（车辆工程专业论文）基于adams的三维虚拟道路的重构及其平顺性仿真分析.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 路面不平度是汽车行驶时最主要的激励，对汽车的主要行驶性能有着直接的影响，是 车辆底盘各部件的磨损、疲劳失效的主要外力因素。因此，路面输入模型对分析研究汽车 性能的准确性有着根本的影响。用车辆模型模拟实际驾驶条件下的车辆的仿真分析中，如 何获取车辆行驶的路面信息，准确地反映实际研究的路面，建立合理的路面输入模型，在 软件中真实地再现三维虚拟道路模型就成为模拟的关键问题之一。 本文结合国家8 6 3 项目，基于汽车不平度实测数据，实现了基于虚拟样机软件a d a m s 的三维虚拟道路的重构，并实现了汽车平顺性仿真分析。 首先针对f t i r e 模型，利用试验方法获取该模型所需的参数，在a d a m s 中创建轮胎模 型。其次研究了路面不平度在a d a m s 中的表现形式，结合f t i r e 模型，提出了一种新的基 于规则栅格r e g u l a rg r i dr o a d ( 简称r g r ) 的组合道路，以及利用三维等效容积道路模 型，同时考虑了路形的变化，构建了虚拟路面。应用m a t l a b 语言编制了生成道路模型以 及与a d a m s 的接口程序，实现了三维虚拟路面的重构。应用m i c r o s o f tv i s u a lc + + ( 简 称v c + + ) 实现了与m a t l a b 的混合编译，创建了生成道路模型的应用软件。可便于用户直 接应用，建立需要的道路模型，也为今后建立a d a m s 软件中道路谱数据库提供了一种行之 有效的途径。并将三维虚拟道路的断面数据统计特性与实际道路谱进行对比分析，验证三 维虚拟道路的正确性。利用a d a m s 软件环境下建立的虚拟样机模型，进行仿真分析，根据 系统的响应验证模型的正确性。 关键词：路面不平度，f t i r e ，三维虚拟道路，重构，功率谱 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t r o a dr o u g h n e s st h a th a dad i r e c ti m p a c to nt h em a i nt r a v e l i n gp e r f o r m a n c eo ft h ev e h i c l e w a st h em a i ne x c i t a t i o ns o u r c eo fa u t o m o b i l ev i b r a t i o na n dw a sm a j o re x t e r n a lf a c t o r so fw e a r a n df a t i g u ef a i l u r eo fa l lc o m p o n e n t so ft h ec h a s s i s t h e r e f o r e ，t h er o a dm o d e lh a da f u n d a m e n t a li n f l u e n c eo nt h ea c c u r a c yo fa n a l y s i so fv e h i c l ep e r f o r m a n c e i nt h es i m u l a t i o n a n a l y s i so fv e h i c l em o d e ls i m u l a t i n gav e h i c l eu n d e ra c t u a ld r i v i n gc o n d i t i o n s ，h o wt og e tt h e r o a di n f o r m a t i o n ，t oa c c u r a t e l yr e f l e c tt h ea c t u a lr o a d , t oe s t a b l i s har a t i o n a lr o a d 哪m o d e l ， a n dt of a c t u a l l yr e p r o d u c et h et h r e e d i m e n s i o n a lv i r t u a lr o a dm o d e lh a db e c o m et h ek e yi s s u e s o ft h es i m u l a t i o n i nt h i sp a p e r , t h er e c o n s t r u c t i o no ft h r e e d i m e n s i o n a lv i r t u a lr o a dw a sa c h i e v e db a s e do n t h ea d a m sv i r t u a lp r o t o t y p i n gs o f t w a r eb yt h ea c t u a lr o a dr o u g h n e s sd a t