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Type: TESE DIGITAL
Degree Level: Doutorado
Title: Interação entre rotor e fundação flexível sujeita a variações estruturais
Title Alternative: Interaction between rotor and flexible foundation subject to structural variations
Author: Martin, Leonardo Biagiotti Saint, 1992-
Advisor: Dedini, Katia Lucchesi Cavalca, 1963-
Abstract: Resumo: A interação dinâmica entre rotor e fundação é um fenômeno inerente à operação de qualquer máquina rotativa que pode alterar de maneira considerável a resposta desta. De fato, os efeitos desta interação sobre as frequências naturais e modos próprios de vibrar do componente rotativo da máquina serão tanto maiores quanto maiores forem as dimensões do rotor e a velocidade de operação da máquina, quanto mais flexível for a fundação em relação ao rotor e/ou quanto mais intensa for a vinculação entre rotor e fundação. No presente trabalho, uma fina base de aço, à qual vigas reforçadoras em diferentes configurações (quantidade e posição) podem ser acopladas, foi projetada e construída. A base constitui o principal componente da fundação flexível de um rotor Jeffcott/Laval e o acoplamento das vigas permite simular sutis alterações estruturais de fundação, permitindo avaliar os efeitos destas alterações sobre as respostas simulada e experimental do rotor a diferentes velocidades de rotação. Nas simulações, o rotor foi representado por um modelo em elementos finitos, com elementos de viga cilíndrica e de disco rígido; os mancais hidrodinâmicos, por coeficientes linearizados de rigidez e amortecimento, obtidos de expansões em séries de Taylor das componentes das forças hidrodinâmicas calculadas pela solução numérica da equação de Reynolds para o campo de pressão no filme de fluido lubrificante via Método de Volumes Finitos (MVF); e a fundação, por parâmetros modais obtidos por meio de dois métodos: o Least-Squares Complex Exponential (LSCE) e um método de minimização do erro quadrático entre Funções de Resposta em Frequência (FRFs) experimentais e analíticas. Para o sistema completo rotor-mancais-fundação, foram aplicados os métodos de redução de Guyan, System Equivalent Reduction Expansion Process (SEREP) e SEREP modificado, propondo-se, para este, a extração de matrizes dinâmicas reduzidas de um sistema físico de segunda ordem para o rotor, os mancais e a fundação, a partir da representação do modelo reduzido em espaço de estados. Constatou-se que os modelos reduzidos implicam custos computacionais totais consideravelmente menores para análises comuns ao projeto e à avaliação de máquinas rotativas, como respostas em frequência, diagramas de Campbell e frequências naturais/fatores de amortecimento. Os efeitos das alterações estruturais na fundação flexível foram avaliados sobre as respostas em frequência física e direcional, sobre as formas modais e sobre os diagramas de Campbell simulados do rotor. Por último, testes experimentais com o rotor evidenciaram, nas respostas aferidas no disco e, principalmente, nos mancais, as assinaturas características das diferentes configurações de fundação

Abstract: The dynamic interaction between rotor and foundation is an inherent phenomenon that can alter considerably the response of any rotating machine. Actually, the effects of this interaction on the natural frequencies and vibrating modes of the rotating component of the machine will be greater if the rotor dimensions are greater, the operation speed of the machine is higher, the foundation is more flexible with respect to the rotor and/or the rotor-foundation coupling is stronger. In this work, a thin steel plate, to which reinforcing beams can be attached at different configurations (quantity and position), was designed and built. The plate is the main component of a flexible foundation that supports a Jeffcott/Laval rotor, and the attachment of the beams allows to simulate subtle structural changes on the foundation, making possible to evaluate the effects of those changes on the simulated and experimental rotor responses at different rotation speeds. In the simulations, the rotor was represented by a finite element model, with cylindrical beam and rigid disk elements; the hydrodynamic journal bearings were represented by linear stiffness and damping coefficients, obtained from Taylor series expansions of the components of the hydrodynamic forces calculated by numerical solution of the Reynolds equation for the pressure field in the lubricant fluid film through the finite volume method; and the foundation was represented by modal parameters obtained with two methods: the Least-Squares Complex Exponential (LSCE) and a method of minimization of the quadratic error between experimental and analytical Frequency Response Functions (FRFs). For the complete rotor-bearings-foundation system, the reductions methods of Guyan, System Equivalent Reduction Expansion Process (SEREP) and modified SEREP were applied, and, for the latter, it was proposed the extraction of reduced dynamic matrices of a second order physical system for the rotor, the bearings and the foundation from the state-space representation of the reduced model. It was verified that the reduced models imply considerably lower total computational costs in common analysis performed for the design and evaluation of rotating machines, as frequency responses, Campbell diagrams and natural frequencies/damping factors. The effects of the flexible foundation structural changes were evaluated on the rotor simulated physical and directional frequency responses, mode shapes and Campbell diagrams. Finally, experimental tests with the rotor evidenced, at the disk and mainly at the bearings measured responses, the characteristic signatures of the different foundation configurations
Subject: Rotores
Mancais
Fundações (Engenharia)
Análise modal
Método dos elementos finitos
Resposta em frequência (Dinâmica)
Dinâmica estrutural
Language: Português
Editor: [s.n.]
Citation: MARTIN, Leonardo Biagiotti Saint. Interação entre rotor e fundação flexível sujeita a variações estruturais. 2020. 1 recurso online ( 258 p.) Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica, Campinas, SP.
Date Issue: 2020
Appears in Collections:FEM - Tese e Dissertação

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