司友強,咼潤華,李夢茹

(1.新疆大學 建筑工程學院,新疆 烏魯木齊 830046；2.清華大學 土木工程系)

車輛、輪胎、路面和環(huán)境等因素對瀝青路面的抗滑性能以及設計方法具有重要影響，目前國內外對抗滑性能的研究主要集中在輪胎與路面間。尤其胎-路接觸情況與抗滑能力直接相關。黃曉明等分析了胎-路接觸力學模型和附著特性原理。通過研究發(fā)現(xiàn)胎-路有效接觸構造和抗滑性能具有良好的相關性。橡膠輪胎雖然具有良好的彈性和變形性能，但是也有一定的剛度。在與瀝青路面接觸時，二者有效接觸面積并不是完全按照路面集料形成的表面紋理構造緊密接觸，特別是當集料間夾角為尖銳角時，輪胎與路面的有效接觸僅為頂點周圍部分。如何精確地提取胎-路有效接觸構造得到與抗滑性能的關系是近幾年研究的熱點問題。

1 胎-路有效接觸構造

1.1 Rado有效接觸構造模型

Rado和Cho等提出利用希爾伯特-黃變換(Hilbert-Huang Transform，簡稱HHT)對二維紋理信號進行處理。HHT的基本原理主要是對任意原始數據s(t)的局部極大值和極小值，分別用三次樣條插值連接產生上、下包絡線，得到對應數據點m的均值，定義s(t)與m的差值為第一個分量h:h=s(t)-m。將h視為新的原始數據s(t)，重復以上步驟，直到h滿足以下條件時：

(1)在整個時程過程中，極值點數目和過零點數目相等最多相差1個。

(2)在任意點，由局部極大值點和局部極小值點構成的兩條包絡線平均值為零，則視為IMF(Intrinsic Mode Function，簡稱IMF)分量；記c1=h為IMF1。

s(t)-c1=r1(t)，將r1(t)視為新的s(t)，重復以上過程依次得到IMF2、c2、r2(t)、…、IMFn、cn、rn(t)等。

(1)

式中：rn(t)為余項。

將分解的信號進行希爾伯特變換，對于任意時間序列x(t)：

(2)

解析信號為：

(3)

瞬時振幅為：

(4)

相位為：

(5)

瞬時頻率為：

(6)

Rado等首先對信號進行經驗模態(tài)分解(Empirical Mode Decomposition，簡稱EMD)得到頻率由高到低排列的固有模態(tài)函數。取前15個IMFs，每4個為一組，最后一組3個為一組，得到4組聯(lián)合固有模態(tài)函數BIMF。通過希爾伯特變換得到BIMF瞬時頻率和瞬時振幅，最后提取峰值包絡線并求均值研究與抗滑性能間的相關性，將瞬時幅值上包絡線作為胎-路有效接觸構造線。

路面紋理包含宏觀紋理和微觀紋理，其中宏觀紋理的波長范圍為0.5～50 mm，微觀紋理波長范圍為0.000 1～0.5 mm，宏觀紋理對應的頻率為低頻部分，微觀紋理對應高頻部分。

Rado等得到的4個BIMF包含高頻和低頻部分，能充分表示瀝青路表面構造與其抗滑性能密切相關的宏觀構造和微觀構造部分。通過采集二維紋理信息能夠快速地研究信號幅值與頻率的關系，建立不同速度下路面抗滑性能與幅值頻率的相關性。

Rado模型雖然能有效地反映輪胎與路面接觸構造，但同時存在局限性：

(1)只是從二維信號的角度評價了路面宏觀構造，缺乏對輪胎有效接觸區(qū)域三維紋理形貌的評價。

(2)其應用假設輪胎是剛性的，忽略了輪胎的柔性變形。

(3)微觀紋理對路面抗滑性能具有重要影響，受儀器采集精度的限制，獲取的構造曲線難以達到微觀紋理尺度。

1.2 數據采集方法

通過激光傳感器測量方法采集紋理數據是目前國內外新興的一種快速非接觸式檢測方法，通常用縱斷面平均構造深度MPD和平均構造深度MTD作為抗滑性能評價指標。而目前的評價方法只是從二維數據得到的結果，不能真實反映三維紋理空間形態(tài)。李偉等通過線激光與雙目相機技術采集路面三維紋理信息，通過雙向標準差濾波與形態(tài)學濾波方法對數據進行清洗，最后通過點面映射與指數加權方法計算紋理構造深度大小。結果表明：該方法能夠準確地計算紋理構造深度；丁世海等采用三維激光掃描技術采集路面紋理數據，通過Matlab對處理后的數據三維重構。用四連通區(qū)域多種子組合填充算法模擬人工鋪砂法計算MTD；劉林等的多功能檢測車紋理測量系統(tǒng)數據高程分辨率可達 10 μm，不受行車速度影響，可對采集的紋理數據實現(xiàn)精確的三維重構。將Rado胎-路有效接觸構造計算方法從簡單的二維數據應用到三維數據中，分析胎-路有效接觸面的構造與抗滑性能間的關系，為研究者提供了新的研究路徑。

