路面、人体及汽车平顺性客观评价研究

发布时间：2017-09-29 09:33

  本文关键词：路面、人体及汽车平顺性客观评价研究

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【摘要】：针对我国汽车平顺性仿真分析存在的客观评价不能真实反映汽车平顺性能的现象,论文从路面不平度建模、中国人体生物力学模型、平顺性客观评价法的频率加权网络设计和中国青年垂向振动频率加权因子开发四个方面进行研究。路面不平度是汽车主要的振动激励源,直接关系到平顺性分析结果的可信度,路面不平度建模必须对路面统计特征和信号理论有深入的认识。为了明晰路面不平度空间域统计量的计算,以及几种重要功率谱密度(power spectral density,简称PSD)之间的关系,以帕塞瓦尔定理和维纳-辛钦定理为依据,在推导空间域自相关函数和PSD计算公式的基础上,导出了不平度空间域位移、速度与加速度PSD以及空间频率与角频率PSD之间的换算关系。另外,为了完善傅立叶逆变换法路面建模中PSD离散化的理论基础,以傅立叶级数与变换、离散傅立叶变换和频域卷积定理为依据,从离散化的原因、目的和结果验证出发论证了PSD离散化的正确性;就模拟路面验证问题,指出直接法谱估计的不合理之处,论证了平均周期图法谱估计时,空间与时间采样频率分别对应着空间域和时间域PSD输出。结果表明,上述换算关系和论证是正确的,可应用于路面不平度建模和汽车平顺性分析。人体是一个复杂的振动系统,汽车平顺性分析时应该考虑人体的影响,国家标准和国际标准均推荐采用集总参数人体模型。集总参数人体生物力学模型开发,需要清楚认识集总参数模型所表现的人体力学特性的规律。论文从人体生物力学特性表征参数(驱动点机械阻抗、视在质量和座椅-头部传递率)入手,运用微分和振动理论,分析了串联和并联任意自由度集总参数人体模型主共振频率和人体力学特性表征参数幅值之间的关系。研究显示:驱动点机械阻抗导出的人体主共振频率必然大于其它两参数导出的数值;对于并联多自由度模型,座椅-头部传递率导出的人体主共振频率总是稍大于视在质量导出的数值,在大约1.4倍人体主共振频率以下,座椅-头部传递率幅值总是大于归一化视在质量的幅值;对于串联多自由度模型,人体主共振频率和幅值特性同样具有这个规律。论文采用清华大学提出的并联二自由度中国人体生物力学模型,研究了人体对于汽平顺性评价的影响。现有文献对汽车振动频率加权滤波器的设计研究较少,使平顺性附加评价技术在一些国家没有得到充分利用。根据垂直和水平方向频率加权因子的规律,提出的加权滤波器设计方法逐次将整个频率空间一分为二,每次分割产生一子滤波器,子滤波器由一具有相同截止频率和品质因子的低通和高通滤波器并联而成,实现一段区间的加权因子,各子滤波器串联实现整个频率空间的加权因子,即得到垂直和水平方向频率加权滤波器。所设计滤波器阶数较高,为某些应用考虑,采用双线性变换和最小p阶优化技术设计的低阶滤波器,较好的逼近了规定的加权因子。另外,采用窗函数法设计的线性相位有限脉冲响应滤波器,实现了信号阶梯加权,并避免信号变形。对同一应用,运用传统频域加权法、加权滤波器加权法和四阶估计滤波器加权法,获得的车身垂向振动加权加速度信号的均方根分别为0.330 7 m·s-2、0.311 9 m·s-2和0.313 9 m·s-2。加权滤波器加权信号和四阶估计滤波器加权信号的峰值因子分别为3.002 7和3.011 1。论文提出了频率加权滤波器的几种设计方法,所得滤波器加权效果良好。由于国标GB/T4970-2009中的信号频率加权因子来自于国际标准ISO 2631-1:1997,而国际标准的频率加权因子是以西方人体的振动试验数据为依据制定,中国人体特征与西方人体差异较大,故频率加权因子可能存在不同。研究实施了一项以中国青年为试验对象的人体试验,选取15名中国男性青年测试对象,在近两个月的时间里,分别对各个对象在不同日期不同时段进行人体振动主观评价试验,根据Stevens心理物理学指数定律,得到中国青年等舒适度曲线,从而确定了适用于中国青年的垂向振动频率加权因子,为我国汽车平顺性评价领域提供基础性研究数据。
【关键词】：路面不平度 人体生物力学 汽车平顺性 加权滤波器 频率加权函数
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U461.4
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-14
• 主要符号表14-15
• 第一章 绪论15-30
• 1.1 引言15-16
• 1.2 路面不平度建模方法研究现状16-18
