用自回归模型( a u t or e g r e s s i v em o d e l ，a r 模型) 再现了路面不平度时域数据； 根据公路路线设计规范，研究了路形的基本表达形式以及能正确描述路形的 数学方法；在此基础上，利用m a t l a b 编程技术编制了综合路形和不平度的路 面文件自动生成程序，并实现了与v p g 的有效衔接。 以某车型为研究对象，进行了平顺性试验和悬挂系统的固有频率和阻尼比测 试试验，并在v p g 中建立与试验样车相对应的四分之一车辆模型。然后进行了 在再造等级路面模型中的平顺性仿真，仿真结果与试验结果具有良好的一致性， 证明了所建路面模型的正确性。 本论文为在v p g 中嵌入反映我国路面状况的路面模型提供了一个可行的方 法。 关键词：虚拟路面、a r 模型、v p g 、插值、四分之一车辆模型、路试仿真 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t v i r t u a lp r o v i n gg r o u n dt e c h n o l o g yh a si n f i l t r a t e di n t oa l ll i n k so ft h ea u t o m o b i l e d e v e l o p m e n ta n db e c o m e so n eo ft h ei m p o r t a n tt e c h n o l o g i e so fv e h i c l er e s e a r c h r o a dr o u g h n e s si sab a s i ci n p u to fv e h i c l ev i b r a t i o na n dv e h i c l ev i b r a t i o ni sa r o u s e d b yt h er o a dr o u g h n e s s t h e r e f o r e ，t oc o r r e c tu s et h ev p gt e c h n o l o g y , i t sv e r y i m p o r t a n tt ob u i l dr o a dm o d e lt h a tr e f l e c t st h er o a dc o n d i t i o n s t h er o a dm o d e l r e p r e s e n t sn o to n l yt h em i c r o c o s m i cr o u g h n e s so ft h ea c t u a lr o a d ，b u ta l s od e p i c t st h e s h a p e so ft h em a c r o s c o p i c a l l yr o a d c o m b i n e dw i t hi t e m o ft h en a t i o n a lh i 曲 t e c h n o l o g yr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n tp r o j e c t ( 8 6 3 ) ，t h i sp a p e rc a r r i e so u tt h e f o l l o w i n ga s p e c t so f t a s k s t h eo r g a _ i z i n gf o r m a to ft h er o a df i l e si nt h ev i r t u a lp r o v i n gg r o u n d ( v p g ) i s s t u d i e d t h er o a dr o u g h n e s st i m ed o m a i nd a t ai sr e c o n s t r u c t e db ya u t or e g r e s s i v e m o d e l a c c o r d i n gt od e s i g ns p e c i f i c a t i o n f o rh i g h w a yr o u t e ，t h eb a s i c e x p r e s s i o nf o r mo ft h er o a ds h a p ea n dt h em a t h e m a t i c a lm e t h o do fi t sc o r r e c t d e s c r i p t i o n a r es t u d i e d b a s e do nt h i s ，t h er e c o n s t r u c t i o nr o a dm o d e lw i t h c o m p r e h e n s i v ec o n s i d e r a t i o no fr o a ds h a p ea n dr o u g h n e s si