路面激励载荷的获取方法、装置及实现装置与流程
本发明涉及道路振动噪声分析技术领域，尤其是涉及一种路面激励载荷的获取方法、装置及实现装置。
背景技术：
路面激励载荷可以作为汽车进行道路振动噪声仿真分析和nvh(noise，vibration，harshness，噪声、振动与声振粗糙度)性能开发的输入参数；路面不平度频域谱可以作为路面激励载荷的一种表达方式。在车辆的可靠性试验中，可以采用六分力仪检测车辆受到的轮心力，将该轮心力作为路面激励载荷；该方法中可以获取到的路面激励载荷的激励频率最多能到达40hz左右，而路噪分析及nvh性能开发中需要的载荷频率上限较高(通常为200hz左右)，因此无法使用六分力仪实现路噪分析及nvh性能开发中路面激励载荷的获取。
目前，应用于路噪分析及nvh性能开发的路面激励载荷的获取方法主要有直接法和逆矩阵法；直接法为直接测量实际路面的不平度(垂向位移)作为激励载荷，然而由于直接法是通过激光探测设备等手段直接扫描出路面的不平度，需要有专门的试验路面和数据采集设备，费用高，耗时较长；逆矩阵法为测量车辆在路面行驶时悬架上的振动响应并结合路面到响应点的振动传递函数，使用逆矩阵法反求出路面载荷；然而该方法需要固定的试验路面及样车，在车辆开发前期(无样车的阶段)无法进行，也就无法在开发前期开展道路振动噪声nvh仿真分析优化和性能风险控制，造成质量、进度、成本等各个系统均可能在样车调教阶段付出较大代价，大大增加了研发成本和开发风险，导致研发效率较低。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种路面激励载荷的获取方法、装置及实现装置，以降低获取路面不平度频域谱的成本及获取方法的复杂度。
第一方面，本发明实施例提供了一种路面激励载荷的获取方法，该方法应用于车辆的nvh性能分析中；该方法包括：获取路面的参数；参数包括路面等级及待分析频率区间；根据路面等级，选取路面对应的功率谱密度函数；根据待分析频率区间及功率谱密度函数，获取路面激励载荷；路面激励载荷包括路面不平度频域谱。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，上述根据待分析频率区间及功率谱密度函数，获取路面激励载荷的步骤，包括：根据待分析频率区间及功率谱密度函数，生成路面的路面不平度时域谱；对路面不平度时域谱进行傅里叶变换，得到路面不平度频域谱。
结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，上述根据待分析频率区间及功率谱密度函数，生成路面的路面不平度时域谱的步骤，包括：将待分析频率区间划分为设定数量的子频率区间，通过下述公式计算路面的不平度方差：
其中，
结合第一方面的第二种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，上述根据路面的不平度方差及路面不平度的统计学特性，生成路面不平度时域谱的步骤，包括：为每个子频率区间生成一个随机数；随机数的取值区间为[0，2π]；根据统计学理论，将每个子频率区间的不平度时域谱表示为如下述公式所示的余弦波函数：
其中，σk为路面在第k个子频率区间的不平度标准差，θk为第k个子频率区间的随机数；根据谐波叠加算法，利用子频率区间的不平度时域谱生成路面不平度时域谱。
结合第一方面的第三种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，上述根据谐波叠加算法，利用子频率区间的不平度时域谱生成路面不平度时域谱的步骤，包括：将表示各个子频率区间的不平度时域谱的余弦波函数叠加，通过下述公式确定路面不平度时域谱：
其中，q(t)为路面不平度时域谱。
第二方面，本发明实施例还提供一种路面激励载荷的获取装置，该装置应用于车辆的nvh性能分析中；该装置包括：参数获取模块，用于获取路面的参数；参数包括路面等级及待分析频率区间；函数选取模块，用于根据路面等级，选取路面对应的功率谱密度函数；路面激励载荷获取模块，根据待分析频率区间及功率谱密度函数，获取路面激励载荷；路面激励载荷包括路面不平度频域谱。
结合第二方面，本发明实施例提供了第二方面的第一种可能的实施方式，其中，上述路面激励载荷模块还用于：根据待分析频率区间及功率谱密度函数，生成路面的路面不平度时域谱；对路面不平度时域谱进行傅里叶变换，得到路面不平度频域谱。