aa n dt h ev e h i c l er i d e c o m f o r ts i m u l a t i o nw a sd o n e f i r s t , f t i r em o d e lp a r a m e t e r sw e r eo b t a i n e db yt e s tm e t h o d sa n dt h em o d e lw a sc r e a t e di n a d a m ss o f t w a r e i nt h en e x tp l a c e ，an e wc o m b i n e dr o a db a s e do nr e g u l a rg r i dr o a d ( r e f e r r e dt oa sr g r ) w a sp r o p o s e da n d3 de q u i v a l e n t - v o l u m er o a dw a ss e l e c t e dc o n s i d e r i n g t h e e x p r e s s i v e f o r m so fr o a d r o u g h n e s s i na d a m ss o f t w a r ea n df t l r em o d e l t h r e e d i m e n s i o n a lv i r t u a lr o a dw a sr e c o n s t r u c t e d ，c o n s i d e r i n gr o a dr o u g h n e s s t h e n ，r o a d m o d e la n dt h ei n t e r f a c ep r o c e d u r e s 丽t ha d a m sw e r eg e n e r a t e db ya p p l y i n gm a t l a b l a n g u a g ea n dt h er e c o n s t r u c t i o no ft h r e e - d i m e n s i o n a lv i r t u a lr o a dw a sa c h i e v e d t h eg e n e r a t e d r o a dm o d e la p p l i c a t i o n sw e r ec r e a t e db yt h ea p p l i c a t i o no fm i c r o s o f tv i s u a lc + + ( r e f e r r e dt oa s v c + + ) a n dt h em a t l a bc o m p i l e r rc o u l dn o to n l yb ea p p l i e dd i r e c t l yb yu s o rt oe s t a b l i s ht h e n e e dr o a dm o d e l ，b u ta l s oi tp r o v i d e da ne f f e c t i v ew a yt ot h es p e c t r u md a t a b a s eb a s e d0 1 1 a d a m ss o f t w a r ei nt h ef u t u r e t h r e e d i m e n s i o n a lv i r t u a lr o a d sw e r ev a l i d a t e db yv i r t u a l s t a t i s t i c a ls p e c t r a lp r o p e r t i e st h a tw e r ec o m p a r e d 丽t ht h ea c t u a lp o w e rs p e c t r u mo fr o a d t h e v i r t u a lp r o t o t y p em o d e lo fs i m u l a t i o na n a l y s i sw a su s e du n d e ra d a m ss o f t w a r ee n v i r o n m e n t ， a c c o r d i n gt ot h es y s t e mr e s p o n s et ov e r i f yt h ec o r r e c t n e s so ft h em o d e l k e yw o r d s ：r o a dr o u g h n e s s ，f t i r e ，t h r e e d i m e n s i o n a lv i r t u a lr o a d , r e c o n s t r u c t i o n , p o w e r s p e c t r u m 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，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密口。 