基于分形理論的路面不平度分級與模擬研究.pdf

1、路面不平度涉及人、車、路三方面的因素。在車輛工程研究領(lǐng)域，路面不平度是車輛運行環(huán)境中的主要因素，是車輛行駛的主要激勵和振動源，路面不平使車輛在行駛中產(chǎn)生行駛阻力和振動，行駛阻力消耗車輛的功率并且影響車輛動力系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)的壽命，而在路面沖擊下產(chǎn)生的振動，則直接影響了車輛平順性、乘坐舒適性、操縱穩(wěn)定性、車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，路面不平度也是國內(nèi)外路面工程質(zhì)量的評定指標(biāo)之一，不平度檢測貫穿于路面施工質(zhì)量檢測、評

2、定、驗收及運營期路面質(zhì)量檢測維護等環(huán)節(jié)。研究分析路面不平度、對其進行合理的評價與分級、建立路面輸入模型對車輛工程和道路工程領(lǐng)域均具有重要意義。
　　 本文針對當(dāng)前路面不平度分析、模擬和分級研究的現(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方法、路面不平度分形模型等關(guān)鍵技術(shù)內(nèi)容進行了深入和系統(tǒng)的研究。具體工作如下：
　　 首先設(shè)計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儀的功能，并結(jié)合非接觸式激光不平度檢測車采集了大量路面不平度數(shù)據(jù)。然后對實測路面不平度數(shù)據(jù)進行了傳統(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，傳統(tǒng)參數(shù)無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年以來迅速發(fā)展起來的一個新的數(shù)學(xué)分支理論。它在信號描述、信號處理及其它眾多領(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實測路面不平度的特性進行了系統(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對比分析不同的分形維數(shù)測定方法，得到各分形維數(shù)測定方法在分析分形曲線時的適用范圍及優(yōu)缺點。進而應(yīng)用不同

5、的測定方法分析實測路面不平度的標(biāo)度律直線關(guān)系、無標(biāo)度區(qū)間和分形維數(shù)值，通過計算可知，變差法、結(jié)構(gòu)函數(shù)法和均方根法在雙對數(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)法的無標(biāo)度區(qū)間存在不穩(wěn)定性，均方根法下的無標(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算所選路面樣本的分形維數(shù)，根據(jù)計算結(jié)果來表達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)在表征實測路面不平度中存在相對性。
　　 為進一步確定能夠唯一表征路面不平度的參數(shù)，從現(xiàn)有路面不平度分級的國際標(biāo)準(zhǔn)出發(fā)，根據(jù)各等級路面的功率譜數(shù)據(jù)，通過傅立葉逆變換法獲得滿足各個等級的路面高程序列，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路面表現(xiàn)出顯著的分形特征，其分形維數(shù)差別很小，沒有明顯分界；但等級越差的路面在均方

7、根法所得路面的測度與尺度的對數(shù)分布圖縱軸上的截距越大，進一步通過對傅立葉逆變換所得路面數(shù)據(jù)的表征參數(shù)的計算，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使用，提出將分形維數(shù)與輪廓均方根偏差結(jié)合起來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)，并計算各等級路面的路面不平度指數(shù)。
　　 從國際標(biāo)準(zhǔn)對路面不平度的分級原理分析出發(fā)，通過實測路面不平度數(shù)據(jù)分析

8、國際標(biāo)準(zhǔn)對路面不平度分級的局限性；計算實測路面的表征參數(shù)，統(tǒng)計分析輪廓均方根偏差、分形維數(shù)、路面不平度指數(shù)與按國際標(biāo)準(zhǔn)劃分的路面等級的關(guān)系，建立了以路面不平度指數(shù)為表征參數(shù)的路面不平度分級方法，該方法對于路面不平度分級方法和標(biāo)準(zhǔn)的改進具有一定參考價值。
　　 在路面不平度實測離散數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進行分形插值模擬，并通過時頻域、分形特性參數(shù)檢驗分形插值的模擬效果，對影響分形插值精度的因素進行分析。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)對路面不平度進行模擬是可行的，其對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量儀器的制造等具有重要的參考價值。路面不平度分形插值模型可以作為車輛振動響應(yīng)仿真分析的路面輸入激勵，該輸入模型更加接近實際路面。
　　 本文最后通過仿真和試驗的方式驗證分形路面模型的適用性。評價本文建立的路面不平度分形模型與實際隨機輸入的路面的近似程度。以ADAMS軟件為平臺，建立了多路面輸入下的整車模型，路面輸入分別選擇實測隨機路面數(shù)據(jù)、傅立