本文關(guān)鍵詞：路面、人體及汽車平順性客觀評價研究

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【摘要】：針對我國汽車平順性仿真分析存在的客觀評價不能真實反映汽車平順性能的現(xiàn)象,論文從路面不平度建模、中國人體生物力學(xué)模型、平順性客觀評價法的頻率加權(quán)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計和中國青年垂向振動頻率加權(quán)因子開發(fā)四個方面進(jìn)行研究。路面不平度是汽車主要的振動激勵源,直接關(guān)系到平順性分析結(jié)果的可信度,路面不平度建模必須對路面統(tǒng)計特征和信號理論有深入的認(rèn)識。為了明晰路面不平度空間域統(tǒng)計量的計算,以及幾種重要功率譜密度(power spectral density,簡稱PSD)之間的關(guān)系,以帕塞瓦爾定理和維納-辛欽定理為依據(jù),在推導(dǎo)空間域自相關(guān)函數(shù)和PSD計算公式的基礎(chǔ)上,導(dǎo)出了不平度空間域位移、速度與加速度PSD以及空間頻率與角頻率PSD之間的換算關(guān)系。另外,為了完善傅立葉逆變換法路面建模中PSD離散化的理論基礎(chǔ),以傅立葉級數(shù)與變換、離散傅立葉變換和頻域卷積定理為依據(jù),從離散化的原因、目的和結(jié)果驗證出發(fā)論證了PSD離散化的正確性;就模擬路面驗證問題,指出直接法譜估計的不合理之處,論證了平均周期圖法譜估計時,空間與時間采樣頻率分別對應(yīng)著空間域和時間域PSD輸出。結(jié)果表明,上述換算關(guān)系和論證是正確的,可應(yīng)用于路面不平度建模和汽車平順性分析。人體是一個復(fù)雜的振動系統(tǒng),汽車平順性分析時應(yīng)該考慮人體的影響,國家標(biāo)準(zhǔn)和國際標(biāo)準(zhǔn)均推薦采用集總參數(shù)人體模型。集總參數(shù)人體生物力學(xué)模型開發(fā),需要清楚認(rèn)識集總參數(shù)模型所表現(xiàn)的人體力學(xué)特性的規(guī)律。論文從人體生物力學(xué)特性表征參數(shù)(驅(qū)動點機(jī)械阻抗、視在質(zhì)量和座椅-頭部傳遞率)入手,運用微分和振動理論,分析了串聯(lián)和并聯(lián)任意自由度集總參數(shù)人體模型主共振頻率和人體力學(xué)特性表征參數(shù)幅值之間的關(guān)系。研究顯示:驅(qū)動點機(jī)械阻抗導(dǎo)出的人體主共振頻率必然大于其它兩參數(shù)導(dǎo)出的數(shù)值;對于并聯(lián)多自由度模型,座椅-頭部傳遞率導(dǎo)出的人體主共振頻率總是稍大于視在質(zhì)量導(dǎo)出的數(shù)值,在大約1.4倍人體主共振頻率以下,座椅-頭部傳遞率幅值總是大于歸一化視在質(zhì)量的幅值;對于串聯(lián)多自由度模型,人體主共振頻率和幅值特性同樣具有這個規(guī)律。論文采用清華大學(xué)提出的并聯(lián)二自由度中國人體生物力學(xué)模型,研究了人體對于汽平順性評價的影響。現(xiàn)有文獻(xiàn)對汽車振動頻率加權(quán)濾波器的設(shè)計研究較少,使平順性附加評價技術(shù)在一些國家沒有得到充分利用。根據(jù)垂直和水平方向頻率加權(quán)因子的規(guī)律,提出的加權(quán)濾波器設(shè)計方法逐次將整個頻率空間一分為二,每次分割產(chǎn)生一子濾波器,子濾波器由一具有相同截止頻率和品質(zhì)因子的低通和高通濾波器并聯(lián)而成,實現(xiàn)一段區(qū)間的加權(quán)因子,各子濾波器串聯(lián)實現(xiàn)整個頻率空間的加權(quán)因子,即得到垂直和水平方向頻率加權(quán)濾波器。所設(shè)計濾波器階數(shù)較高,為某些應(yīng)用考慮,采用雙線性變換和最小p階優(yōu)化技術(shù)設(shè)計的低階濾波器,較好的逼近了規(guī)定的加權(quán)因子。