学位做作者签名：严缳 加【o 年6 月f 0e l 指导教师签名： 为f o 年 秽唧 6 月厂。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： 严垒霞 日期：劢( o 年6 月f 0 日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1本文研究的目的和意义 虚拟样机技术可用于产品的概念设计阶段、设计细化阶段、试验规划阶段以 及工作状态再现等的全过程。对虚拟样机的性能在虚拟现实的试验环境中进行试 验分析，通过各种虚拟设备直接感受汽车的各种性能，对试验和分析中发现的设 计缺陷，及时进行虚拟样机的参数修改和优化，进而减少物理样机数量节约成本， 减少产品研发周期，缩短产品的上市时间。 汽车在行驶过程中，路面不平度作为引起汽车振动的激励源，主要影响汽车 的使用寿命和行驶平顺性： 1 ) 对汽车使用寿命的影响【1 】：路面不平度对车轮的激励将引起车身的垂直 振动和车架的扭转变形，从而导致车架等部件的疲劳而降低使用寿命。路面不平 度引起的汽车振动还使车轮的附着力变化，而导致牵引力、滚动阻力的变化，这 些变化将导致传动系扭转，影响传动系零部件的工作可靠性和使用寿命； 2 ) 对汽车行驶平顺性的影响闭：汽车的平顺性可由图1 1 所示的汽车振动系 统框图来分析。路面不平度和车速形成了对汽车振动系统的输入，此输入经过轮 胎、悬架、坐垫等弹性、阻尼元件和悬架、非悬架质量构成的振动系统的传递， 得到振动系统的悬挂质量或传至人体的加速度，此加速度通过人体对振动的反应 舒适性来评价汽车的平顺性。 输入振动系统输出评价指标 路面不平度汽车各种悬挂质量或人体对振动 车速弹性、阻尼传至人体的 的反应一一 元件与质量加速度舒适性 构成 图1 1 汽车振动系统框图 f i g 1 1t h eg r a p ho f a u t o m o b i l ev i b r a t i o ns y s t e m 总之，路面不平度的研究在汽车研究中占有极其重要的地位。路面输入模型 能否准确地反映实际研究的路面状况，对分析研究汽车性能的准确性有着根本的 影响。因此，对路面不平度的测量分析、统计特性研究及在试验室内模拟是进行 汽车振动响应计算、悬挂系统优化设计及进行汽车及零部件耐久性、可靠性、平 江苏大学硕士学位论文 顺性试验的基础。 可见，如何获取车辆行驶的路面信息，建立合理的路面输入模型，为虚拟样 机提供虚拟道路进行试验，是进行车辆振动系统平顺性分析和评价的关键。在用 车辆模型模拟实际驾驶条件下的车辆的仿真分析中，真实地再现三维虚拟道路就 成为模拟的关键问题之一。本文利用采集的实际道路不平度的高程数据，实现了 基于a d a m s 软件的三维虚拟道路的再现。便于以后建立a d a m s 软件中道路 谱数据库，使用户可方便的调用。 1 2 路面不平度的国内外研究现状 通常把路面相对基准平面的高度q ，沿道路走向长度，的变化留，称为路 面纵断面曲线或不平度函判3 】，如图1 2 所示。 q 上哟 一 v 、 t v 基准平面 图1 2 路面不平度曲线 f i g 1 2t h ec u i v o o fr o a d 加l u 百m e 懿 大量的测量分析结果表明，路面不平度具有随机、平稳和各态历经的特性， 可以用平稳随机过程理论来分析描述【4 】。通常把道路垂直纵断面与道路表面的交 线作为路面不平度的样本，通过样本的数学特征方差或功率谱密度函数 ( p o w e rs p e c t r a ld e 嬲i 锄简称p s d ) 来描述路面。均值为零时，方差可以反映 路面不平度大小的总体情况；功率谱密度函数能够表示路面不平度能量在空间频 域的分布，它说明了路面不平度或者说路面波的结构。 对于路面不平度的数字模拟，各国学者也进行了大量的研究。采用多种方法 生成路面不平度的时域模型，如：滤波白噪声生成法( 线性滤波法) 5 1 ，基于有 理函数p s d 模型的离散时间随机序列生成法网，根据随机信号的分解性质所推演 的谐波叠加法( 也称频谱表示法) 1 7 1 ，以及基于幂函数功率谱的快速傅里叶( f a s t f o u r i e rt r a n s f o r m a t i o n 简称f f t ) 反变换生成法【8 】等。 近年来，路面谱和三维路面的重构也受到国内外研究学者的广泛关注。1 9 9 8 2 江苏大学硕士学位论文 年，福州大学赵云、董炳武等人通过理论分析和实际路面的测量，阐述了直接在 汽车车桥上安装传感器测量路面谱的一种简便方法，并通过与用五轮仪测量路面 谱方法的结果对比，得出了此种方法在一般汽车性能试验中的实际应用价值【9 1 。 1 9 9 9 年，吉林工业大学研究路面谱室内再现方法，用路面谱密度构造出滤波器 传递函数，使随机响应的自谱逼近于实际路面谱，实现路面谱的室内再现 x o l 。2 0 0 3 年，中南大学的蒲浩、宋占峰等人提出了一种将道路设计面模型与地形表面模型 融为一体的整体模型构建方法。