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车辆道路数值模拟与仿真研究

张永林  
【摘要】:论文从标准等级道路的频域模型——随机道路功率谱密度函数(PSD)和非标准道路的实测样本数据出发,针对现代车辆具有的非线性系统特征,重构了用于车辆时程分析所需的道路激励时域模型。论文从随机道路基本描述,道路时域建模的基本理论与方法,车辆单点激励的时域模型,车辆单轮辙多点激励的时域模型,车辆相关双轮辙激励的时域模型,任意道路(标准和非标准)的时间序列AR和ARMA模型,2维路面的时域模型,非平稳随机道路模型及其小波分析等方面进行了较为全面、系统而深入的研究,并应用所提方法实现了对车辆道路和路面的仿真。所建立的道路和路面时域模型成为道路或路面频域模型的等价模型,成为道路或路面数据库建构的基础,成为虚拟样车技术和虚拟试车场技术所必需的环境模型。 论文首先介绍了随机道路的基本描述方法——道路频域模型,给出了道路频域模型——随机道路功率谱密度函数的2种典型表达式,指出了道路频域模型在车辆动力学分析中的作用。基于对车辆道路随机不平顺性态的分析,结合其在频域内的PSD统计表示方法,以载重车六轮激励输入为例,导出了多点激励的道路高程的功率谱密度函数矩阵,该矩阵可用于线性或线性化的车辆动力学分析中。 现代车辆系统的非线性特征规定了其动力学分析必须置于时域进行。论文描述了道路时域模型建构的4种基本方法:谐波叠加法、白噪声过滤法、基于逆Fourier变换的方法和时间序列建模方法。并采用前3种方法对标准等级道路进行了时域建模,尤其是,应用3种方法实现了对于时空相关的双轮辙道路激励输入的建模,其中,基于逆Fourier变换方法被首次应用于道路建模中。在建模过程中,针对伪白噪声生成算法中不精确的缺陷,改进了伪白噪声的生成算法,提高了仿真道路的精度。 除了常规的由PSD表示的标准等级道路外,道路时域建模的内涵可以向2个方向拓展,一是向建立任意道路(包括非平稳道路)的时域模型方向,一是向建立2维路面时域模型方向。前者丰富了车辆动力学分析所用的激励模型素材,后者更直接服务于虚拟试车场技术。 利用时间序列模型方法,以标准等级道路的时序模型为对照测试,建立了任意非标准实测道路的时域模型,并实现了非标准道路的时域仿真。 在路面建模方面,利用谐波叠加法、逆FFT方法和白噪声过滤法建立了与标准道路频域统计特征一致的道路路面模型;进一步,基于任意子样测量数据,用时间序列方法建立了任意道路路面模型,实现了路面仿真。 非平稳道路路面是对车辆进行深层次动力学分析所必需的基础激励模型。对非平稳道路,既能够基于平稳道路模型数据方便快捷地实现其非平稳化重构,而且对于所重构的非平稳道路,采用小波分析,把道路激励信号中的平稳成分与非平稳成分、低频成分与高频成分分开,从而揭示了非平稳道路激励的特征,同时,非平稳随机道路小波分析也涵盖了车辆变速行驶、启动、制动等工况下道路激励的特性。 通过全面深入的道路及路面建模研究,可以方便地建成随机道路及路面的时域模型库,该模型库与其他确定性道路及路面模型函数库一起,在虚拟样车及虚拟试车场技术中可实现任意的集成、组装,为车辆数字化设计、试验提供实时道路及路面激励数据。


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