结合第二方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第二方面的第二种可能的实施方式，其中，上述路面激励载荷模块还用于：将待分析频率区间划分为设定数量的子频率区间，通过下述公式计算路面的不平度方差：
其中，
结合第二方面的第二种可能的实施方式，本发明实施例提供了第二方面的第三种可能的实施方式，其中，上述路面激励载荷模块还用于：为每个子频率区间生成一个随机数；随机数的取值区间为[0，2π]；根据统计学理论，将每个子频率区间的不平度时域谱表示为如下述公式所示的余弦波函数：
其中，σk为路面在第k个子频率区间的不平度标准差，θk为第k个子频率区间的随机数；根据谐波叠加算法，利用子频率区间的不平度时域谱生成路面不平度时域谱。
第三方面，本发明实施例还提供一种路面激励载荷的获取实现装置，包括存储器和处理器，其中，存储器用于存储一条或多条计算机指令，一条或多条计算机指令被处理器执行，以实现上述路面激励载荷的获取方法。
本发明实施例带来了以下有益效果：
本发明实施例提供了一种路面激励载荷的获取方法、装置及实现装置；获取路面的参数后，根据路面等级，选取该路面对应的功率谱密度函数；再根据待分析频率区间及功率谱密度函数，获取路面激励载荷；该方式降低了获取路面激励载荷的成本及获取方法的复杂度。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，或者，部分特征和优点可以从说明书推知或毫无疑义地确定，或者通过实施本发明的上述技术即可得知。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施方式，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种路面激励载荷的获取方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的一种路面不平度功率谱密度图；
图3为本发明实施例提供的经平滑处理及曲线拟合得到的的功率谱密度图；
图4为本发明实施例提供的一种基于国标的等级路面重构方法的原理示意图；
图5为本发明实施例提供的一种路面激励载荷的获取装置的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的一种路面激励载荷的获取实现装置的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
目前，现有的路面激励载荷的获取方式较为复杂，成本较高，基于此，本发明实施例提供了一种路面激励载荷的获取方法、装置以及实现装置，可以应用于道路振动噪声仿真分析和nvh性能开发等领域。
为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种路面激励载荷的获取方法进行详细介绍。
参见图1所示的一种路面激励载荷的获取方法的流程图，包括以下步骤：
步骤s100，获取路面的参数；参数包括路面等级及待分析频率区间。
上述参数可以为工程技术人员输入的；上述路面等级可以为由国家标准规定的，如国标(gb/t7031-2005)，与路面不平度有关的路面分类；路面激励载荷具有一定的频率范围，如果想获取某个频率区间下的路面激励载荷，需要确定相应的待分析频率区间。
步骤s102，根据路面等级，选取路面对应的功率谱密度函数。
上述功率谱密度函数与路面等级对应；二者可以为国标(gb/t7031-2005)给出的路面等级及对应的功率谱函数，也可以为相关技术领域人员通过实验获得的。
步骤s104，根据待分析频率区间及功率谱密度函数，获取路面激励载荷；路面激励载荷包括路面不平度频域谱。
上述步骤s104具体可以通过以下步骤实现：
(1)根据待分析频率区间及功率谱密度函数，生成路面的路面不平度时域谱；
具体地，首先将待分析频率区间划分为设定数量的子频率区间，通过下述公式计算路面的不平度方差：
其中，
然后，根据上述路面的不平度方差及路面不平度的统计学特性，生成路面不平度时域谱；由于路面不平度可以视为一个统计学参数已知的概率分布的随机样本，因此可以采用谐波叠加的方法生成路面不平度时域谱，具体方式如下：
1、为每个子频率区间生成一个随机数；随机数在[0，2π]区间中；现有技术中，随机数的生成方法有许多种，这些方法被称为随机数发生器。
2、根据统计学理论，将每个子频率区间的不平度时域谱表示为如下述公式所示的余弦波函数：
