研究结构的力学性能对优化产品零部件的使用场景和寿命至关重要。对零部件进行模态试验有助于分析其固有频率、阻尼和振型等模态参数，有助于进一步改进设计，提高产品零部件的结构性能。因此，模态分析是产品开发过程中的关键步骤。
本文通过模态试验分析研究了高铁列车车轮的模态特性。车轮振动影响轮轨相互作用的动力学特性。了解这些振动特性将有助于减轻高速行驶时的振动和噪声。在行驶或制动操作过程中可能存在一定的激励频率，从而引起共振现象，潜在地影响乘客的安全性和舒适性。因此，车轮的模态分析对减轻令人不适的振动和噪声具有重要意义。
图1 高铁列车车轮模态锤击试验
利用力锤和4个三轴传感器进行了锤击试验，获得了高铁列车车轮的振动特性。用力锤敲击激发的短脉冲频率范围很广。力锤法试验的另一个优点是过程快速且容易的设置。采用巡回激励方法进行模态试验，以避免巡回响应测量引起的质量附加效应。
采用Spider-80Xi动态测试系统搭配最新的EDM 9.1版本的模态软件EDM-Modal进行锤击模态测试。
108个测点在高铁列车车轮上呈径向和周向分布，以获得良好的振型空间分辨率。使用一根柔软的绳索悬挂高铁列车车轮，以模拟自由-自由边界条件(如实验设置所示)。用带金属
锤头的力锤巡回遍历各个测点。通过放置相应的4个三轴加速度计来采集锤击激励的响应。在垂直方向(“Z”)测量激励和响应有助于获得“平面外”模态振型。
图2 高铁列车车轮几何模型
这个模态测试对于结构的前9个模态感兴趣，因此设置了12.8 kHz的采样率。选择块大小为8192。使用这些配置设置可以获得1.5625 Hz的频率分辨率。通过在每个测量自由度上线性平均4帧数据，可以获得精度较高和噪声较低的测量结果。
力锤的金属锤头可以激发激发高达5.5 kHz频率范围的模态。块大小较大有助于确保结构响应的自然衰减，而无需引入力指数窗。这种块大小的另一个好处是可以获得更精细的频率分辨率。通过这种设置，不会有泄漏，并且可以选择一个均匀窗。
图3 高铁列车车轮的锤击测量
相干图有助于用户验证测量结果，从前面的截图来看，测量效果不错。相干图中的谷出现在反共振频率处，这表明相应频率下的响应水平相对较低。所以总的来说，输入和输出在理想的频率范围内具有很好的相关性。
在巡回激励测试过程中，激励和被测频响信号的响应自由度自动切换。这可以从模态数据选择选项卡观察到。
频响测量在0-2000hz频段显示有较好主峰。将测得的平面外频响(Z)重叠，可以识别出若干模态。这些峰排列良好，表明测量结果良好，没有产生质量附加效应。
图4 模态数据选择选项卡显示所有重叠频响的幅值和相位
复模指示函数(CMIF)用于定位分析频率范围内的模态。此外，还可以通过观察求和频响函数（ summed FRF）来识别模态。采用新的Poly-X方法对频响函数进行曲线拟合，得到如下的稳态图。在分析频率范围内选择六种模态。
图5 模态指示函数用于定位和识别分析频率范围内的模态
选取稳定极点(稳定频率和稳定阻尼)，得到感兴趣模态的固有频率和阻尼比。
图6 确定极点的稳态图
留数计算得到与每个模态相关的模态振型。
Auto-MAC矩阵帮助用户验证结果。下面的Auto-MAC矩阵向用户显示各阶模态彼此正交(低非对角元素)，并且是唯一标识的(高对角元素)。
图7 Auto-MAC 矩阵用于验证模态
下面是高铁列车车轮在499.049赫兹时的第一种弯曲模态。
图8 499Hz的一阶弯曲模态
在708.342 Hz时，子弹头列车车轮的扭转振动在712.675 Hz时发生90度位移。 下面的模态显示高铁列车车轮在708.342Hz发生扭转振动，并且在712.675Hz扭转振动角度旋转90度。
下面的模态是高铁列车车轮的2阶弯曲模态，展示了在1Hz频率内振型旋转45度。
这次试验还识别出结构的径向模态。下图显示了高铁列车车轮的径向振动运动，以及它如何在2hz频率内旋转45度。
这次试验还识别到高铁列车轮毂内段的弯曲运动。高铁列车车轮内段的二阶弯曲振型也发生了90度的旋转。
模态分析结果表明了EDM Model在工业结构中的实际应用。结果展示了spider 80xi DAQ系统的优势和EDM模态软件在复杂结构上执行复杂模态测试的效率。
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高铁车轮的模态试验分析 - 图文