1.3 壓力膠片系統(tǒng)

陳搏等通過壓力膠片系統(tǒng)采集輪胎與路面的接觸痕跡，主要應用壓力傳感器采集輪胎與路面接觸部分壓力p>0的點。并且將醫(yī)學上影像處理技術應用到膠片印痕圖像處理中，采用基于進化算法的壓力膠片圖像配準與融合，得到三維接觸應力分布和有效接觸面積。通過分析輪胎有效接觸區(qū)域內的瀝青路面紋理三維形態(tài)分布，結果表明使用輪胎有效接觸構造指標能夠有效地表征路面抗滑水平。

由于需要應用壓敏薄片與路面接觸采集紋理痕跡，目前在實際應用中不能快速高效地完成檢測需求。但是，隨著智能化技術的進步，智能鋪面的發(fā)展可以促進壓力膠片系統(tǒng)的廣泛應用?！叭?車-路-環(huán)境”之間智能網聯(lián)交互的智能交通運輸系統(tǒng)將成為中國道路交通建設的重點。智能鋪面具有主動感知、自動辨析、自主適應、動態(tài)交互、持續(xù)供能等優(yōu)點。壓力膠片系統(tǒng)主要通過壓力傳感器接收輪胎與路面的壓力大小采集接觸痕跡，智能鋪面同樣依靠傳感器接收路面狀況進行自主分析和數據動態(tài)交互。未來胎-路接觸紋理構造智能化水平見表1。

表1 未來胎-路接觸紋理構造智能能力

1.4 有限元法

近幾年，有限元方法在道路工程領域得到廣泛應用，對輪胎與路面的接觸模型研究也不斷深入,但是主要集中在接觸應力模型分析中。舒春建等研究了輪胎與路面接觸摩擦力學的內容。通過多重分形理論研究瀝青道路表面紋理的自相似性。通過有限元軟件建立輪胎與路面接觸應力模型，分析紋理磨損規(guī)律；Kenta Nishiyama等采用有限元法對輪胎下方和附近區(qū)域以外的土樣進行有限元建模，利用離散元法分析輪胎與土壤接觸界面附近的影響區(qū)域；Ding Han等為了分析不同工況下的輪胎壓痕，計算汽車制動時瀝青路面的動力響應，建立了考慮溫度依賴性的瀝青混凝土黏彈本構模型的輪胎-路面耦合仿真系統(tǒng)，分析不同溫度瀝青混凝土層靜態(tài)和動態(tài)條件下的輪胎印跡。

雖然胎-路真實接觸構造影響因素較多，有限元方法能夠最接近實際地模擬接觸狀況，為接觸構造分析提供數據支持。

1.5 其他方法

針對胎-路有效接觸構造的問題，國內外學者根據不同的狀況做了很多研究。周剛等使用復寫紙采集輪胎與路面的接觸面積；Liang等利用Tekscan壓力測量系統(tǒng)研究了子午輪胎與路面有效接觸構造的規(guī)律；Kriston等應用計算機CT斷層掃描技術，研究橡膠與表面之間的接觸。該方法可以直接顯示真實接觸面積，而不改變原有的特點。對于胎路有效接觸構造的提取主要是基于計算機技術進行分析研究。從最初的復寫紙采集紋理印跡并通過圖像技術處理，到激光傳感器技術和CT技術等都需要交叉學科知識處理胎-路接觸問題。

2 結論

(1)瀝青路面的抗滑性能與輪胎和路面相互作用具有重要的關系，文中對胎-路有效接觸構造的研究現(xiàn)狀進行了分析與展望。

(2)Rado接觸模型能很好地表征紋理與抗滑性能間的相關性，將模型應用于三維數據中，可為研究真實三維形態(tài)提供新的思路。

(3)壓力膠片系統(tǒng)能精確地提取輪胎與路面的接觸痕跡，通過圖像處理技術提取三維紋理結構。在中國智能化技術快速發(fā)展趨勢下，智能鋪面技術將會使壓力膠片原理得到進一步的應用和發(fā)展。

(3)隨著有限元軟件的發(fā)展，胎-路接觸應力模型研究較多，對有效接觸構造的研究較少，通過理論模型對胎-路有效接觸構造進行模擬具有重要的意義。