基于车辆-地面系统振动功率流分析法的土壤软路面谱形成机理和表达研究

This project put vibration transfer of the Vehicles - the ground system as the research object, put the Vehicles - the ground system as the connection body in the vibration transfer path which contains the soil road , tires and the vehicle , put the soil road as excitation source of vibration transmission , established the model of single degree of freedom and the single source of vibration excitation ,in order to exclude the coherent disturbance of the multiple source of vibration excitation , used the vibration power flow analysis method which contains two factors of force and motion state, by design experiment to analysis vibration power flow and the vibration acceleration signals in each level of each factors ,which including the soil mechanics properties, soil surface morphology curve, tire pressure, the car body stiffness and load, speed and so on .It reveal amplitude frequency characteristics of the vibration acceleration signal by spectrum analysis, to reveal the vibration power flow distribution characteristics on the vibration transfer effective frequency band ,to built the vibration transfer function, through the inverse matrix method, to establish vibration power spectrum of the soft soil road, namely of the incentive source , through finite element simulation of the power flow and real vehicle experiment to correction model.

本项目以车-地系统的振动能量传递过程为研究对象，把车-地系统视作为从土壤表层土体，轮胎，到车体的振动传递路径中的连接体，为排除多激励源的相干扰动对振动传递的影响，以土壤表层土体作为系统的振动激励源，建立单自由度单激励的简化模型，应用综合了接触耦合处的激励力和振动运动状态两个因素的振动功率流分析方法，通过设计包含土壤表层力学性质，土壤表面形貌曲线，轮胎胎压，车体刚度和载荷，行驶速度等因素各水平下振动功率流分布测试试验和各连接体振动加速度信号测试试验，对振动加速度信号进行频谱分析，揭示连接体各因素在各水平下的幅频特征，揭示对振动传递有效贡献的频带，进而揭示在有效频带上的车-地系统振动功率流分布特点；建立各因素水平下的振动传递函数，通过逆矩阵法，建立激励源即土壤软路面的振动功率谱；通过功率流有限元仿真和实车试验进行模型校验。

土壤软路面不平度是引起农用车辆振动的主要激励源。由于软路面容易变形塌缩，因此提供振动输入激励的并不是土壤软路面原始不平度。为明确这一问题，本项目提出以振动的频带和功率谱密度为评价依据，探索软路面有效不平度的形成机理和表达。.首先测量了试验用耕地土壤和土槽内土壤的物理性质。通过针尺式土壤表面形貌测量仪，测量并分析了犁地，耙地，旋耕地表面形貌的幅频特性和分形特征。在4－50厘米的无标度区间内，耕地表面表现为自相似特性。由此特征实现三维形貌的重构，以减少耕地不平度的测量工作。通过锤击试验，测试了土壤，轮胎的固有频率和阻尼比，获得它们的等效质量、等效刚度和等效阻尼。根据二自由度振动模型的模态理论，计算得到拖拉机在松软土壤上行驶时的振动频率范围在4.30Hz和4505.60Hz之间。在压实土壤上行驶时的振动频率范围在20.46Hz和1649.10Hz之间。通过分析拖拉机振动加速度得到频率范围为2.58Hz-55.64Hz，说明模态理论很好的解释了拖拉机受迫振动的频率分布特点。.设计三轮车台架，单轮车台架，基于模态理论，获得在含水率一定时，土壤固有频率随孔隙度的增加而增加。在孔隙度一定时，固有频率随含水率的增长先缓慢增长，后呈下降趋势，随后趋于平缓。三轮车振动频率与轮胎胎压，车辆载荷有关。随载荷增大，车辆前进后退时的振动频率减小明显，后退时的频率基本都大于前进时的频率。通过正交试验，获得当胎压为250kPa，载荷为188N时车辆振动频率最大；当胎压为150kPa，载荷为470N时车辆振动频率最小。构造21种典型坑路面来模拟犁地形貌，获得单轮车垂直方向振动分量的频率峰值主要集中在2Hz，水平纵向振动分量的频率峰值主要集中在5Hz。振动频率峰值点随着矩形坑的深度和跨度的变化而变化不显著，平均功率随着矩形坑跨度的增加而呈线性变化，水平纵向振动分量的平均功率高于垂直方向振动分量的平均功率。根据压实和松软土壤的刚度不同，获得整车拖拉机在行驶后的下陷位移。本项目的工作为建立各种耕地形貌，引起振动激励的有效不平度路面谱做了理论和试验探索。