研究結構的力學性能對優化產品零部件的使用場景和壽命至關重要。對零部件進行模態試驗有助于分析其固有頻率、阻尼和振型等模態參數，有助于進一步改進設計，提高產品零部件的結構性能。因此，模態分析是產品開發過程中的關鍵步驟。

本文通過模態試驗分析研究了高鐵列車車輪的模態特性。車輪振動影響輪軌相互作用的動力學特性。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，從而引起共振現象，潛在地影響乘客的安全性和舒適性。因此，車輪的模態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。用力錘敲擊激發的短脈沖頻率范圍很廣。力錘法試驗的另一個優點是過程快速且容易的設置。采用巡回激勵方法進行模態試驗，以避免巡回響應測量引起的質量附加效應。

采用Spider-80Xi動態測試系統搭配最新的EDM?9.1版本的模態軟件EDM-Modal進行錘擊模態測試。

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。通過放置相應的4個三軸加速度計來采集錘擊激勵的響應。在垂直方向(“Z”)測量激勵和響應有助于獲得“平面外”模態振型。

圖2?高鐵列車車輪幾何模型

這個模態測試對于結構的前9個模態感興趣，因此設置了12.8 kHz的采樣率。選擇塊大小為8192。使用這些配置設置可以獲得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幀數據，可以獲得精度較高和噪聲較低的測量結果。

力錘的金屬錘頭可以激發激發高達5.5 kHz頻率范圍的模態。塊大小較大有助于確保結構響應的自然衰減，而無需引入力指數窗。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果，從前面的截圖來看，測量效果不錯。相干圖中的谷出現在反共振頻率處，這表明相應頻率下的響應水平相對較低。所以總的來說，輸入和輸出在理想的頻率范圍內具有很好的相關性。

在巡回激勵測試過程中，激勵和被測頻響信號的響應自由度自動切換。這可以從模態數據選擇選項卡觀察到。

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。這些峰排列良好，表明測量結果良好，沒有產生質量附加效應。

圖4 模態數據選擇選項卡顯示所有重疊頻響的幅值和相位

復模指示函數(CMIF)用于定位分析頻率范圍內的模態。此外，還可以通過觀察求和頻響函數（?summed FRF）來識別模態。采用新的Poly-X方法對頻響函數進行曲線擬合，得到如下的穩態圖。在分析頻率范圍內選擇六種模態。

圖5?模態指示函數用于定位和識別分析頻率范圍內的模態

選取穩定極點(穩定頻率和穩定阻尼)，得到感興趣模態的固有頻率和阻尼比。

圖6?確定極點的穩態圖

留數計算得到與每個模態相關的模態振型。

Auto-MAC矩陣幫助用戶驗證結果。下面的Auto-MAC矩陣向用戶顯示各階模態彼此正交(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

下面是高鐵列車車輪在499.049赫茲時的第一種彎曲模態。

圖8??499 Hz的一階彎曲模態

在708.342 Hz時，子彈頭列車車輪的扭轉振動在712.675 Hz時發生90度位移。

下面的模態顯示高鐵列車車輪在708.342Hz發生扭轉振動，并且在712.675Hz扭轉振動角度旋轉90度。

 

下面的模態是高鐵列車車輪的2階彎曲模態，展示了在1Hz頻率內振型旋轉45度。

 

這次試驗還識別出結構的徑向模態。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頻率內旋轉45度。

這次試驗還識別到高鐵列車輪轂內段的彎曲運動。高鐵列車車輪內段的二階彎曲振型也發生了90度的旋轉。

模態分析結果表明了EDM Model在工業結構中的實際應用。結果展示了spider 80xi DAQ系統的優勢和EDM模態軟件在復雜結構上執行復雜模態測試的效率。