• 1.2.1 傅里叶逆变换法16-17
• 1.2.2 白噪声积分变换法17
• 1.2.3 谐波叠加法和时间序列模型17-18
• 1.3 垂向振动人体生物力学特性及人体模型研究现状18-22
• 1.3.1 垂向人体生物力学特性研究18-20
• 1.3.2 垂向人体生物力学集总参数模型研究20-22
• 1.4 汽车平顺性评价频率加权函数研究现状22-28
• 1.4.1 主要评价标准简介23-25
• 1.4.2 频率加权函数开发人体试验研究现状25-28
• 1.5 本文研究的主要内容28-30
• 第二章 路面不平度时空建模理论研究30-40
• 2.1 引言30-31
• 2.2 空间域路面不平度计算31-32
• 2.2.1 位移不平度自相关函数和功率谱密度31
• 2.2.2 位移和速度及加速度功率谱密度关系31-32
• 2.3 空间频率和空间角频率功率谱密度关系32-33
• 2.4 空间域路面不平度位移标准差计算33-34
• 2.4.1 结果验证34
• 2.5 傅立叶逆变换法路面模拟34-37
• 2.5.1 功率谱密度离散化的原因及目的35-36
• 2.5.2 离散化结果验证36
• 2.5.3 频谱点对称设置36-37
• 2.6 功率谱密度验证37-39
• 2.6.1 功率谱密度验证方法37
• 2.6.2 两种采样频率的应用37-39
• 2.7 本章小结39-40
• 第三章 坐姿人体垂向振动生物力学模型研究40-55
• 3.1 引言40-42
• 3.1.1 人体生物力学振动特性表征参数40-41
• 3.1.2 人体振动模型的力加载方式41-42
• 3.2 坐姿人体垂向振动模型主共振频率42-43
• 3.2.1 机械阻抗与视在质量42-43
• 3.3 视在质量和座椅-头部传递率比较43-46
• 3.3.1 理论分析43-44
• 3.3.2 由度人体模型44-46
• 3.3.3 模型验证46
• 3.4 多自由度人体模型46-51
• 3.4.1 并联人体模型46-48
• 3.4.2 串联人体模型48-51
• 3.5 人体模型对汽车平顺性的影响51-54
• 3.5.1 中国人体生物力学模型51-52
• 3.5.2 人-车系统仿真分析52-54
• 3.6 本章小结54-55
• 第四章 汽车平顺性评价频率加权网络设计55-69
• 4.1 引言55-56
• 4.2 频率加权因子的规律性56-58
• 4.2.1 W_k和W_d共有的规律57
• 4.2.2 W_k独有的规律57-58
• 4.3 GB/T4970- 2009频率加权函数设计58-65
• 4.3.1 垂直方向加权系数Wk设计58-59
• 4.3.2 带限滤波器设计59
• 4.3.3 速度-加速度转换滤波器Ht(s)设计59-61
• 4.3.4 上升段滤波器Hs(s)设计61-65
• 4.4 加权滤波器设计的一般方法65
• 4.5 垂直频率加权函数应用65-68
• 4.5.1 平顺性评价66-67
• 4.5.2 滤波加权与传统加权方法比较67-68
• 4.6 本章小结68-69
• 第五章 低阶加权滤波器和FIR加权滤波器设计69-80
• 5.1 引言69
• 5.2 低阶加权滤波器估计69-75
• 5.2.1 理论基础69-70
• 5.2.2 低阶滤波器设计思想70-72
• 5.2.3 低阶频率加权滤波器72-74
• 5.2.4 低阶估计滤波器应用74-75
• 5.3 线性相位FIR加权滤波器设计75-79
• 5.3.1 窗函数法设计76-78
• 5.3.2 频率采样法设计78-79
• 5.4 本章小结79-80
• 第六章 中国青年垂直方向振动频率加权因子开发80-111
• 6.1 引言80
• 6.2 中国青年对垂直方向振动的主观感觉试验80-106
• 6.2.1 试验方案设置80-85
• 6.2.2 理论基础85-94
• 6.2.3 试验数据分析94-106
• 6.3 垂向振动频率加权因子设计106-110
• 6.3.1 Stevens定律参数确定106-108
• 6.3.2 等舒适度曲线108
• 6.3.3 中国青年垂向振动频率加权因子108-110
• 6.4 本章小结110-111
• 结论111-114
• 主要工作与结论111-112
• 本文创新性成果112-113
• 展望与设想113-114
• 参考文献114-121
• 攻读博士学位期间取得的研究成果121-122
• 致谢122-123
• 附件123

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