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路谱测试 

一、路谱介绍
        试验车辆道路模拟试验在整车试验开发和验证中起到至关重要的作用，它有显著的缩短试验周期，同时具有试验精度高、一致性好、可操作性和重复性高等特点，因而被汽车行业广泛应用。

        路谱指的是路面不平度的功率谱密度曲线。作为汽车振动输入的路面不平度，是采用功率谱密度描述其统计特征，路面不平度的时间历程可以视作平稳随机过程处理。而汽车研发工程师所说的路谱，一般指的是车辆在路面行驶的道路载荷谱（Road Load Data），指的是汽车在行驶过程中，外部载荷时间历程（一般为随机性质）施加在结构上，引起结构的响应，响应信号一般包括应力、应变、加速度或力（力矩）等。

三、路谱采集方法及数据处理
3.1 数据采集        

       采集路谱之前需要根据整车试验场耐久路试中的强化坏路组合，指定道路载荷谱采集路线；按照预定的车辆负载状态及采集路线要求，进行所有路面、工况的数据采集，利用Simcenter SCADAS数据采集前端配合Simcenter Testlab软件记录过程中的时域信号。设定3名试车员采集5样本，按行驶规划表要求的车速、挡位对各典型路面及工况机型采集。路谱测试根据试验目的不同会对不同类型的路况进行采集，例如一般公路测试、高环公路测试、强化公路测试（石板路、卵石路、鱼鳞路、沙石路等）、山路测试等，每种路面每种负载情况都要三次以上的采样。

二、路谱的作用
        道路谱的数据作用主要有如下三点：

        1） 提供仿真计算所需的载荷，验证计算模型的准确性，分析计算结果的有效性；

        2） 为实验室台架测试或多提动力学仿真分析提供可靠的数据支撑，从而对汽车各构件的疲劳寿命能够做出准确的预                  测与判断；

        3） 可以帮助企业建立规范的整车试验场道路试验以及实验室台架试验测试流程，提高整车耐久性、零部件总成耐久                 性等汽车试验的系统性、合理性和科学性，缩短试验周期。

图1 SCADAS数采和Testlab软件

图2 路谱测试路面

图3 路谱时域原始数据

3.2 数据预处理        

       路谱采集的时域数据，因驾车操作不规范及仪器使用环境变化，采集员测试过程中操作失误导致意外中断，或者测试数据存在偏移等，需要对路谱时域信号进行预处理。借助Simcenter Tecware软件可以很容易进行异常数据检查、对称性检查、平稳性检查、异常点的判断和剔除、趋势项的消除、滤波、典型路面截取、标定、重采样、以及数据缩减与重构（采用雨流法循环计数，按照幅值和均值进行分组、删除小的载荷）。

（1）方差滤波

       如果所示的信号中包含有比较尖锐的毛刺，这种干扰在道路载荷数据采集过程中是比较常见的。在使用方差滤波去除毛刺的过程中，第一步是以原始信号xi为中心，选取（n+1）个连续的数据点组成数据块，对于这个数据块的（n+1）个点求平均值      ：

选取（m+1）个连续的数据点组成数据块，对于这个数据块的（m+1）个点求方差：      

式中       是（m+1）个连续数据点组成数据块的均值。   

       可以看到，当数据含有毛刺的时候，与毛刺对应的位置和时刻vi值都比较大，这样把这个毛刺产生的开始点和结束点做线性连接，从而抹平毛刺。

（2）漂移数据处理

       如图为一个理想的时域信号，而上面的信号出现了漂移，它是理想信号与缓变（低频）的干扰信号叠加后的结果。比如说，应变测量过程中常常会发生漂移，而其中的缓变（低频）干扰信号一般是由测试区域局部的温度改变而引发的。Tecware中漂移处理后的信号见下图。

图4 毛刺去除

图5 去趋势项

（3）滤波

       数字滤波器的设计和应用是数字信号分析处理领域比较专业的一个分支，Simcenter Tecware软件中内置了多种数字滤波器，如傅里叶滤波器、巴特沃斯滤波器、FIR 滤波器、Savitzky-Golay 滤波器等。

（4）雨流叠加

       雨流计数法是目前在疲劳设计和疲劳试验中用的最广泛的一种计数方法，是对随机信号进行计数的一种方法的一种。雨流法是建立在对封闭的应力—应变迟滞回线逐个计数的基础上，它认为塑性的存在是疲劳损伤的必要条件，从疲劳观点上看它比较能够反映随机载荷的全过程。由载荷—时间历程得到的应力—应变迟滞回线与造成的疲劳损伤是等效的。

       雨流计数结果是一种非常好的中间结果（或过程结果）的文件存储方式，原因是无论多么大的一段时域信号，一旦对其进行了雨流计数，那么生成的结果仅仅是一个Excel 表格。而当需要实现不同时间点和不同工况下的数据混合时，就需要将不同条件下的雨流结果进行叠加。应用TecWare 软件进行雨流计数，结果分为两部分，即雨流矩阵RFM 和Residue （RES）。假设有n 个工况下的雨流计数结果，对应的雨流矩阵和Residue 分别为RFM1，RFM2，…，RFMn和RES1，RES2，…，RESn，如果要把第一个工况重复k1 次，把第二个工况重复k2 次，以此类推，第n 个工况重复kn 次，然后把所有的工况累加起来，那么雨流的叠加实际上执行的是如下操作：

对                                                  进行四点法雨流计数。

（5）雨流外推

       在对一台机器做测试时，到底需要测量多长时间才能获得一个有代表性的载荷谱？这往往是一个非常关键的问题。即便是同一个驾驶员驾驶同一辆车在同样的路面上重复进行测试，也无法复现同样的雨流矩阵结果（驾驶员不可能重复完全相同的车速、制动力等），因此，将一个雨流矩阵简单地进行倍乘，无法合理地实现这种载荷的外推。 在TecWare 软件中对雨流矩阵进行外推，所依托的是一种相对 更为复杂的“椭圆高斯核密度函数”的非参估计方法。采用这种核密度估计的方式，在合理选取光滑因子的前提下，有望对数据的外推给出合理的结果。

3.3 PSD谱转换       

       路谱测试的加速度结果可以通过数字信号处理转换后得到的PSD谱，有时需要将离散的PSD谱线简化为包络谱线用以作为振动控制台的输入激励，从而对振动台上的产品进行疲劳耐久测试。Simcenter Testlab中的Break Point Table Generator可以实现PSD包络谱线的生成以及强化，如图所示。

        另一方面，在车辆开发初期，仿真时无实测路谱可用。依据车辆轮心处期望的功率谱密度函数(PSD)，如图所示，使用Simcenter Tecware软件中路谱综合(Synthetic Road Profile)模块可以生成时域路谱数据，如图。

图10 Tecware路谱综合

图6 Tecware滤波器设置

图7 雨流叠加

图8 Tecware雨流外推

图9 Testlab Break Point Generator

图11 Tecware路谱原始数据生成

        接下来可以计算四条时域数据对应的PSD曲线，并且读入图10中保存的PSD曲线。FR设计曲线如下图绿色线所示，红色线对应25s的时域路谱数据计算获得PSD，趋势一致。