该方法基于在约束d e l a u n a y 三角网内插入点和 约束边的理论，实现了道路设计面与地形表面的整体建网【1 1 l 。2 0 0 5 年，蒲浩、 宋占峰等入深入研究了一种建立道路三维模型的方法。依据道路设计成果计算出 道路模型与地形模型的拼合交线和约束边将初始三角网调整为约束d e l a u n a y 三 角网，由此得到外观与内部拓扑关系均为整体的道路三维模型【1 2 1 。同年，华中科 技大学在仅有电子版道路平面图、纵断面图和横断面图的基础上，应用a u t o c a d 的v b a 开发技术，完成了模型的自动建立，介绍从平面图和横断面图建立三维 模型的方法旧。2 0 0 6 年，吉林大学利用a d a m s 软件再现三维虚拟路面。将路 面节点连接问题简化为投影平面内点集的不规则三角形网格连接，依据d e l a u n a y 算法进行求解【1 4 1 。2 0 0 7 年，周晓青、颜利、孙立军对国际平整度指数i r i 与路 面功率谱密度的相关关系进行了研究。将路面不平整度假设为随机平稳变量而作 为四分之一车模型的激励，由响应统计特性建立国际平整度指数i r i 与簧上质量 的功率谱密度均方值之间的线性相关关系，从数值上验证两者之间的线性相关关 系【1 5 1 。2 0 0 9 年，武汉理工大学徐占、过学迅、汪斌在介绍路面功率谱密度理论 的基础上，引入了重构路面不平度的核心算法一谐波叠加法，并基于g u i 开 发了标准路面谱重构软件【1 6 1 。 1 3 本课题的主要研究内容和方法 本文作为国家“8 6 3 ”重点项目中国典型汽车道路谱统计测量及应用系统开 发研究内容的一部分。重点研究根据实测的道路的三维不平度高程数据在 a d a m s 环境中再现三维虚拟道路理论与方法，为汽车行业运用中国汽车道路进 行汽车动力学仿真奠定基础。 1 ) 研究了f t i r c 模型参数获取的试验方法； 3 江苏大学硕士学位论文 2 ) 研究了a d a m s 中虚拟路面的表达方式和方法； 3 ) 研究了在a d a m s 中构建综合路形和路面不平度方法，实现了虚拟道路 的再现，并进行了精度分析。 4 ) 利用优尼柯( n j l 0 2 0 ) 虚拟样车，结合所构建的道路，实现了平顺性仿 真分析。 4 江苏大学硕士擘住论文 第二章f t ir e 模型 轮胎是汽车重要的部件，是车上唯一与路面接触的部位。它的结构参数和力 学特性决定着汽车的主要行驶性能。轮胎所受的垂直力、纵向力、侧向力和回正 力矩对汽车的平顺性、操纵稳定性和安全性起重要作用。因此，轮胎模型对车辆 动力学仿真技术的发展及仿真计算结果都有很大的影响，对车辆模拟实际驾驶条 件下的仿真分析是至关重要的。但是，由于轮胎具有结构的复杂性和受力的非线 性，轮胎模型的建立一直是国内外学者研究讨论的重点和难点。选择符合实际又 便于使用的轮胎模型是建立虚拟样车模型的关键。本章主要是根据课题的需要和 所应用环境软件为a d a m s ，选择合适的轮胎模型。 21f - f i r e 模型( f l e x i b l er i n g3 3 r em o d l e ) f r u t 模型是由德国e s s u 噼n 大学的m i c h a e lg j 掣领导的小组开发的。从 名字可以看到它是基于柔性环模型，即它从本质上来说是一个物理模型。f 1 恤 模型发布在虚拟样机软件a d a m s 之中，引起了广泛的关注和讨论。它是兼顾了 仿真精度和仿真速度的2 5 维非线性轮胎模型。自a d a m s1 1 0 版本后，f l i r t 模型作为m s ( 3 官方推荐的用于车辆的平顺性、耐久性以及操纵性仿真分析的轮 胎模型。f l i r t 模型简化嘲如图2 1 所示。 翻2 1f n ”模型简化表示图 f 培2 1f r j i e m o d e ! 斑叩l 擅甜m p n 辩- a t a f i o a d i a g r a m f t h 模型的主要结构特征及特点【l 田 1 9 1 1 2 0 有以下几点： 1 1 弹性环不仅能描述轮胎的面内振动也能描述轮胎的面外特性。胎体沿 着圆周方向离散，需要时也可在胎体宽度方向离散，胎体单元之间用弹簧相连， 江苏大学硕士学位论文 在每个胎体单元上有一定数量的胎面单元； 2 ) 轮辋与轮胎用径、切、侧3 个方向的分布弹簧相连； 3 ) 轮胎的自由半径和弹簧的刚度随着轮胎转速的变化而改变； 4 ) 采用了复杂非线性的模型描述胎面橡胶的摩擦特性，即摩擦系数为压力 和滑移速度的函数； 5 ) 可用于短波不平路面，即适应的波长小于轮胎接地印迹长度一半的障碍 物； 研具有完全的非线性； 乃频率可高达1 2 0 i - i z 1 5 0 i - l z ； 8 ) 所用计算时间为实时的5 , - - , 2 0 倍； 鲫测取轮胎的模态参数时要求轮辋固定； 1 0 ) 通过单个障碍物可获得非常高的精度； 1 1 ) 适用于轮胎误用、轮胎失压等极端情景； 1 2 ) 对于轮胎的稳态特性有足够的精度。 和其他的轮胎模型相比，f i r l r c 模型不需要复杂的道路数据的预处理，只需 提取和分解不规则路面，甚至是非常高和锋利的障碍物。表2 1 为虚拟样机软件 a d a m s 的所有轮胎模型的适用工况f 1 9 1 。