其中，σk为路面在第k个子频率区间的不平度标准差，θk为第k个子频率区间的随机数。
3、根据谐波叠加算法，利用子频率区间的不平度时域谱生成设定路面等级的路面不平度时域谱；具体地，可以将表示各个子频率区间的不平度时域谱的余弦波函数叠加，通过下述公式确定设定路面等级的路面不平度时域谱：
其中，q(t)为路面不平度时域谱。
除了上述的谐波叠加法外，还有可以采用积分单位白噪声法、滤波器整形白噪声法以及ar(autoregressive，自动回归)模型、arma(auto-regressiveandmovingaverage，自回归滑动平均)模型等，生成设定路面等级的路面不平度时域谱。
(2)对路面不平度时域谱进行傅里叶变换，得到路面不平度频域谱。
本发明实施例提供了一种路面激励载荷的获取方法；获取路面的参数后，根据路面等级，选取该路面对应的功率谱密度函数；再根据待分析频率区间及功率谱密度函数，获取路面激励载荷；该方法降低了获取路面激励载荷的成本及获取方法的复杂度。
本发明实施例还提供了一种基于国标的等级路面重构方法；该方法在图1所述方法的基础上实现，主要采用了国标《机械振动道路路面谱测量数据报告》(gb/t7031-2005)中提供的路面等级及路面不平度功率谱密度；通过计算机重构出符合国标的等级路面不平度载荷，并将其转换为nvh仿真分析直接可用的路面激励载荷。由于该方法是根据国标中提供的各等级路面的参数及公开成熟的算法重构出的一种虚拟路面，无需实际试验路面和样车，不仅成本极低、耗时短、且能够在车辆开发前期就能够开展道路振动噪声nvh仿真分析优化和性能风险控制工作，缩短了研发周期、降低了开发风险、节约了研发成本。
通过对路面不平度的实际量测可知，路面不平度是局部均匀的、具有零均值的、遍历的高斯随机场。这反映了路面不平度的如下特点：
(1)局部均匀：在足够短的长度内可以看成是均匀的，反映了路面是平滑过渡的.
(2)零均值：起与伏的概率是相同。
(3)遍历：涵盖所有频率。
(4)高斯随机场：场是空间概念，对应时域上的正态随机过程。
从上述特征可知，路面不平度的均值已知(为0)，分布形式(正态或gauss分布)已知，因此只需要获取其方差就可以确定其统计特征，而方差可以由功率谱密度唯一确定。
国标《机械振动道路路面谱测量数据报告》(gb/t7031-2005)是依据国际标准组织相应的标准(iso86081995)撰写。该标准中对路面不平度的功率谱密度(psd)有详尽的描述。
国标中指出，路面不平度功率谱密度在双对数坐标下的曲线形态近似为一条斜线，如图2所示为在比利时的xstad(地名)测得的路面不平度功率谱密度曲线；对该曲线通过平滑处理并进行曲线拟合，得到如图3所示的功率谱密度曲线，其中，对曲线的一般性描述中rmsd为位移均方根，rmsv为速度均方根；该路面功率谱密度可以表达为如下拟合公式：
gd(n)＝gd(n0)(n/n0)-w
其中：n0为参考空间频率，取值为0.1，w通常取2.0，n为空间频率
gd(n0)为拟合系数，称之为路面不平度系数，根据拟合系数的不同(拟合系数的几何平均值)，可以将路面分为a～h共八个等级，各等级路面拟合系数如表1所示：
表1
根据上表可知，对于国标(gb/t7031-2005)规定的标准等级路面，功率谱密度函数是已知的，并且可以以拟合函数的形式给出。因此对于国标中的标准等级路面，其统计特征则由功率谱密度唯一确定。
等级路面的统计特征已知，生成满足此统计特征的一个随机样本，这就是等级路面重构。由统计特征参数生成满足此统计规律的一个样本的数学方法有很多，本发明实施例以使用较为广泛且成熟的谐波叠加法来完成路面谱的重构。谐波叠加算法能够模拟平稳随机过程，其主要的思想是将路面不平度表示成大量具有随机相位的正弦或余弦函数之和。具体做法为将路谱在所需频率区间分成多个足够小的频率区间，根据统计理论，在每个小区间，路谱可以表达成频率为该区间中心频率，相位均匀随机，幅值为中心频率对应的路面不平度标准差(方差开方)的
需要指出的是，国标中的功率谱密度拟合函数是空间频率(单位m-1)，如果需要转换为我们常用的时间频率(单位hz)，则需要乘以车速。
该方法的原理示意图如图4所示，主要包括以下步骤：
(1)将所需分析的路面不平度的频率区间(f1，f2)划分为m个小区间，并计算每个小区间的不平度方差。具体地，根据选择的路面等级及频率区间，路面不平度方差可表示为下述公式：
其中f为时间频率，其与空间频率的转换公式为：