sc r e a t e db ym a t i _ a b p r o g r a m m i n gt e c h n o l o g y , a n dt h ee f f e c t i v el i n kt ov p g i sa l s or e a l i z e d u s e ds o m ev e h i c l et y p ea sa nr e s e a r c ho b j e c t ，t h et r a n q u i l i t yt e s ta n dt h en a t u r a l f r e q u e n c ya n dd a m p i n gr a t i oo ft h es u s p e n s i o ns y s t e mt e s ta r ec a r r i e do u t ，a n dt h e1 4 v e h i c l em o d e li ss e tu pi nv p ga c c o r d i n gt ot h et e s ts a m p l ev e h i c l e t h e nc a r r yo u t r i d ec o m f o r ts i m u l a t i o na n a l y s i si nr e m o d e l i n gr o a ds u r f a c em o d e l t h es i m u l a t i o n r e s u l t sa n de x p e r i m e n t a lr e s u l t sh a v eg o o da g r e e m e n t ，s h o w st h a tt h ev a l i d i t yo ft h e r o a dm o d e l t h i sp a p e rp r o v i d e saf e a s i b l em e t h o df o re m b e d d i n gt h er o a dm o d e li n t ov p g t h er o a dm o d e l sw h i e l lr e f l e c tt h er o a dc o n d i t i o n si nc h i n a k e y w o r d s ：v i m m lr o a d ，a rm o d e l ，v p l 3 ii n t e r p o l a t i o n ，1 4v e h i c l em o d e l ，r o a dt e s t s i m u l a t i o n 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密 口， 本学位论文属于在年解密后适用本授权书。 不保密 学位论文作者签名：馘违，弋 指导教 $ f o 年6 月脓日2 口f o 年6 月7 2 日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本 人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 菘与，式 2 0 t o 牟占胃2 且 江苏大学硕士学位论文 1 1 本文研究的背景 第一章绪论 为了加快我国汽车自主研发的步伐，使开发的汽车产品适合中国国情，符合 中国的道路条件，国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 现代交通技术领域汽车 开发先进技术项目成立课题组中国典型汽车道路谱统计测量及应用系统开 发。江苏大学负责其中一个子课题的研究开发任务中国典型道路路面谱重构 理论与方法及其仿真验证研究。 中国典型道路路面谱重构理论与方法及其仿真验证研究这一子课题的主要 研究内容有：( 1 ) 负责华东地区( 山东省、江苏省、浙江省、安徽省和上海市) 的道路情况调查并提出具体路谱采集方案；( 2 ) 负责完成华东地区道路有关数据 的采集工作；( 3 ) 负责路面模型及典型道路路谱计算机仿真验证工作；( 4 ) 参加 其它地区的道路谱数据采集，参加数据处理、数据库建立、路面模型及道路谱重 构、专业应用软件编写、验证试验以及标准起草等工作。 子课题采取的研究方法，课题技术路线如下：首先，采集路段的选择，收集 华东地区道路数据，结合必要的现场考察，对这些地区道路进行分类和分析；利 用德尔菲法选择确定采样路段。其次，利用随机过程相关理论与方法研究中国典 型道路谱重构理论，基于谱等效方法建立道路谱重构方法；研究道路模型与汽车 虚拟试验软件v p g 、c a r s i m 和a d m a s 软件的接口技术，编制相应的接口软件，并 可视化路面模型；可视化路面模型的验证采取两种方法进行，这两种方法相互补 充。一种是将可视化路面的断面数据统计特性与实际道路谱进行对比分析，对可 视化路面模型进行验证；另一种是在虚拟软件中建立与道路谱采集样车对应的四 分之一汽车模型，并进行仿真，根据系统响应验证道路谱模型和重构方法；根据 其他协作单位台架试验结果进一步验证道路谱模型和重构方法。 