可用是指该轮胎模型可以使用，但是效 果不是很好；适合指使用该轮胎模型可达到很好的效果。 表2 1 轮胎的适用工况 t a b 2 1o p e r a t i n gc o n d i t i o no ft i r e s 中国典型汽车道路谱统计测量及应用系统开发的项目对轮胎模型有很高 的要求，选取f t l r e 高分辨率的物理模型为本课题最合适的轮胎模型。 6 江苏大学硕士学位论文 2 2f 1 n r e 模型参数的获取 近年来f t i r e 模型已成为应用越来越广泛的轮胎模型，在仿真轮胎平面内特 性方面具有较高的精度，但是该模型需要获取几何、质量、静刚度等诸多参数， 使用时要求用户对该模型有相当的了解，并能正确测取参数。在本章中针对优尼 柯( n j l 0 2 0 ) 车型，通过试验方法创建该车型的f t i r e 模型。通过直接测量和试 验的方法获取轮胎的基本参数，建立了子午线轮胎的v 1 3 r e 模型。该模型不仅适 用于车辆操纵稳定性和平顺性的研究，同样适用于轮胎接地印迹的计算以及轮胎 磨损的相关研究，还可以对轮胎与地面接触部位的受力进行分析。 2 2 1f 1 n 怕模型的基本参数 f t i i e 模型所需的参数【1 9 l 如下： 1 ) 几何参数包括轮胎和轮辋的基本几何尺寸。 轮胎的断面宽度、高宽比、轮辋直径、负荷指数、速度符号这些参数可以直 接从轮胎的型号【2 1 】中获得。 例如： 1 7 5 7 0r1 38 2h 速度级别代号 负荷指数 轮辋名义直径( i n ) 子午线结构代号 名义高宽比 名义断面宽度 轮胎的自由半径、轮辋的轮缘高度直接可通过米尺或游标卡尺测量；轮缘高 度的名义值和轮辋标定宽度即两轮缘内侧之间的距离，可以通过轮辋轮廓检验样 板获得【2 2 1 ；钢丝层到凹槽底部的橡胶厚度、胎肩宽度、胎肩深度、带束层横截面 的曲率半径( 中面) 直接从轮胎供应商获得。 2 ) 质量和转动惯量一质量可以直接通过台秤称重，转动惯量通过3 线摆 嗍1 2 4 1 瞄嘲取。 3 ) 胎面花纹参数一胎面的绍氏硬度通过标准的绍氏硬度计直接测量；轮 7 江苏大学硕士学位论文 胎花纹平均凹槽深度可通过游标卡尺测量轮胎胎面的同一横截面内的几个主花 纹沟的深度。 4 ) 考虑花纹的作用，实际接地面积占接地印迹面积的百分比，直接测量实 际接地面积和接地印迹面积。( 印痕面积是指静态轮胎在垂直负荷作用下，胎面 行驶面压在刚性平面上的投影面积；接地面积是胎面花纹在刚性平面上压印的面 积。) 5 ) 胎面宽度负荷指数( 4 7 5 k g ，4 6 5 5 n ) 下、无外倾角的正常行驶条件 下的胎面与路面的接触宽度，使车正常行驶过一堆白灰或白纸，测量其接触宽度。 6 ) 轮胎胎面的摩擦特性参数一通过不同压力和滑移速度下胎面橡胶的摩 擦特性试验【2 q 获得。 7 ) 滚动周长可通过三种方法获得。 8 ) 轮胎静刚度试验【2 7 l 一静垂向刚度通过测量轮胎的垂直位移载荷特性 曲线获得。 9 ) 轮胎模态参数一通过轮胎的模态试验【2 8 】例获得。 2 2 2 滚动周长 滚动周长通过试验测得，在条件为6 0 k m h 、外倾角为0 、无滑移、垂直方向 上加载到最大载荷的一半时，测取轮胎滚动一整圈所覆盖的距离。g b t 1 9 3 8 8 2 0 0 3 p 0 1 规定了轿车轮胎在负荷条件下，测量滚动周长的试验方法转鼓 法和车辆道路试验方法。 转鼓法是将试验轮胎轮辋组合体装于从动轴上，压在一规定直径的转鼓上， 并施加负荷。滚动周长的值由特定的速度确定。记录轮胎和转鼓的转动圈数，将 这些数据代人公式( 2 1 ) ，计算出轮胎的滚动周长。 q = 2 相等 仫1 ) 其中c ，轮胎的滚动周长； 虬转鼓的转数； t 轮胎的转数； r 转鼓半径，单位为毫米( m m ) 。 8 江苏犬学硕士学位论文 车辆道路试验方法是在沥青或水泥混凝士铺砌的，具有中等粗糙度的，且笔 直、平坦和干燥的道路上，以6 0 k m h 恒定的速度驾驶在驱动轴上安装有试验轮 胎的车辆。记录轮胎通过段经准确测量的距离时所发生的整圈转数和非整圈转 数。由试验道路的长度除以测出的转数，并乘以1 0 0 0 计算得出轮胎的滚动周长， 将计算值修约为最接近的整数。其中试验道路的长度用m 表示，轮胎滚动周长 用m 表示。 以上两种试验办法，根据实际的情况，选择其一。还有另外一种估算方法闭， 欧洲轮胎与轮辅技术协会( e t r t o ) 推荐用公式( 2 - 2 ) 来计算滚动周长。 cn=fd(2-2) 其中，d 为轮胎的自由半径：f 为计算常数，子午线轮胎f = 3 0 5 ，斜交轮胎 f = 2 9 9 。 2 2 3 轮胎静态的径向刚度试验 轮胎静态的径向剐度通过测量轮胎的下沉量径向力特性曲线获得，需要测 量两个变形下( 1 0 m m 和2 0 衄) 的垂直载荷。首先通过汽车轮胎道路旋转测试 台q l s - 3 0 将轮胎固定，如图2 2 所示，对轮胎充气至2 2 0 k p a 。