研究結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能對優(yōu)化產(chǎn)品零部件的使用場景和壽命至關(guān)重要。對零部件進行模態(tài)試驗有助于分析其固有頻率、阻尼和振型等模態(tài)參數(shù)，有助于進一步改進設(shè)計，提高產(chǎn)品零部件的結(jié)構(gòu)性能。因此，模態(tài)分析是產(chǎn)品開發(fā)過程中的關(guān)鍵步驟。
本文通過模態(tài)試驗分析研究了高鐵列車車輪的模態(tài)特性。車輪振動影響輪軌相互作用的動力學(xué)特性。了解這些振動特性將有助于減輕高速行駛時的振動和噪聲。在行駛或制動操作過程中可能存在一定的激勵頻率，從而引起共振現(xiàn)象，潛在地影響乘客的安全性和舒適性。因此，車輪的模態(tài)分析對減輕令人不適的振動和噪聲具有重要意義。
圖1?高鐵列車車輪模態(tài)錘擊試驗
利用力錘和4個三軸傳感器進行了錘擊試驗，獲得了高鐵列車車輪的振動特性。用力錘敲擊激發(fā)的短脈沖頻率范圍很廣。力錘法試驗的另一個優(yōu)點是過程快速且容易的設(shè)置。采用巡回激勵方法進行模態(tài)試驗，以避免巡回響應(yīng)測量引起的質(zhì)量附加效應(yīng)。
采用Spider-80Xi動態(tài)測試系統(tǒng)搭配最新的EDM?9.1版本的模態(tài)軟件EDM-Modal進行錘擊模態(tài)測試。
108個測點在高鐵列車車輪上呈徑向和周向分布，以獲得良好的振型空間分辨率。使用一根柔軟的繩索懸掛高鐵列車車輪，以模擬自由-自由邊界條件(如實驗設(shè)置所示)。用帶金屬錘頭的力錘巡回遍歷各個測點。通過放置相應(yīng)的4個三軸加速度計來采集錘擊激勵的響應(yīng)。在垂直方向(“Z”)測量激勵和響應(yīng)有助于獲得“平面外”模態(tài)振型。
圖2?高鐵列車車輪幾何模型
這個模態(tài)測試對于結(jié)構(gòu)的前9個模態(tài)感興趣，因此設(shè)置了12.8 kHz的采樣率。選擇塊大小為8192。使用這些配置設(shè)置可以獲得1.5625 Hz的頻率分辨率。通過在每個測量自由度上線性平均4幀數(shù)據(jù)，可以獲得精度較高和噪聲較低的測量結(jié)果。
力錘的金屬錘頭可以激發(fā)激發(fā)高達5.5 kHz頻率范圍的模態(tài)。塊大小較大有助于確保結(jié)構(gòu)響應(yīng)的自然衰減，而無需引入力指數(shù)窗。這種塊大小的另一個好處是可以獲得更精細的頻率分辨率。通過這種設(shè)置，不會有泄漏，并且可以選擇一個均勻窗。
圖3?高鐵列車車輪的錘擊測量
相干圖有助于用戶驗證測量結(jié)果，從前面的截圖來看，測量效果不錯。相干圖中的谷出現(xiàn)在反共振頻率處，這表明相應(yīng)頻率下的響應(yīng)水平相對較低。所以總的來說，輸入和輸出在理想的頻率范圍內(nèi)具有很好的相關(guān)性。
在巡回激勵測試過程中，激勵和被測頻響信號的響應(yīng)自由度自動切換。這可以從模態(tài)數(shù)據(jù)選擇選項卡觀察到。
頻響測量在0-2000hz頻段顯示有較好主峰。將測得的平面外頻響(Z)重疊，可以識別出若干模態(tài)。這些峰排列良好，表明測量結(jié)果良好，沒有產(chǎn)生質(zhì)量附加效應(yīng)。
圖4 模態(tài)數(shù)據(jù)選擇選項卡顯示所有重疊頻響的幅值和相位
復(fù)模指示函數(shù)(CMIF)用于定位分析頻率范圍內(nèi)的模態(tài)。此外，還可以通過觀察求和頻響函數(shù)（?summed FRF）來識別模態(tài)。采用新的Poly-X方法對頻響函數(shù)進行曲線擬合，得到如下的穩(wěn)態(tài)圖。在分析頻率范圍內(nèi)選擇六種模態(tài)。
圖5?模態(tài)指示函數(shù)用于定位和識別分析頻率范圍內(nèi)的模態(tài)
選取穩(wěn)定極點(穩(wěn)定頻率和穩(wěn)定阻尼)，得到感興趣模態(tài)的固有頻率和阻尼比。
圖6?確定極點的穩(wěn)態(tài)圖
留數(shù)計算得到與每個模態(tài)相關(guān)的模態(tài)振型。
Auto-MAC矩陣幫助用戶驗證結(jié)果。下面的Auto-MAC矩陣向用戶顯示各階模態(tài)彼此正交(低非對角元素)，并且是唯一標識的(高對角元素)。
圖7?Auto-MAC 矩陣用于驗證模態(tài)
下面是高鐵列車車輪在499.049赫茲時的第一種彎曲模態(tài)。
圖8??499 Hz的一階彎曲模態(tài)
在708.342 Hz時，子彈頭列車車輪的扭轉(zhuǎn)振動在712.675 Hz時發(fā)生90度位移。
下面的模態(tài)顯示高鐵列車車輪在708.342Hz發(fā)生扭轉(zhuǎn)振動，并且在712.675Hz扭轉(zhuǎn)振動角度旋轉(zhuǎn)90度。
下面的模態(tài)是高鐵列車車輪的2階彎曲模態(tài)，展示了在1Hz頻率內(nèi)振型旋轉(zhuǎn)45度。
這次試驗還識別出結(jié)構(gòu)的徑向模態(tài)。下圖顯示了高鐵列車車輪的徑向振動運動，以及它如何在2hz頻率內(nèi)旋轉(zhuǎn)45度。
這次試驗還識別到高鐵列車輪轂內(nèi)段的彎曲運動。高鐵列車車輪內(nèi)段的二階彎曲振型也發(fā)生了90度的旋轉(zhuǎn)。
模態(tài)分析結(jié)果表明了EDM Model在工業(yè)結(jié)構(gòu)中的實際應(yīng)用。結(jié)果展示了spider 80xi DAQ系統(tǒng)的優(yōu)勢和EDM模態(tài)軟件在復(fù)雜結(jié)構(gòu)上執(zhí)行復(fù)雜模態(tài)測試的效率。