本文主要针对第( 3 ) 、( 4 ) 方面的内容展开研究工作，负责虚拟路面重构及 其路试仿真研究。 江苏大学硕士学位论文 1 2 本文的研究意义 汽车平顺性和舒适性主要受到由路面不平度以及发动机、传动系和车轮等旋 转部件激发的汽车振动的影响，而路面不平度是汽车振动的基本输入，也是引发 汽车的振动主要来源【1 1 。 汽车产业的激烈竞争又要求在满足用户对产品使用性能要求的基础上，尽可 能降低汽车的开发成本和缩短新车的开发周期。所以，采用伴随计算机技术迅猛 发展而应运而生的虚拟试验场技术，在准确高效建立虚拟样车模型和路面模型的 基础上，进行车辆各方面性能的仿真分析及车辆与道路动态作用力的虚拟仿真分 析 2 1 经是汽车研发过程不可缺少的环节。 在虚拟仿真分析过程中，路面模型的建立是非常重要的一个部分，能否高精 度模拟现实路面状况成为影响虚拟试验结果的一个重要因素。而路面模型的建立 不仅要体现路面的微观不平度还要描述出宏观道路的形状。对于路面微观不平度 模型的研究比较充分，出现了功率谱分析模型、时间序列分析模型、分形分析模 型、小波分析模型等。对于宏观道路形状的研究，还没有引起汽车研究人员和软 件开发者们的重视。虚拟路面模型研究方面还缺少一个完整的可以根据实际情况 来生成随机路面模型的体系。目前，很多虚拟仿真软件大多集中到虚拟样机本身 的设计及性能研究上，而忽视了对虚拟样机运行的路面环境的合理描述。例如 v p g 软件中虽然内嵌1 1 种典型试验场路面模型，但仅局限于平直路面片段而没 有宏观道路形状，如弯道、坡道等工况。由此可见，研究创建复合三维虚拟路面 模型的方法，并嵌入到虚拟软件之中，对实现汽车实际路试过程模拟具有重要的 意义。 1 3 路面不平度的研究现状和趋势 由于我国汽车工业的发展和市场竞争的日趋激烈，各厂家在引进消化国外产 品和技术的同时越来越重视自主开发和技术能力的形成。为了提高产品竞争能 力，缩短开发周期，作为汽车产品开发和认证重要设施的试车场建设逐步受到重 视。早期的汽车试验场中道路模型的建立方法是对选定的实际路段的路面不平度 进行测量，然后在试车场内进行复制。随着对路面特性研究和认识的加深，发现 路面的不平度不管是总体能量及其能量的频率分布还是辙道间的相互关系都具 2 江苏大学硕士学位论文 有一定的统计规律。这就使得利用计算方法来数值模拟路面不平度成为可能。 近年来，无论是侧重实验研究和工程应用的道路工程领域还是侧重理论分析 和数值模拟的车辆工程领域，针对路面不平度的研究都在广泛的开展，并且也取 得了一定的成果【3 】。 1 3 1 道路工程领域路面不平度的研究现状和趋势 在道路工程领域，针对路面不平度的研究相对比较系统。道路交通事业的蓬 勃发展，特别是对车辆行驶高速、舒适、安全等方面的追求，促使道路工程研究 人员加大了对路面不平度的研究。 1 9 1 7 年美国联邦公司公路局用仪器测量道路不平度，这标志着国外开始了 对路谱的分析研究。自此之后的研究大致分为以下4 个阶段：1 ) 2 0 世纪2 0 年 代，研制了以车轴与车身之间的相对位移来反映道路的不平度特性的动力反应平 整度仪。2 ) 2 0 实际6 0 年代，美国各州公路工作者协会( a a s h o ) 进行了大量 路面不平度试验，提出了主观评价( p s r ) 来反映道路不平度的特性。3 ) 2 0 世 纪7 0 年代，发明可以测量道路的纵断面的路面不平度仪，并使用数值模拟的方 法得出若干不平度指标来反映道路的不平度特性。4 ) 2 0 世纪8 0 年代，巴西进 行了一项由世界银行自助开展的国际合作研究项目：国际不平度试验( ，n l e i n t e r n a t i o n a lr o a dr o u g h n e s se x p r e s s ，r a r e ) 。该研究确定采用参考平均校正坡度 ( r e f e r e n c ea v e r a g er e c t i f i e ds l o p e ，r a r s ) 作为标准不平度指标，并定名为国 际不平度指标( i n t e r n a t i o n a lr o u g h n e s si n d e x ，i 砒) 。 国内对路面不平度的关注始于2 0 世纪6 0 年代，其研究大致可以分为以下三 个阶段：1 ) 2 0 世纪6 0 年代，主要使用3 米直尺抽测的方法来评价道路的不平 度。2 ) 2 0 世纪8 0 年代，研制连续式路面不平度仪，其工作原理类似于3 米直 尺，只是机械化代替了人工操作，测量路面不平度特性的平整度指标基本相同。 3 ) 其它型式的路面不平度仪研制，1 9 8 5 年同济大学研制了新型的接触式真实路 形计；长春汽车研究所研制了q y 二z l 型真实路形计；1 9 8 7 年江苏沭阳公路工程 仪器厂仿制英国的颠簸累积仪；1 9 9 0 年长春汽车研究所和哈尔滨建筑工程学院 等单位共同研制了快速路形测定仪。 