施加垂直载荷( 范 围是5 0 0 5 0 ( 0 n ，从5 g o 开始，垂直载荷每增加5 0 0 n ，采集出轮胎的下沉量) ， 根据轮胎的下沉量和施加的载荷拟台出下沉量径向力特性曲线，如图2 3 ，从 而求出轮胎静态的径向刚度和两个变形下的垂直载荷。 图2 2 静态径向刚度试验 f g 2 2s t a t i cr a d i m “自t e s a n g 江苏大学硕士学位论文 图2 3 静志径向刚度特性曲线 f 醵2 3 s t a t i c f a 凼l 蚰血嘲c h a r a c t e l i s 血值t l v e 2 2 4 轮胎的模态试验 对轮胎充气至2 2 0 l 口a ，再将轮辋固定在台架上，采用单点涮量多点激励( 见 图2 4 ) 的方法。首先将轮胎沿圆周方向十等份，分别沿胎面径向、侧向两个方 向，用力锤对轮胎的十等分点分别进行激励，通过三向传感器( 朋c 伽b 2 1 ) 测取轮胎的振动响应，分析得到轮胎的模态振型和模态频率。 图2 4 轮胎模态试验 聊0 f i i e m o d a l t e s t 在轮胎模态试验中，力锤的锤击方向分别为沿轮胎径向和侧向1 1 9 1 ，如图2 j 所示。一般用于轮胎模态试验的锤头较硬。若安装在轮胎上的传感器均为单向传 感器，在改变力锤的锤击方向后，传感嚣也需要重新安装，确保传蓐器的方向与 江苏太学硕士学位论文 锤击方向一致。 o 謇 图2 5 力锤分别拾径向和侧向敲击 f , 9 2 5 h a m m e rs t r o k e m 印v e l y ，a l c 日g t h e l a d i a la n d l a t e r a l 通过试验得到的激励力和振动加速度的响应可以求得频响函数如图2 7 ，曲 线的峰值频率对应轮胎相应模态振型的频率。模态参数识别可识别出轮胎的面内 0 阶转动、面内1 阶错动、面外0 阶平动、面外1 阶转动、面内2 阶弯曲和面外 2 阶弯曲等模态振型及相应的模态频率。对于单个信号数据，常使用三种方法进 行阻尼测试，包括时域衰减法、半功率带宽法和i n v 阻尼计法。上述轮胎的六 种模态振型【捌分别与图2 6 中所示的1 _ 6 种轮胎振型相对应。 0 0 羹鼋+ ：3| 圈2 8 轮胎振型 e i 9 2 6 t i m v l b r m i o f l m o d e l 围2 7 鞭响函戤曲线 f i g 2 7 台e q 嘴n c y n * p o n s e 如删o n c 岬e 轮胎模态试验的数据处理采用五次试验数据取平均，求得轮胎的模态振型与 江苏大学硕士学位论文 相应的模态频率，如表2 2 所示。 表2 2 轮胎模态参数 t a b 2 2t i r em o d a lp a r a m e t e r s 将轮胎的几何尺寸、质量参数、刚度参数等试验数据写入f t i r e 模型文件中， 从而建立优尼柯汽车轮胎1 7 5 7 0 r 1 3 的f t i r e 动力学模型。f t x r e 模型的建立方法 不同于传统的轮胎模型，如果试验条件具备，其参数获取更为方便。对各种不同 类型轮胎，建立f t t r e 模型的方法是一样的。 2 3 本章小结 本章首先介绍了f t i r e 模型的主要结构特征及虚拟样机软件a d a m s 的所有 轮胎模型的适用工况。选取f t t r e 高分辨率的物理模型为本课题最合适的轮胎模 型。并通过测量和试验( 轮胎静态的径向刚度试验和模态试验) 的方法获取轮胎 模型的几何参数、刚度参数以及模态参数等，建立子午线轮胎f y l r c 的动力学模 型。 江苏大学硕士学位论文 第三章基于a d a m s 的三维虚拟路面的重构 3 1 虚拟道路模型 3 1 1f 1 1 旧模型支持的道路模型 f i h e 模型可应用于很多平台，如a d a m s 、s i m p a c k 、m a t l a b s i m u l i n k 、 c o s 刀m 田b s 、v j m u a l l a bm o d o n 、f e d e m 等。f n r e 模型支持的路面模型也很多， 主要有【3 1 1 ： 1 ) a d a m s 软件中所有的础路面文件，包括基于弧形中心线的所有二维 路面、三维路面，及3 d 等效容积路面； 2 ) r g r 路面文件( 规则的栅格路面) ； 3 ) 所有c o s i n e v 路面模型，包括大量被参数化的障碍定义的路面文件和 三维空间的试验场地。 这些路面模型可在f t i r c 模型所支持的所有仿真环境中使用，且不需要单独 的许可证。但是，以下的路面模型需要各自软件的安装环境和许可证。 1 ) a d a m s 软件中所有的x m l 路面文件； 劲所有的s i m p a c k t m 路面模型； 3 ) 所有由t y d e x s 1 1 给出的标准道路格式文件； 4 ) 口g 路面( r a g 汽车公司提供的) ； 5 1u r m 道路( 利用简单的程序编程的道路模型) ； 国用户自定义的模型。 3 1 2f 1 1 怜模型支持的a d a m s 道路模型 f t i m 模型在仿真分析中具有较高的精度，但是该模型所需参数很多，使用 时要求用户对该模型有相当的了解，正确测取参数，需要的费用很高，所以一般 使用在很复杂的三维不平路面上。