(长安大学 工程机械学院 陕西西安 710064)
[摘要] 路面重构模型是汽车虚拟仿真试验的基础。系统对测量的路面不平度信号采用EMD法去趋势项，小波分解法去噪，对其进行功率谱密度分析得到有用参数。通过三角级数叠加原理进行三维路面重构，利用相关系数法对重构路面进行精度分析。该研究为汽车零部件疲劳寿命分析和平顺性仿真试验提供了准确的三维路面高程信息，具有重要的工程意义。
关键词：数据预处理；功率谱密度分析；三角级数叠加；相关系数法
前言
汽车道路试验是汽车产品开发的一个重要环节，随着计算机的发展，汽车道路试验逐渐往虚拟仿真方向发展。路面不平度是指路面高低起伏的程度，是汽车道路试验的主要输入激励，因此研究路面不平度的重构有重要意义。
1实测数据预处理
1.1路面信号去趋势项
趋势项是指信号中周期大于采样长度的频率成分。它是由于测量系统或者采样系统仪器仪表的性能飘移、环境温度等条件变化，或者是原始信号中原本包含的成分所致[1]。趋势项会严重影响信号时域相关分析和频域功率谱估计精度。本文采用经验模态分解法进行趋势项的提取。
经验模态分解法又称EMD法，其原理[1]如下：
1、确定信号的极大、极小值，并用三次样条曲线连接起来，得到上下包络线。上下包络线的均值为m(t)；
2、从待处理信号中减去上下包络线均值m(t)得到h1(t)，检测h1(t)是否满足基本模量的两个条件。若不满足，则重复上述操作，直到h1(t)是一个基本模式分量，记c1(t) = h1(t)；
3、从原始信号里减去c1(t)，得到剩余值序列r1(t)；
1.2滤波去噪
由于受外部环境及测量仪器本身振动等的影响，实际采集的信号往往含有噪声，如果对测量的信号直接进行分析计，会导致计算结果不准确，增大误差[2]。
信噪比、方差、功率谱密度是去噪效果常用的评价指标[3]。本文中去噪后信号信噪比为11.2197，提高了3.2197。对去噪后的信号进行功率谱密度分析，去噪后信号的功率谱与标准B级路面的功率谱基本重构，相关性达到0.9883。
1.3 功率谱密度分析
频谱估计是分析信号的重要手段。频谱估计常用的方法是分为经典频谱分析和现代频谱分析两大类。现代谱分析属于非线性参数估计方法，解决了经典谱分析分辨率低的问题[3]。功率谱密度分析是频谱分析的常用方法。
我们以某B级路面为例，通过Matlab编制AR谱估计程序对该B级路面进行功率谱估计。通过计算AR谱估计的功率谱与标准B级路面功率谱的相关指数对拟合精度进行分析，计算得相关指数为0.9925，这说明估计的AR谱和标准谱具有较高的相关性，拟合精度高。
2 路面不平度等效重构
2.1 谐波叠加原理
随机路面是一个各态历经的均值为0的高斯随机过程，可以通过构造一系列具不同幅值和相位的正弦波或者余弦波对其进行模拟。本文采用余弦波进行叠加计算。
根据GB/T 7031-2005/ISO 8608: 1995《机械振动——道路路面谱测量数据报告》的规定可知，随机路面位移功率谱密度 表达式为：
2.3 等效精度分析
三维等效重构出来的数据与实际路面数据存在偏差，可以通过相关系数法分析拟合精度，进而确定重构路面的准确性[5]。
选取三维重构路面的任意一列路面不平度数据，对其进行功率谱密度计算。通过计算，原始谱与仿真谱的相关系数为0.9211，仿真数据与原始数据具有较高的相关性，证明三维路面仿真建模的正确性。
4 结论
本文采用的是谐波叠加法进行三维路面重构，该算法原理简单，适用范围广泛。把重构的路面导入汽车动力学仿真软件中也是后续研究的一个重要环节。
参考文献:
[1] 盛兆顺,尹琦岭.设备状态监测与故障诊断技术及应用[M]．北京：化学工业出版社.2003:73-75.
[2] 王若平,杨彦朋,王国林,李成彬.EMD在路面不平度信号趋势项中的应用[J].拖拉机与农用运输车,2010,37(04):64-66.
[3] 刘永臣. 路面不平度垂向传递机理及其对车辆结构疲劳损伤的影响研究[D].江苏大学,2013.
[4] 王国林,胡蛟.小波分析在路面不平度信号降噪中的应用研究[J].机械设计与制造,2011(04):65-67.
[5] 何正嘉,訾艳阳,张西宁.现代信号处理及工程应用[M].西安交通大学出版社出版,2007,10:45.
论文作者:于淼,黄文豹
论文发表刊物:《电力设备》2018年第34期
论文发表时间:2019/5/17
标签：路面论文; 平度论文; 信号论文; 功率论文; 重构论文; 密度论文; 频谱论文; 《电力设备》2018年第34期论文;