f＝nv
上式中，v为车速，n为空间频率，f为时间频率。
将所需频率区间(f1，f2)划分为个m小区间，取每个小区间的中心频率fmid_k(k＝1，2，...，m)处的谱密度值gq(fmidk)代替gq(f)在该小区间内的谱密度值，则上式可近似写为：
其中，第k个小区间的不平度方差可以表示为：
其标准差为：
(2)生成均匀分布的随机相位。具体地，使用随机数生成方法为上步中的m个小频率区间生成一组随机相位，第k个小区间对应的相位为θk，θk是在[0，2π]上的随机数，满足均匀分布，大多数计算机语言都有随机数生成函数，可以生成满足指定概率分布的随机数组，如matlab中的rand函数。
(3)生成每个小频率区间的不平度的余弦波，即含有幅值和相位的路面不平度。具体地，根据统计理论，对应每个小区间，具有频率fmid_k且标准差为σk的余弦波为：
(4)谐波叠加，得到时域下的路面不平度谱。具体地，将对应于各个小区间的余弦波函数叠加起来，就得到时域路面随机位移输入：
(5)利用傅里叶变换，得到路面不平度频域谱。
(6)后续处理，将路面不平度频域谱按照nvh路噪分析需求存储为cae(computeraidedengineering，计算机辅助工程)软件可直接使用的时域数据或频域数据格式。
(7)编制软件，将上述过程封装并实现一键式操作即可获取所需路面。
实际上，本发明实施例提供的一种基于国标的等级路面重构方法是上述对路面不平度功率谱密度进行平滑处理及曲线拟合的过程的逆过程，通过该方法得到与实际路面符合的路面激励载荷。
本发明实施例提供的方法基于国家标准(同时也是估计标准)中的路面数据和公开成熟的数学算法，将国家标准等级路面功率谱密度转换为车辆工程中实际可用的nvh路噪分析所需的路面激励载荷；该方法区别于传统的nvh分析获取载荷的手段，无需自建路面或者租用试验路面进行物理采集，即可获取可供nvh使用的频率可达200hz以上的路面激励，方法简单、可靠、实用且成本极低。
该方法由于不依赖样车，在概念设计阶段即可开展路噪分析，可将路噪开发节点大大提前，较早规避风险，节省时间，降低研发成本；该方法中，复杂的计算过程和算法对工程师是透明的，一键式生成直接可用的cae数据，过程无人工干预，使用门槛低，简单高效，出错率低。
对应于上述实施例，本发明实施例还提供一种路面激励载荷的获取装置，其结构示意图如图5所示；该装置包括：参数获取模块600，用于获取路面的参数；参数包括路面等级及待分析频率区间；函数选取模块602，用于根据路面等级，选取路面对应的功率谱密度函数；路面激励载荷获取模块604，根据待分析频率区间及功率谱密度函数，获取路面激励载荷；路面激励载荷包括路面不平度频域谱。
进一步地，上述路面激励载荷模块还用于：根据待分析频率区间及功率谱密度函数，生成路面的路面不平度时域谱；对路面不平度时域谱进行傅里叶变换，得到路面不平度频域谱。
进一步地，上述路面激励载荷模块还用于：将待分析频率区间划分为设定数量的子频率区间，通过下述公式计算路面的不平度方差：
其中，
进一步地，上述路面激励载荷模块还用于：为每个子频率区间生成一个随机数；随机数的取值区间为[0，2π]；根据统计学理论，将每个子频率区间的不平度时域谱表示为如下述公式所示的余弦波函数：
其中，σk为路面在第k个子频率区间的不平度标准差，θk为第k个子频率区间的随机数；根据谐波叠加算法，利用子频率区间的不平度时域谱生成路面不平度时域谱。
进一步地，上述路面激励载荷模块还用于：将表示各个子频率区间的不平度时域谱的余弦波函数叠加，通过下述公式确定路面不平度时域谱：
其中，q(t)为路面不平度时域谱。
本发明实施例提供的路面激励载荷的获取装置，与上述实施例提供的路面激励载荷的获取方法具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果。
本实施方式提供了一种与上述方法实施方式相对应的路面激励载荷的获取实现装置。图6为该实现装置的结构示意图，如图6所示，该设备包括处理器1201和存储器1202；其中，存储器1202用于存储一条或多条计算机指令，一条或多条计算机指令被处理器执行，以实现上述路面激励载荷的获取方法。
图6所示的实现装置还包括总线1203和转发芯片1204，处理器1201、转发芯片1204和存储器1202通过总线1203连接。该报文传输的实现装置可以是网络边缘设备。
