论文总字数：26566字

摘 要

路面不平度是评价路面使用性能、施工质量和路面管理决策的一个重要指标。对于路面不平度的研究大部分局限于仿真路面这一单一对象，缺乏对车-路系统相互作用的研究。此外，分形理论作为一种较新的路面不平度分析方法有待于进一步研究。基于此考虑，本文结合分形理论与CarSim/TruckSim软件联合构建车-路系统模型，对路面不平度与行驶平顺性进行更为客观的评价。

本文从实测沥青路面不平度数据出发，运用MATLAB软件对数据进行提取、筛选和预处理；使用分形分析方法，通过编程得到实测路面不平度数据的分形几何参数，并利用W-M函数构建二维路面不平度模型。然后，运用车辆动力学仿真软件CarSim/TruckSim，建立车-路系统动力学仿真模型，选择汽车垂直、纵向、侧向加速度及轮胎法向接触力为输出指标,对车-路相互作用下车辆与路面的动力响应进行分析，建立了分形理论与CarSim/TruckSim软件联合构建车-路系统模型的研究方法。仿真结果表明，分形几何参数、车速、车型与路面摩擦系数是影响行驶平顺性的重要因素，路面不平度增大、车速增加、路面摩擦系数减小等都会使得行驶平顺性变差。

关键词：不平度；数值仿真模型；分形几何；车-路系统；平顺性

A STUDY ON PAVEMENT ROUGHNESS BASED ON VEHICLE-ROAD INTERACTION

Abstract

Pavement roughness is an important index to evaluate pavement performance, construction quality and pavement management decision. Most of the research on the pavement roughness is limited to the simulated pavement without the research on the interaction of vehicle-road system. In addition, fractal theory, as a new analytical method of pavement roughness, needs further research. Based on this consideration, the model of vehicle-road system is established which is combined with the fractal theory and CarSim/TruckSim software to give a more objective evaluation on the pavement roughness and ride comfort.

The measured asphalt pavement roughness data is extracted, filtered and preprocessed with MATLAB in this paper. The program is written to obtain the fractal geometry parameters of the measured pavement roughness data with the fractal analysis method and the W-M function is used to construct the model of two dimensional pavement roughness. Then, the vehicle-road system dynamics simulation model is established based on the vehicle dynamics simulation software CarSim/TruckSim. Vertical, longitudinal and lateral acceleration of vehicle and contact normal force of tire are selected as output index. The dynamics response of vehicle and pavement is analyzed under the vehicle-road interaction. The research method of vehicle-road system model is established which is based on the combination of fractal theory and CarSim/TruckSim software. The simulation results show that the fractal geometry parameters, speed, vehicle and pavement friction coefficient is the important factors of ride comfort. The increase of pavement roughness and vehicle speed, the decrease of friction coefficient will make the ride comfort become worse.

KEY WORDS: roughness, the numerical simulation method, fractal geometry, vehicle-road system, ride comfort

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 路面不平度研究的意义 1

1.2 路面不平度的研究现状 2

1.2.1 沥青路面不平度测量方法 2

1.2.2 沥青路面不平度评价指标 2

1.3 研究内容与技术路线 3

1.3.1 研究内容 3

1.3.2 技术路线 4

第二章 路面不平度与数值模拟 6

2.1 路面不平度概述 6

2.2 二维路面不平度数值模拟 8

2.2.1 布朗运动模拟法 8

2.2.2 IFFT方法 8

2.2.3 谐波叠加法 8

2.2.4 AR法 9

2.2.5 分形几何方法 9

第三章 分形几何方法与W-M函数 10

3.1 分形几何的定义与基本性质 10

3.2 分形维数及其计算方法 11

3.3 W-M函数 12

3.4 实测数据处理与不平度建模 14

3.4.1 实测数据处理 14

3.4.2 分形几何参数D和G的计算 17

3.4.3 二维路面不平度建模 19

第四章 基于CarSim/TruckSim的车-路相互作用仿真 20

4.1 CarSim/TruckSim软件 20

4.2 道路模型的建立 21

4.3 车辆模型的建立 25

4.3.1 桑塔纳3000车辆模型 25

4.3.2 东风ZL3120G3车辆模型 27

4.4 车辆平顺性仿真 29

4.4.1 行驶平顺性评价指标 29

4.4.2总加权加速度均方根值与平顺性仿真 30

4.4.3车轮动载系数与平顺性仿真 35

4.5 误差分析 38

第五章 结论与展望 40

5.1 结论 40

5.2 展望 41

致 谢 42

参考文献 43

第一章 绪论

1.1 路面不平度研究的意义

随着社会经济的飞速发展，我国公路等基础设施不断兴建，骨架路网络已基本形成。在快速兴建公路的同时也需要加强对施工质量的监控和公路长期服务的检测评定，另外人们对于交通设施舒适畅通、安全便捷等功能的要求日益增长，而路面不平度是对这两者都产生较大影响的主要原因之一。

路面不平度[^[1]]，经常用于车辆工程，而在道路工程中则常用路面平整度。路面不平度问题的复杂性导致了其具有多种不同的定义[^[2]]。《道路工程术语标准》（GBJ124-88）[^[3]]和《公路工程名词术语》（JTJ002-87）[^[4]]中将其定义为：路表纵向凹凸量的偏差值；而美国材料实验协会（ASTM）将其定义为：路表相对于参考平面的竖向偏差，车辆行驶质量与动力性能、路面排水及所受动荷载均会受到其影响[^[5]]。

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