由于f t i m 模型是高分辨率物理轮胎模型，需 要每秒数百万次对路面作出响应，为了实现空间和时间分辨率，道路模型的选择 很重要。针对采用的仿真应用环境为a d a m s 软件，选择的三维道路模型主要有 江苏大学硕士学位论文 以下三种： 1 1 3 d 等效容积路面l 竭( 3 d e q u l v a l e n t - - v o l u m e ) 该道路模型是由一系列的空间三角平面组成的三维路面，如图3 1 所示，图 中的路面片段有六个节点通过1 巧号节点定义4 个三角形路面单元。 a d a m s t n - e 要求用户在设定3 d 等效容积路面时，首先在道路参照坐标系中指 定每个节点的坐标，然后对每个三角形路面单元指定3 个节点和该路面单元与轮 胎间的摩擦系数。主要参数包括路面节点数量，构成三角单元的每个节点的坐标 及其节点序号和坐标点集的连接关系，及其轮胎与路面间的静、动摩擦系数。 图3 13 d 等效容积路面 f l g 3 13 de q u i v a l e n t - v o l u m e 3 d 样条道路p 习( 3 ds p l i n er o a d ) 3 d 样条道路是由道路的中心线根据道路宽度和横断面倾角等展开的整个路 面，如图3 2 所示。借助于3 d 样条道路可使汽车模型适用于许多种类的三维平 滑路面，如停车场和赛道等。所谓的平滑路面是指道路的曲率远远小于轮胎的曲 率。 图3 23 d 样条道路 f i 9 3 2 3 d s p l i n e r o a d 3 1 规则网格的组合道路l 蜘 在a d a m s 仿真环境下，将规则的栅格r g r 路面与3 d 样条道路相结合使 用的，可生成带有弯曲中心线的道路。所谓的规则的栅格r g r 路面是数据点在 z 和y 方向上都是等间距分布的，x 为道路纵断面的前进方向，y 为z 的法线方向， z 为道路的垂直高程方向。如图3 3 所示。 江苏大学硕士学位论文 图3 3 规则栅格r g r 道路 f i g 3 3r e g u l a rg r i dr o a d 规则栅格的数据定义是通过z 方向上的最小值x m i n 、栅格间距缸和栅格节 点数目n x 与y 方向上的最小值y m i n 、栅格间距缈和栅格节点数目n y 、，以及栅格 节点的z 值实现的。z 值可通过公式( 3 1 ) 表达： = 她，坛) ( 3 1 ) 此b 寸，x j = 毛血+ o 一1 ) “，y k = y 血+ ( 七一1 ) a y 。 气值以下面的序列排列保存： 毛1 ，五2 ，乞1 ，锄，z n x l ，z n x 2 ，气 3 d 等效容积道路和3 d 样条道路在应用软件a d a m s 中已经得到广泛地应 用。组合道路主要是针对f t l r e 模型而提出的道路模型。将三种道路模型进行对 比分析可知： 1 ) 3 d 样条道路只需要确定中心线上的较少的数据，但能较形象的反映实际 路形； 2 ) 3 d 等效容积路面能较具体的反映复杂三维路面的微观形状，能充分利用 所采集的道路不平度的高程数据； 3 ) 组合道路集3 d 样条道路与规则的栅格道路的优点于一身，即能形象的反 映实际的复杂路形，又可充分利用所采集的道路高程信息，具体的反映三维路面 的微观形状。 为了充分利用所采集的大量的道路的不平度高程数据，3 d 等效容积道路和 组合道路模型是较好的选择。 江苏大学硕士学位论文 32 路面不平度的高程数据 3 21 路面不平度的高程数据的采集 不平度的高程数据是应用激光传感器和垂直加速度传感器组合成的惯性参 照道路纵断面剖面检测系统采集的，检援4 仪整体外观参照图3 4 。多功能激光路 面检测仪是本测量采集系统的核心，它主要完成对道路起伏状况的采集处理和计 算，其结构如图3 5 所示。在采集道路谱数据的过程中，需注明采集路段的位置 信息以及车辆行驶的车道信息，以确保数据的准确性。 圈34 检测仪整体和检测传感器箱体外观照 f 培3 4 m e o w m l l8 呷e a r 柚c eo f d e t e c t o r a n d 储d 日g n $ o r ， ，、 、 一； 猫穗触黼播翳蛹攀* 嗍晰， 图3 5 多功能激光路面检测仪结构图 3 5r o 耐d e b 断o f m 叫d 血n c t i l 栅 3 2 2 路面不平度的高程数据的插值处理 考虑所采用f 伽模型的包容特性，需确定所能识别的道路阃距但由于给 定的三维路面的数据的问距是恒定的，需要对三维数据进行插值处理。利用 m 加l a b 提供双三次多项式的插值处理方法，对路面不平度进行插值。图3 6 为不平度的原始三维数据，图3 7 为采用双三次多项式插值后的三维数据图。 江苏大学硕士学位论文 。 、。，0 。0 过辫。 图37 插值后的三维数据 f 培3 j 妇* 也眦璐i o n a l 蛔锄p o l g b d a t a 3 3 三维等效容积道路的重构 直接用插值处理后的三维数据编写的路面只是平直路，并未考虑路面的弯 曲、坡道和横断面的倾角，不能代表真实的路形。所以需要加上路形，再现真实 的三维虚拟道路。 