[发明专利]一种应用于虚拟样机系统的三维路面生成方法

权利要求书

1.一种应用于虚拟样机系统的三维路面生成方法，其特征在于：该方法具体步骤如下：

第一步、基于单点FFT路面不平度随机激励时域模型，建立FFT法的三维随机路面高程模型；

1)对路面进行离散化处理，并基于FFT方法建立单点路面的高程模型：

q(n)=Σk=0Nr-1Sqq(f=kΔf)ei(2πknNr+φn)---(1)]]>

其中，n-离散采样点序号；q(n)-第n个采样点时刻对应的路面高程；N_r-总采样点数；S_qq-双边功率谱；f-频率；Δf-采样频率；φ_n-属于[0，2π]间的随机数；

2)建立FFT法的三维高程模型：

时间采样间隔为Δt，则q(n)为n×Δt时刻的路面高程，行驶速度恒定为u，则n×(u×Δt)＝n×Δx＝x，N_r×(u×Δt)＝N_r×Δx＝X，其中，x-道路采样点距采样原点的纵向长度，即纵向坐标；X-道路纵向总长度；

将式(1)中e的指数分子分母同乘u×Δt，可得下式：

q(n)=Σk=0Nr-1Sqq(f=kΔf)ei(2πk(nuΔt)NruΔt+φn)=Σk=0Nr-1Sqq(f=kΔf)ei(2πkxX+φn)=q(x)---(2)]]>

路面任一点坐标为(x，y)，则三维空间中路面的不平度为：

q(x,y)=Σk=0Nr-1Sqq(f=kΔf)ei(2πkxX+φn(x,y))---(3)]]>

其中，x-纵向坐标；y-横向坐标，φ(x，y)-路面上任意点(x，y)处，属于[0，2π]间的随机数；

第二步、在MATLAB软件中编写FFT三维路面模型的通用程序，并根据需要选择特定等级的路面进行路面不平度的仿真，继而得到三维路面的坐标数据；

第三步、建立适用于常用多体动力学软件的通用性路面文件：建立生成三维路面文件的通用模型，包括节点的生成和单元生成算法，并以此为据，将第二步得到的三维路面坐标数据编制成为虚拟样机仿真软件可以识别的路面文件；

3.1路面的离散化

路面纵向总长度为X，采样长度为Δx，横向总长度为Y，采样长度为Δy，选取Δx＝Δy，则纵向、横向采样点总数分别为将形成的三维路面投影到水平面上，得到节点总数为N_Nodes＝N_x×N_y的点阵；

3.2节点生成算法

四维向量节点矩阵的第g行、第j列元素为(a_gj，x_gj，z_gj，y_gj)；

其中：1)、a_gj为节点编号，依据“先横后纵、由小到大”的原则，将节点进行编号，即a_gj＝g×N_y+j；

2)、x_gj为纵向长度，相同g对应的点，其x值相同，即x_gj＝Δx×(g-1)，g＝1，2，...，N_x；

3)、y_gj为横向宽度，相同j对应的点，其y值相同，即y_gj＝Δy×(j-1)，j＝1，2，...，N_y；

4)、为z_gj路面高程，依据式(3)，通过计算获得N_x×N_y个数据，经过拉直运算为列向量即可；

3.3单元生成算法

每3个相邻的节点组成一个单元，形成矩形路面，单元总数N_E＝2(N_x-1)(N_y-1)，五维向量单元矩阵的第g行、第j列元素为(a_gj，b_gj，c_gj，1，1)，a_gj，b_gj，c_gj为对应的节点编号，后两个“1”分别为静摩擦系数与动摩擦系数；

3.4生成路面文件

由上述节点矩阵以及单元矩阵，生成相应的路面文件；

第四步、虚拟样机建模仿真：将第三步建立好的路面文件导入第三步所述的动力学软件，生成用于虚拟样机研究的三维路面，并进行车辆建模，通过多体动力学仿真研究车辆及其部件在三维随机路面激励下的响应问题。