对于路面不平度的测试测量和试验分析，研究还不是很多，尤其是国内的研 究还比较少，因此改进现有的测量和集成精度更高的采集仪器将是未来研究的方 3 江苏大学硕士学位论文 向之一。 1 3 2 车辆工程领域路面不平度的研究现状和趋势 在车辆工程领域，针对路面不平度的研究主要集中在车辆的行驶平顺性、操 纵稳定性，以及乘客的乘坐舒适性与货物的平稳安全性。国际标准化组织( i s o ) 在2 0 世纪7 0 年代初，参照英国汽车工业协会推荐的以功率谱进行道路不平度分 级的方法，综合大量研究工作成果，制订了国际标准i s o s c 2 w g 4 。1 9 8 4 年， 该组织又在文件i s o t c l 0 8 s c 2 n 6 7 中提出了“路面不平度表示方法草案”。我国 车辆工程研究人员在总结国际研究成果的基础上，结合国内研究状况，由长春汽 车研究所起草，国家标准局制订了我国标准g b t t 0 3 1 2 0 0 5 机械振动道路路面 谱测量数据报告。国内外车辆工程学者在研究路面一车辆相互作用时，都不同 程度地参照上述路面不平度分级方法。 然而，实际测量的道路谱还不能直接应用，需要经过处理加工和再现后才能 有效地应用汽车试验和仿真分析中。国内外一些高校和研究机构开展了大量的路 谱再现研究工作，并取得了一定的成绩。目前使用的主要方法有：功率谱分析模 型、时间序列分析模型、分形分析模型和小波分析模型。 功率谱分析模型。一般路面的激励为随机过程，把路面纵剖面的随机数 据表示为频域的方式是提取路面内在信息的一种重要方法。对于不同等级的路 面，主要区别表现在粗糙度的不同，通常采用谱密度函数来大致表达不同粗糙度 的路面，以给出车辆系统的输入激励，然后通过功率谱密度函数再现路面不平度。 国内外最常用的方法主要有三角级数法、白噪声法和过滤泊松模型等。 ( 1 ) 三角级数法【4 】将路面不平度视为平稳随机过程，理论上讲，任意一条 路面轨迹可由一系列离散的正弦波叠加而成。假如已知路面频域模型，那么每个 正弦波的振幅可由相应频率的功率谱密度获得，相位差由随机数发生器产生。其 模型形式为： g ( f ) = 芝乒茹= 丙五历厕 ( 1 1 ) i - - 1 式中：日( f ) 时域路面随机位移； 哦叫0 ，2 刀】上均匀分布的随机数； q ( 厂蒯一) 睁功率谱的时间频率区间划分为n 个小区间，每个小区 4 江苏大学硕士学位论文 间的中心频率厶叫处的谱密度值。 ( 2 ) 白噪声法【5 期的基本思想是将路面高程的随机波动抽象为满足一定条件 的白噪声，然后经过适当变换而拟合出路面随机不平度的时域模型。其数学模型 为： q o ( t ) + t z v q o ( t ) = 岛 o = 1 ，2 ；j = 1 2 )( 1 。2 ) 式中：f 表示前、后轮激励输入点位置； ，表示左、右轮激励输入点位置； ( 1 d 1 ) 随机路面激励； 口与路面等级有关的常数； y 车速； 磊零均值的g a u s s i a n 随机过程。 上式是以白噪声品为输入，以滤波白噪声为输出的线性系统的随机微分方 程。由吼模拟的路面高程及其变化速率作为整车动力学微分方程的输入，可以 分别通过轮胎垂直刚度和轮胎阻尼系数作用而切入运动方程的激励项中。 ( 3 ) 过滤泊松模型：张湘伟【7 】对路面不平度的时域模型进行了比较系统地 研究，提出了路面不平度的过滤泊松过程模型： “) g ( 力= q ( 五缶，包) ( 1 - 3 ) 式中：q ( 功随机路面激励； ( 力区间x 内凹凸发生的个数； 第f 个凹凸的中心高度； 包第f 个凹凸在x 轴上的存在区间； 戋第f 个凹凸在x 轴上的起始位置； 似毒，龟) 在位置轰所发生路面凹凸的形状函数。 对于形状函数的选定，应根据实际路面的起伏。对于十分复杂的随机路面， 通常选择半正弦波形状函数。该模型在频率大于一定值后，能较好地逼近目标谱 密度，在频率为零附近效果较差。同时，张湘伟等还对路面不平度的二维模型进 行了研究阎，思路与一维情况基本一致。 5 江苏大学硕士学位论文 除了上述功率谱分析模型之外还有时间序列分析模型、分形模型以及小波变 换等方法。 时间序列分析模型【9 】是概率论与数理统计学科的一个分支，它是以概率统计 学作为理论基础来分析随机数据序列，并对其建立数学模型，即对模型定阶、进 行参数估计，以及进一步应用于预测、自适应控制、最佳滤波等诸多方面。该方 法在统计学上是完善的，有牢固的理论基础，有一套完整的程序化的建模方法。 在实际中，只能测到路面不平度的有限数据，利用时间序列分析的主要任务就是 根据观测数据的特点为数据建立尽可能合理的统计模型，然后利用模型的统计特 性去解释数据的统计规律，以达到控制或预报的目的。时间序列分析模型包括自 回归模型( a u t or e g r e s s i v e ，简称a r ) 、移动平均模型( m o v i n ga v e r a g em o d e l ， 简称m a ) 和自回归移动平均模型( a u t or e g r e s s i v ei n t e g r a t e dm o v i n ga v e r a g e m o d e l ，简称a r m a ) 。 