另外,采用窗函數(shù)法設(shè)計的線性相位有限脈沖響應(yīng)濾波器,實現(xiàn)了信號階梯加權(quán),并避免信號變形。對同一應(yīng)用,運用傳統(tǒng)頻域加權(quán)法、加權(quán)濾波器加權(quán)法和四階估計濾波器加權(quán)法,獲得的車身垂向振動加權(quán)加速度信號的均方根分別為0.330 7 m·s-2、0.311 9 m·s-2和0.313 9 m·s-2。加權(quán)濾波器加權(quán)信號和四階估計濾波器加權(quán)信號的峰值因子分別為3.002 7和3.011 1。論文提出了頻率加權(quán)濾波器的幾種設(shè)計方法,所得濾波器加權(quán)效果良好。由于國標(biāo)GB/T4970-2009中的信號頻率加權(quán)因子來自于國際標(biāo)準(zhǔn)ISO 2631-1:1997,而國際標(biāo)準(zhǔn)的頻率加權(quán)因子是以西方人體的振動試驗數(shù)據(jù)為依據(jù)制定,中國人體特征與西方人體差異較大,故頻率加權(quán)因子可能存在不同。研究實施了一項以中國青年為試驗對象的人體試驗,選取15名中國男性青年測試對象,在近兩個月的時間里,分別對各個對象在不同日期不同時段進(jìn)行人體振動主觀評價試驗,根據(jù)Stevens心理物理學(xué)指數(shù)定律,得到中國青年等舒適度曲線,從而確定了適用于中國青年的垂向振動頻率加權(quán)因子,為我國汽車平順性評價領(lǐng)域提供基礎(chǔ)性研究數(shù)據(jù)。
【關(guān)鍵詞】：路面不平度 人體生物力學(xué) 汽車平順性 加權(quán)濾波器 頻率加權(quán)函數(shù)
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：U461.4
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-14
• 主要符號表14-15
• 第一章 緒論15-30
• 1.1 引言15-16
• 1.2 路面不平度建模方法研究現(xiàn)狀16-18
• 1.2.1 傅里葉逆變換法16-17
• 1.2.2 白噪聲積分變換法17
• 1.2.3 諧波疊加法和時間序列模型17-18
• 1.3 垂向振動人體生物力學(xué)特性及人體模型研究現(xiàn)狀18-22
• 1.3.1 垂向人體生物力學(xué)特性研究18-20
• 1.3.2 垂向人體生物力學(xué)集總參數(shù)模型研究20-22
• 1.4 汽車平順性評價頻率加權(quán)函數(shù)研究現(xiàn)狀22-28
• 1.4.1 主要評價標(biāo)準(zhǔn)簡介23-25
• 1.4.2 頻率加權(quán)函數(shù)開發(fā)人體試驗研究現(xiàn)狀25-28
• 1.5 本文研究的主要內(nèi)容28-30
• 第二章 路面不平度時空建模理論研究30-40
• 2.1 引言30-31
• 2.2 空間域路面不平度計算31-32
• 2.2.1 位移不平度自相關(guān)函數(shù)和功率譜密度31
• 2.2.2 位移和速度及加速度功率譜密度關(guān)系31-32
• 2.3 空間頻率和空間角頻率功率譜密度關(guān)系32-33
• 2.4 空間域路面不平度位移標(biāo)準(zhǔn)差計算33-34
• 2.4.1 結(jié)果驗證34
• 2.5 傅立葉逆變換法路面模擬34-37
• 2.5.1 功率譜密度離散化的原因及目的35-36
• 2.5.2 離散化結(jié)果驗證36
• 2.5.3 頻譜點對稱設(shè)置36-37
• 2.6 功率譜密度驗證37-39
• 2.6.1 功率譜密度驗證方法37
• 2.6.2 兩種采樣頻率的應(yīng)用37-39
• 2.7 本章小結(jié)39-40