其中，存储器1202可能包含高速随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)，也可能还包括非不稳定的存储器(non-volatilememory)，例如至少一个磁盘存储器。总线1203可以是isa总线、pci总线或eisa总线等。所述总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。为便于表示，图6中仅用一个双向箭头表示，但并不表示仅有一根总线或一种类型的总线。
转发芯片1204用于通过网络接口与至少一个用户终端及其它网络单元连接，将封装好的ipv4报文或ipv6报文通过网络接口发送至用户终端。
处理器1201可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。在实现过程中，上述方法的各步骤可以通过处理器1201中的硬件的集成逻辑电路或者软件形式的指令完成。上述的处理器1201可以是通用处理器，包括中央处理器(centralprocessingunit，简称cpu)、网络处理器(networkprocessor，简称np)等；还可以是数字信号处理器(digitalsignalprocessing，简称dsp)、专用集成电路(applicationspecificintegratedcircuit，简称asic)、现成可编程门阵列(field-programmablegatearray，简称fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。可以实现或者执行本发明实施方式中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。结合本发明实施方式所公开的方法的步骤可以直接体现为硬件译码处理器执行完成，或者用译码处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器，闪存、只读存储器，可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器1202，处理器1201读取存储器1202中的信息，结合其硬件完成前述实施方式的方法的步骤。
本发明实施方式还提供了一种机器可读存储介质，该机器可读存储介质存储有机器可执行指令，该机器可执行指令在被处理器调用和执行时，机器可执行指令促使处理器实现上述路面激励载荷的获取方法，具体实现可参见方法实施方式，在此不再赘述。
本发明实施方式所提供的路面激励载荷的获取装置及实现装置，其实现原理及产生的技术效果和前述方法实施方式相同，为简要描述，装置实施方式部分未提及之处，可参考前述方法实施方式中相应内容。
在本申请所提供的几个实施方式中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施方式仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施方式的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
另外，在本发明各个实施方式中的各功能模块或单元可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本公开的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本公开各个实施方式所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
最后应说明的是：以上所述实施方式，仅为本公开的具体实施方式，用以说明本公开的技术方案，而非对其限制，本公开的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施方式对本公开进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施方式所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本公开实施方式技术方案的精神和范围，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
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