分形理论【1 0 1 是现代非线性科学中一个重要的分支，是科学研究中一种重要 的数学工具和手段。分形作为一种新的数学概念被广泛应用于处理与分析具有复 杂细节特征的自然现象，它的主要价值在于它在极端有序和真正浑沌之间提供了 一种中间可能性。从一般意义上来说，分形维数是用来衡量一个几何集或自然物 体不规则程度的数，因此，分形维数值越高，反映的道路表面越平坦。分形几何 学中的w e i e r s t r a s s m a n d e l b r o t 函数( 简称为w - m 函数) 能够满足粗糙表面轮廓 上述数学特性，因此被广泛用于表征粗糙表面形貌的微观轮廓。 小波变换是一种时频分析方法【1 1 】，其基本原理是以小波函数认t - b a ) 为基函 数，通过变换将信号x ( 幻分解为不同频带的子信号，通过尺度因子a 的变化可以 观察信号的总体或细节。随着小波理论研究的不断深入，各国学者开始将其应用 到路面不平度的研究领域中并获得了良好的效果。长春大学的曲守平、张立军等 人【1 2 1 ，在路面不平度数值模拟基础上利用离散二进小波变换对路面不平度进行 了多层小波时域分析、统计分析和频域分析。北京理工大学的李晓雷和韩宝坤【1 3 】 运用小波变换方法，对车辆的振动响应与路面不平度的关系进行分析。根据路面 样本值，运用a r m a 模型建立路面不平度时间序列，并建立1 2 车辆平顺性模 型，将路面不平度时间序列作为输入，分析汽车的振动响应。结果表明，将小波 变换引入路面激励和汽车振动响应的分析中，可以清楚地了解信号的时频特性， 识别车辆振动响应与路面不平度的关系，从而可以通过路面特性分析车辆平顺性 6 江苏大学硕士学位论文 或由振动响应推断路面激励。 对于路面不平度的理论研究和数值模拟，其计算和分析方法已经比较成熟， 但这些方法都还存在一些缺陷，进一步简化算法、提高精度、拓宽应用范围也是 今后研究的一个方向。 1 4 虚拟路面的研究现状和趋势 1 4 1 虚拟样机技术 虚拟样机技术【1 4 】是在传统c a d c a m c a e 技术基础上发展起来的， c a d 删q 墟技术的重点是针对零部件的优化设计，而零部件的最优并不代 表产品性能的最优；虚拟样机技术则是对整个产品性能进行优化设计，能通过虚 拟试验精确、快捷地预测产品整机性能。 目前，国外虚拟样机已有一些通用系统，如m s c a d a m s 、v p g 、c a r s i m 、 s i m p a c k 等。已经可以考虑刚柔混合多体问题，并自动建立微分方程并求解， 这部分技术已经较为成熟，但多体与有限元部分尚未做到真正的集成。因此，统 一的集成环境成为研究的重点【1 5 1 。 近年美国工程技术合作公司在a n s y 刚l s d y n a 软件平台上二次开发推出 的虚拟试验场技术( v p g ) 1 6 1 ，即是一个对整车系统性能全面仿真实用软件的 代表。v p g 技术是汽车c a e 技术领域中一个很有代表性的进展，它以整车系统 为分析对象，考虑系统各类非线性因素，以标准路面和车速为负荷，对整车系统 进行通过性仿真，达到在产品设计前期即可得到样车道路实验结果的“整车性能 预测”的效果。为了在计算机上对汽车进行疲劳、n v h 和动力学分析，v p g 中 引入美国m g a 汽车试验场路面数据库提供了的1 1 种标准路面模型：交替摆动 路面( a l t e r n a t er o l l ) 、槽形路( p o t h o l et r a c k s ) 、鹅卵石路( c o b b l e s t o n et r a c k s ) 、 大扭曲路( b o d yt w i s tl a n e ) 、波纹路( r i p p l et r a c k s ) 、搓板路( w a s h b o a r d s ) 、比利 时石块路( b e l g i a nb l o c k ) ，用于汽车的各种性能试验。但反映真实路面状况的虚 拟路面还没有嵌入到汽车仿真系统中。 1 4 2 虚拟路面可视化技术 计算机辅助设计( c o m p u t e r a i d e dd e s i g n ，简称c a d ) 技术是近3 0 年来发展 起来的一门新兴技术。计算机辅助设计技术充分利用了计算机的高速运算、数据 7 江苏大学硕士学位论文 处理和绘图模拟等能力，不仅可以缩短工程的设计周期，减少设计人员的繁杂劳 动，而且能够提高工程质量，降低成本【1 7 1 。 在国外，计算机辅助设计技术应用与道路设计领域开始于上个世纪6 0 年代， 主要用来进行平面和纵断面的几何线形计算。7 0 年代，开始应用计算机辅助设 计进行平面和空间的选线，数字地面模型( d t m ) 也开始应用。8 0 年代，很多 国家已建立了由航测设备、计算机和专用软件组成的组合系统，能完成数据采集、 建立数字地面模型、自动计算、绘图和出报表。9 0 年代，逐步出现了道路计算 机辅助软件，比如德国的c a r d 1 系统、英国的m o s s 系统、美国的i n t e r g r a p h 系统等。