• 第三章 坐姿人體垂向振動生物力學(xué)模型研究40-55
• 3.1 引言40-42
• 3.1.1 人體生物力學(xué)振動特性表征參數(shù)40-41
• 3.1.2 人體振動模型的力加載方式41-42
• 3.2 坐姿人體垂向振動模型主共振頻率42-43
• 3.2.1 機(jī)械阻抗與視在質(zhì)量42-43
• 3.3 視在質(zhì)量和座椅-頭部傳遞率比較43-46
• 3.3.1 理論分析43-44
• 3.3.2 由度人體模型44-46
• 3.3.3 模型驗證46
• 3.4 多自由度人體模型46-51
• 3.4.1 并聯(lián)人體模型46-48
• 3.4.2 串聯(lián)人體模型48-51
• 3.5 人體模型對汽車平順性的影響51-54
• 3.5.1 中國人體生物力學(xué)模型51-52
• 3.5.2 人-車系統(tǒng)仿真分析52-54
• 3.6 本章小結(jié)54-55
• 第四章 汽車平順性評價頻率加權(quán)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計55-69
• 4.1 引言55-56
• 4.2 頻率加權(quán)因子的規(guī)律性56-58
• 4.2.1 W_k和W_d共有的規(guī)律57
• 4.2.2 W_k獨有的規(guī)律57-58
• 4.3 GB/T4970- 2009頻率加權(quán)函數(shù)設(shè)計58-65
• 4.3.1 垂直方向加權(quán)系數(shù)Wk設(shè)計58-59
• 4.3.2 帶限濾波器設(shè)計59
• 4.3.3 速度-加速度轉(zhuǎn)換濾波器Ht(s)設(shè)計59-61
• 4.3.4 上升段濾波器Hs(s)設(shè)計61-65
• 4.4 加權(quán)濾波器設(shè)計的一般方法65
• 4.5 垂直頻率加權(quán)函數(shù)應(yīng)用65-68
• 4.5.1 平順性評價66-67
• 4.5.2 濾波加權(quán)與傳統(tǒng)加權(quán)方法比較67-68
• 4.6 本章小結(jié)68-69
• 第五章 低階加權(quán)濾波器和FIR加權(quán)濾波器設(shè)計69-80
• 5.1 引言69
• 5.2 低階加權(quán)濾波器估計69-75
• 5.2.1 理論基礎(chǔ)69-70
• 5.2.2 低階濾波器設(shè)計思想70-72
• 5.2.3 低階頻率加權(quán)濾波器72-74
• 5.2.4 低階估計濾波器應(yīng)用74-75
• 5.3 線性相位FIR加權(quán)濾波器設(shè)計75-79
• 5.3.1 窗函數(shù)法設(shè)計76-78
• 5.3.2 頻率采樣法設(shè)計78-79
• 5.4 本章小結(jié)79-80
• 第六章 中國青年垂直方向振動頻率加權(quán)因子開發(fā)80-111
• 6.1 引言80
• 6.2 中國青年對垂直方向振動的主觀感覺試驗80-106
• 6.2.1 試驗方案設(shè)置80-85
• 6.2.2 理論基礎(chǔ)85-94
• 6.2.3 試驗數(shù)據(jù)分析94-106
• 6.3 垂向振動頻率加權(quán)因子設(shè)計106-110
• 6.3.1 Stevens定律參數(shù)確定106-108
• 6.3.2 等舒適度曲線108
• 6.3.3 中國青年垂向振動頻率加權(quán)因子108-110
• 6.4 本章小結(jié)110-111
• 結(jié)論111-114
• 主要工作與結(jié)論111-112
• 本文創(chuàng)新性成果112-113
• 展望與設(shè)想113-114
• 參考文獻(xiàn)114-121
• 攻讀博士學(xué)位期間取得的研究成果121-122
• 致謝122-123
• 附件123

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