在公路建设中，平面图、纵断面图与横断面图所含的信息已完全满足三维数 据的要求，依靠这三套图纸，即可确定道路的三维形态。因此，可以分别从平面 图、纵断面图与横断面图上考虑路形信息( 弯道、坡道和横向倾角) ，进行三维 虚拟道路的重构。 在三维空间坐标系习2 中。x 轴正向为道路纵向上的前进方向，y 轴为道路 的横向方向，：轴为道路的垂直方向。先通过路线测设过程中所取的控制点，用 数学曲线函数模型( 最小二乘_ j 击函数法p l o y f i t ) 对其进行拟台，生成一条满足约 束条件的路面的光滑中心曲线，然后沿曲线前进方向求算间隔点。再依次考虑水 平掣面内的弯曲、纵向髓面内的坡道和横向f 面内的倾角。借助于m a t l a b 江苏大学硕士学位论文 语言编写出c r e a t e r o a d m 文件，创建三维等效容积道路模型，流程见图3 8 所示。 路面测设过程中的控制点 u 控制点用数学函数曲线拟合 u 满足约束条件的路面的中心曲线， 并沿曲线前进方向求算间隔点 u 水平叫面内的弯曲 ! j l 纵向澎面内的坡道 j l 横向弦面内的倾角 u 三维等效容积道路模型 3 3 1 空间中心曲线的确定 图3 8 流程图 f i g 3 8p r o c e s sf i g u r e 根据最大坡度值选取纵向坡道上的控制点，公路坡度有国家标准【3 q ，各级公 路的最大纵坡，如表3 1 所示。在海拔2 0 0 0 米以上或严寒冰冻地区的山岭、重 丘区四级公路，最大纵坡应不大于8 。各级公路的长路堑路段，以及其它横向 排水不畅的路段，均应采用不小于0 3 的纵坡。 表3 1 公路的最大纵坡 t a b 3 1m a x i m u m l o n g i t u d i n a lg r a d i e n to fh i g h w a y 本课题采集的是能代表中国实际情况的平原地区公路的不平度高程数据，参 1 8 江苏大学硕士学位论文 考国家的公路标准取最大纵坡度为5 。根据最大坡度值选取纵向坡道上的控制 点，考虑控制点的数目较少，对控制点进行样条插值。通过最小二乘法对其进行 拟合，生成一条满足约束条件的光滑路面的纵断面内的中心曲线，并通过数学工 具求出此中心曲线的弧长。加上路形后的道路总长度应该不变，因此道路中心线 的弧长应与道路的总长度相等，且纵向道路的两个端点的斜率应相等( 以保证整 个道路纵向上的任何线段的长度与中心线相等) ，再根据测量的道路的端点坐标 值，便可以通过数学工具求出水平弯道的中心曲线。整个道路的空间中心曲线就 通过纵向的坡道曲线和水平弯道的中心线唯一的确定。将空间中心曲线等间距的 分割，以保证两点间的弧长正好等于原始数据在工方向上的间距敏，沿曲线前 进方向求算出间隔点的坐标( 加，y o , z o ) 。最后依次考虑水平夥面内的弯曲、纵 向愆面内的坡道和弦面内的横向倾角，以真实地再现三维虚拟道路。 3 3 2 水平弯道 在道路的水平面内，根据水平弯道的中心线及其上的一系列点的坐标 ( x 0 , y o ) ，再现夥水平弯曲的路面。通过数学工具求出中心线上的一系列点 ( 加，) ，o ) 的法线方程，依次求出这一系列法线方程上的点，并保证法线上的相邻 点的距离为原始数据在y 方向上的间距每，得到道路水平面内的其他的对应点 的坐标( 而) ，) ，将所有的坐标值( m y o ) 与伍) ，) 组合，生成整个水平弯道面内的 点集( 石，y ) 。然后将所有坐标点( 石，】，) 连接成三角网格，编写3 d 等效容积道路 模型，如图3 9 所示。 图3 9 水平弯曲道路的俯视图 f i g 3 9t o pv i e wo fc u r v e dr o a do nh o r i z o n t a lp l a n e 1 9 江苏大学硕士学位论文 3 33 纵向坡道 在道路的纵断面上，根据纵向坡道的中心线及其上的一系列点的坐标 ( x 0 , z 0 ) ，井将此中心线平铺，以求对应水平面内点( x , y ) 的z 值，即得到( x , z ) ， 再现x z 纵向坡道路面。通过数学工具求出中心线上的一系列点( 砷，2 0 ) 和( x , z ) 的 法线方程，依次求出这一系列法线方程上的点，并保证法线上的点与对应点的距 离为原始数据的不平度高程数值，即在法线上分别取对应的高程为距离，求出对 应高程的那点的实际坐标z 值。把上面编写的3 d 等效容积道路文件中的高程值 替换成z 值就得到了带有坡道的弯曲道路，如图3 1 0 _ 3 1 2 所示。 图31 0 带有坡道的弯曲路面整体图 f i 9 3 1 0 0 v e r a l l v i e w o fr a m p t a t r v e d m a d 图31 1 带有坡道的弯曲路面的纵断面视图 f i 9 3 1 1 l o n g l t u d i n a l v i e w o fr a m p c u e dr o a d 喇31 2 带有坡道的弯曲路面的纵断面局部故人图 f i 9 3 1 2 l o c a le n l a r g e m e n t o f l o n g i t u d i n a lv i e w