二十一世纪初提出的基于三维空间进行设计的道路设计思想也在不断的 发展和完善中。 我国公路计算机辅助设计的研究始于7 0 年代后期。1 9 7 9 年，有关科研院所 和设计单位先后对公路的数字地面模型、纵断面优化技术、平面及空间线性优化 技术等进行了研究。8 0 年代末期和9 0 年代中期，线路计算机辅助设计技术从单 纯的数值计算分析发展为图形交互式自动设计，开发出一套完整的计算机辅助设 计系统，通过在用户界面下简单的菜单操作就可以实现线路纵断面优化，平、纵、 横断面设计、工程费计算，图形显示，数据修改和图形自动绘制。到9 0 年代中 期，国内已经能方便地获得供公路路线计算机辅助设计用的数字地形信息。1 9 9 6 年交通部公路规划设计院推出的“道路集成计算机辅助设计系统 及交通部第二 公路勘察设计院推出的“微机互通式立交i n c a d 系统”均达到了新的高度。但此 时道路线路三维可视化设计计算机辅助设计的研制才刚刚起步。2 0 0 3 年，中南 大学道路与铁道工程研究所结合湖南省科委课题“公路数字地形图机助设计系 统，开发了道路设计的动态实时的三维可视化系统【1 8 1 ，可以将三维可视化融入设 计过程f 1 9 1 。 武汉大学空间信息和数字工程研究中心的左小清和李清泉等人阳，以公路 设计数据为基础，讨论了地形、公路及其构造物的三维模型建立方法。针对公路 呈线性分布的特点，采用动态分段技术来组织管理路面三角形数据及道路属性数 据，并在三维环境下，对经典的二维线性参照系统进行扩展，使之能满足公路附 属设施三维模型的定位及其位置查询，并在具体项目中得到验证。 深圳市市政工程设计院的袁兴无【2 1 】，根据道路c a d 发展的实际出发，提出 8 江苏大学硕士学位论文 了道路三维可视化设计系统，对该系统的开发目标和功能设计进行了简要介绍， 并对系统开发中涉及的关键技术和关键方法进行了讨论，给出了可行的解决方 法。 1 5 本文研究的内容 ( 1 ) 研究v p g 中路面文件的组织形式，利用m a t l a b 编程实现路面 l s d y n a 路面关键字文件的自动生成，将路面文件导入v p g 中从而建立起路 面的三维有限元模型。 ( 2 ) 根据回旋曲线坐标公式或者利用m u l t i o u a d r i c 插值方法，在v p g 中 完成了弯道路面的建立。利用几何关系，推导了坡道路面坐标变换公式，并完成 了坡道路面的建立。 ( 3 ) 在v p g 中建立四分之一车辆模型，根据g b 僻7 8 3 1 9 8 4 汽车悬挂系 统的固有频率和阻尼比实验计算出弹簧的等效刚度和阻尼系数等参数值，并对 所建模型进行验证。 ( 4 ) 将虚拟路面和四分之一车辆模型结合起来，进行等级路面的路试仿真， 最后将仿真结果与实测结果进行比较和误差分析，从而验证整套系统的正确性。 1 6 本章小结 本章首先介绍了本文的研究背景和意义，然后综述了路面不平度和虚拟路面 的国内外研究现状和趋势，最后叙述了本文的主要研究内容。 9 江苏大学硕士学位论文 第二章v p g 中路面模型建造 路面模型的建立在汽车虚拟仿真试验中是非常关键的，能否以较高的精度再 现真实路面状况成为影响路试仿真试验结果的一个重要因素。 v p g 中的求解内核是l s d y n a ，因此路面模型的建造通过编写路面模型的 l s d y n a 关键字文件方法来实现的。关键字文件中包含了对路面模型的诸如材 料、单元划分、节点等属性的定义，而这些信息是以“关键字+ 参数”的格式在 l s d y n a 关键字文件中呈现的。l s d y n a 关键字文件的后缀一般为“k ，或者 “d y n 。每一个关键字都以“宰，开始，关键字中的参数数据段到下一个关键字的 开始为结束。因此文件中不能随意添加空格行，否则系统会给出错误提示，但是 用户可以任意增加以“$ ”打头的注释行。 2 1 关键字文件的框架 o k e yw 【) r d 关键字文件开始标识。所有的l s d y n a 关键字文件都是以* k e y w o r d 这 个关键字作为文件开始的标识，该关键字下没有控制参数。 宰，1 1 盯l e 文件的标题。该关键字下是文件标题内容，文件标题的内容是一个字符串型 的参数。 搴c o n t r o l o p t i o n 该关键字及其参数在整个有限元模型中可以定义很多的内容。具体的几个如 下： ( 1 ) c o n t r o l e n e r g y c o n t r o le n e r g y 为能量控制选项。主要包括四个参数：h g e n ( 是否 计算沙漏能) 、r w e n ( 删算阻碍能量耗散) 、s i 胍n ( 是否计算滑动接触界 面能量1 。 ( 2 ) 幸c o n t r o l c o n t a c t c o n t r o l c o n t a c t 为接触控制关键字。主要包括了诸如s l s f a c ( 接触 刚度) 、r w p n a l ( 罚函数因子系数) 、i s l c h k ( 接触面初始穿透检查) 等等的函 1 0 江苏大学硕士学位论文 数。 ( 3 ) c o n t r o l t i m e s t e p c o n t r o lt i m e s t e p 为时间步长控制关键字。适当的时间步长可以节约 模型的计算时间。其主要的几个参数为：d t i n i t ( 初始时间步长) 和t s s f a c ( 时 间步长系数) 。当计算不稳定时，可以减少该值，但同时将增加计算时间。 ( 4 ) 幸c o n t r o l t e r m i n a t i o n c o n t r o lt e r m i n a t i o n 主要是定义模型计算过程的总时间。 木p a r t o p t i o n p a r to p t i o n 为定义一个啪一个p a r t 应该包含一种材料和一个单元 类型的信息。其下的几个参数为p i d ( p a r t 的编号) 、s e c i d ( 单元类型的编号) 以及m i d ( 材料类型的编号) 。 幸s e c t i o n o p t i o n 定义有限元模型的单元类型关键字。可以将单元类型的属性定义为 s o l i d ( 体单元) 、s h e l l ( 壳单元) 以及t s h e l l ( 壳厚单元) 等等。其下的参数 e l f o r m 为单元算法选项，是用来选择单元算法的。 m a t o p t i o n 定义模型的材料属性的关键字。可以定义模型的材料为线弹性材料、刚性材 料等等，其下的参数主要为一些材料的属性参数，如r o ( 材料密度) 、e ( 弹性模 量) 、p r ( 泊松比) 、d a ( 轴向阻尼系数) 和d b ( 弯曲阻尼系数) 等等。 辜n o d e 主要用来定义有限元模型节点编号、坐标及其节点约束。包含的几个参数如 n i d ( 节编号) 、x 、y 、z ( 节点坐标) 、t c ( 定义节点的平动约束) 、r c ( 定义 节点的转动约束1 。 e l e m e n t o p t i o n 主要用于定义有限元模型的单元编号以及单元由哪些节点组成。主要参数 有：e i d ( 单元编号) 、p r o ( 单元丛书的p a r t 编号，相当于定义该单元的属性) 、 n 1 一n 8 ( 组成该单元的节点编号) 。 幸e n d 关键字文件结束标识。 江苏大学硕士学位论文 2 2 路面模型关键字参数设置 路面模型建立过程中l s d y n a 关键字就是按照上述的关键字文件大体框架 来编写的，具体的各关键字及参数的定义如下： ( 1 ) * t i t l e p pr o a d ( 或者其它名字) ( 2 ) * c o n t r o lo p t i o n 在该关键字中主要定义了模型的计算终止时间。具体的定义如下： $ e n d ti m e n d c y c d t m i n e n d e n g e n d m a s 5 ooo 0o 0o 0 ( 3 ) * p a r t o p t i o n 为了后续虚拟路试试验时定义接触等问题的方便，路面模型的建立定义了一 个p a r t ，具体参数段定义为： $ p i d s e c i dm i de o s i d h g i dg r a ya d p o p t t m i d l1l00000 ( 4 ) * s e c t i o n o p t i o n 本次路面建模中路面模型的单元属性定义为s h e l l 单元( 壳单元) 。并且将 壳单元的厚度定义为均匀厚度，则具体参数段的定义如下： $ s e c i de l f o r m s h r f n i pp r o p tq r i r i di c o m ps e t y p 111 0 0 0 3 0 0 01 0 0 0 0 00 1 $t 1t 2t 3t 4n l o cm a r e a 1 0 0 01 0 0 01 0 0 01 0 0 00 0 0 上述参数段中的t 1 、t 2 、t 3 、t 4 为壳单元厚度定义参数，都设为1 实现了 单位均匀厚度 ( 5 ) * m a t o p t i o n 路面模型建立过程中将路面材料属性直接定义为刚体，其参数段应以如下： $m i dr oe p r n c o u p l e ma l i a s 1 1 0 0 0 0 e 一82 0 7 0 0 00 2 80 0 0 00 00 0 ( 6 ) * n o d e 路面模型的建立过程中所依据的主要的数据是由路面不平度曲线的坐标提 江苏走学硕士学位论文 供的，并且需要在路面宽度方向上扩展，即上面所提到的二维高程数据。在得到 这些数据之后，就应该按下面格式编写关键字文件的* n o d e 关键字及其参数段。 $n i dx y zt cr c 1l o od 0 0 0 01 0 0o 0 0 0 052 1 7 0 0 21 0 0 0 0 0 0 02 0 0 o o 0 0 052 1 7 0 0 31 0 00 0 0 0 03 0 0 0 0 0 0 04 5 5 9 0 0 ( 7 ) * e l e m e n to p t i o n 上述* n o d e 关键字的编写得到的是节点号和节点的坐标，在* e l e m e n t 参数段 中要实现的就是如何将所有的节点按照一定的规律组成有限兀模型中的有限元 单元格，路面模型关键字文件中的* e l e m e n t 关键字参数段编写如下： $e i d p i d n ln 2n 3n 4 19 9 9 9128 38 2 29 9 9 9238 48 3 39 9 9 9348 58 4 2 3 路面不平度数据 2 3 1 路面不平度数据采集 道路不平度数据采集使用清华大学所研制的道路谱测量系统。该系统利用多 功能激光路面检测仪来测量路面不平度，并利用惯性系统进行校正，可以实现路 面不平度数据采集、处理和计算，其结构如图21 所示。 刚2 1 多功能激光路面检测仪 f i 9 2 1 m u l t i - f u m c d o n l a s e r d e t e c t i n gs y s t e m i o m a d - s u r f 批m ”g b n e 其主要部件为激光检测横粱，一般将其安放在汽车保险杠的前部，如图2 2 。 江苏大学硕士学位论文 检测横梁内粕置了5 个激光传感器和5 个角速度传感器。 激光器发出的准直光束照射到路面e ，路表面的散射光经光学接收系统成像 在光电器件c c d 上，路面的高低与像面c c d 上像点的位置 对应。根据光 学系统的物像关系可得： h 。面丽( s 忑- f ) 再2 x s i 万n w 面c o s a i 2 丽 2 - 1 ) 心一，p s i n w + ，2 ) c o s ( d 1 + 4 2 ) 式中：爿一路面相对于基准面的高度；，一光学接收系统的焦距；s 一系统 工作距离：r 像点位置小n x p ( p 为c c d 像元大小，n 为相对像几个数) ： a 一光轴与基准面法线的央角：a2 一激光束与基准面法线的_ 炙角；w 一像删蜘 角。 圈2 2 激光检测粱 f i 9 2 2l g s c l - d c t c 州o nb e a m 嘲2 3 激光测昔域理 f i g 23p r i n c i p l eo f i a s e r m e t 江苏大学硕士学位论文 从式2 - 1 中可以看出，由于各种因素的影响和加工误差的存在，激光探头在 加工、装配、调试完成后，每个激光探头的结构参数存在差异并对应一组结构参 数( 厂，s ，a 。，a ：，叻。激光探头的对应参数可以通过精密标定方法给出。当己知 ( s ，a 。，a ：，m 厂) 时，读取x ，就可通过式2 - 1 计算出路面的高低变化日。 2 3 2 路面不平度数据处理 在采集数据的过程中，由于车辆系统的振动及路面破损等一些偶然因素的影 响，必然会产生一些噪声信号。所以在数据使用之前，要对所测数据进行去噪滤 波处理，以去除噪声信号。在数据处理过程中，采用小波分析方法对实测数据进 行去噪滤波处理。 小波分析方法是一种新兴的信号处理方法，它在时间上和频率上都有很好的 局部性，这使得小波分析非常适合于时频分析，借助时频局部分析特性，小波 分析理论已经成为信号去噪中的一种重要的工具圈。小波去噪的基本原理如下： 一个含噪声的一维信号的模型可以表示为式2 2 。 s ( f ) = 厂( f ) + e ( f )o = o 工2 ，n 一1 ) ( 2 - 2 ) 其中， 为真实信号，删为噪声，s 为含噪信号。这里以一个简单的 噪声模型加以说明，即“f ) 为高斯白噪声n ( o , d ，噪声级为1 。在实际工程中， 有用信号通常表现为低频信号或较平稳的信号，噪声信号则表现为高频信号，所 以去噪过程可按以下方法进行处理。首先对实际信号进行小波分解，选择小波并 确定分解层次为n ；然后对小波分解的高频系数进行门限阈值量化处理；最后根 据小波分解的第n 层低频系数和经过量化后的i - - n 层高频系数进行小波重构， 达到消除噪声的目的。总体上，对于一维离散信号来说，其高频部分所影响的是 小波分解的第一层细节，其低频部分所影响的是小波分解的最深层和低频层。 小波去噪的方法主要有小波分解与重构法去噪和小波变换阈值法去噪两种。 通过对大量实际数据反复验证，选用了基于能量元和n e y m a n p e a r s o n 准则的新 阈值算法对实测数据进行处理。 2 3 3 数值模拟方法比较和选择 功率谱分析模型中三角级数法尤其适用于实测道路谱的时域模拟，该算法数 学基础严密，使用路面范围广，这对于在非标准道路和非等级公路上行驶汽车的 江苏大学硕士学位论文 平顺性研究具有重要意义。但此模型涉及大量三角函数运算，而这种运算在计算 机上相对来说是很慢的，因此计算时很费时。一般采用f f r 算法提高其计算效率。 白噪声滤波法是现代谱估计的逆过程，即由功率谱密度函数的拟合表达式设计形 成滤波器，对产生指定方差的白噪声序列进行滤波输出不平度信号。该方法物理 含义清楚，但受路面谱表达式的影响，形成滤波器设计较为困难，且当输