Sistemas rotativos estão no coração de quase qualquer estrutura mecânica. Eles são pontos críticos onde processos de conversão ou geração de energia ocorrem, fazendo com que os produtos cumpram seu propósito.
As partes rotativas são aquelas que fazem os carros andarem, aviões voarem, navios navegarem e permitem que obtenhamos eletricidade do vento, água e outras fontes. O desempenho geral do produto depende em grande parte da qualidade de seu design.
Para fazer esse trabalho corretamente, você precisa de excelentes habilidades de engenharia e software de simulação altamente preciso como o Simcenter 3D para Dinâmica de Rotores.
Como rotores funcionam
Rotores operam em condições extremamente adversas. Pode haver produtos químicos agressivos ou temperaturas extremas, dependendo da aplicação.
No entanto, há uma constante: a presença de fortes vibrações devido à carga dinâmica ou defeitos na estrutura rotativa. Isso torna a dinâmica dos rotores um aspecto crítico do projeto, onde erros podem ter consequências dramáticas.
Níveis excessivos de vibrações podem resultar em ressonâncias que tornam o produto instável ou causam falhas nas peças. Imagine um motor a jato quebrando em pleno voo ou uma pá de rotor sendo arrancada de uma turbina em uma usina nuclear.
É aí que a engenharia de dinâmica de rotores falha e se torna uma ameaça à vida. Assista a este helicóptero se autodestruir enquanto sua hélice gira a uma certa velocidade.
O exemplo ilustra por que entender a dinâmica de rotores é extremamente importante.
Com um bom design, os engenheiros precisam evitar circunstâncias críticas e encontrar soluções para prevenir ou mitigar consequências perigosas.
Eles devem estudar numerosas condições operacionais, incluindo várias velocidades de rotação, aceleração/desaceleração, cargas desequilibradas e mais. São muitos para serem cobertos por testes físicos – se destruir protótipos repetidamente fosse uma opção, de qualquer forma.
Em vez disso, os engenheiros precisam de ferramentas para criar modelos realistas, prever o comportamento da dinâmica de rotores e explorar opções de design.
Nesse sentido, a simulação precisa impulsionar o processo de tomada de decisão. E, dadas as potenciais consequências dos erros, a precisão é uma questão de vida ou morte.
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Imperfeições levando a altos níveis de vibração
Os dois gatilhos mais comuns para falhas são o desbalanceamento do rotor e o desalinhamento.
Eles podem ocorrer devido ao desgaste do sistema rotativo ao longo do tempo. Mas também podem resultar de imperfeições introduzidas durante o processo de fabricação.
Qualquer que seja a causa raiz, ambos induzirão forças no sistema montado, que podem levar a altos níveis de vibrações quando combinados com as condições de contorno erradas.
O desbalanceamento do rotor é a distribuição desigual de massa ao redor do eixo do rotor. Já o desalinhamento, por outro lado, refere-se a uma situação em que o eixo do rotor não está completamente reto, onde vários eixos não são perfeitamente colineares ou onde elementos de conexão mostram deflexão.
Mesmo em condições em que esses fenômenos não ameaçariam imediatamente a integridade estrutural, ainda vale a pena evitá-los, pois afetarão a eficiência do sistema.
Estudar o impacto do desbalanceamento do rotor e do desalinhamento usando software especializado como o Simcenter 3D é exatamente o trabalho dos engenheiros de dinâmica de rotores.
Para fazer isso, eles começam determinando as frequências próprias, modos de vibração e velocidades críticas do sistema rotativo sem defeitos. E então eles simulam a resposta do sistema levando esses defeitos em consideração. Esses são os fundamentos da engenharia de dinâmica de rotores.
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Avaliar com precisão os modos rotativos e as velocidades críticas
O primeiro passo em um projeto de engenharia de dinâmica de rotores é criar modelos precisos para determinar com precisão o comportamento dinâmico natural do próprio sistema.
Para qualquer sistema estrutural estacionário, as propriedades dinâmicas podem ser descritas por frequências naturais e modos de vibração, obtidos pela decomposição dos valores próprios de sua matriz de massa e rigidez.
Estudar esses aspectos é crucial para evitar ressonâncias. Essas são instabilidades que podem ocorrer quando espectros de carga excitam o sistema nas frequências próprias.
No entanto, quando uma estrutura gira, o problema dos valores próprios se torna complexo devido ao efeito giroscópico e à dissipação estrutural. As frequências próprias terão uma parte imaginária. E os modos de vibração correspondentes se dividirão em dois chamados modos rotativos: um girando na mesma direção que o rotor (chamado de modo direto) e outro na direção oposta (chamado de modo inverso). Esses modos rotativos desempenham um papel crucial na engenharia de dinâmica de rotores.
Eles são os padrões de deformação dominantes que aparecerão quando fenômenos ocorrerem que possam levar à instabilidade, especialmente em velocidades críticas. A melhor maneira de caracterizá-los é observando um gráfico de órbita.
Orbit plot for rotor dynamics. Left: forward precession – direction of rotation and orbit are the same. Right: backward precession – direction of rotation and orbit are opposite.
Uma velocidade crítica é quando a velocidade de rotação iguala uma frequência própria. Quando isso acontece, pouco é necessário para desencadear a instabilidade do sistema. Prever com precisão essas velocidades e estudar possíveis problemas de ressonância associados são prioridades absolutas na engenharia de dinâmica de rotores.
O diagrama de Campbell para dinâmica de rotores
Uma ferramenta indispensável para determinar essa métrica crucial é um diagrama de Campbell. Este mostra como a parte imaginária de diferentes frequências próprias evolui em função da velocidade de rotação.
Após calcular uma análise de dinâmica de rotores no referencial fixo, você pode reconhecer modos diretos como aqueles onde as frequências próprias aumentam com a velocidade de rotação. As frequências próprias dos modos inversos diminuem com a velocidade de rotação.
Desenhando uma linha de primeira ordem, as velocidades críticas podem ser facilmente lidas do diagrama de Campbell.
Lembre-se de que, além da estrutura rotativa, os rolamentos também desempenham um papel importante aqui, com suas características específicas de rigidez, dissipação e (an)isotropia. Portanto, também esses precisam ser simulados com o maior realismo possível.
Além disso, a dissipação em geral é um parâmetro importante para um sistema rotativo. A dissipação dentro da estrutura da parte rotativa pode ter um efeito desestabilizador no rotor, particularmente acima da velocidade crítica.
Por outro lado, a dissipação proveniente de elementos de conexão ou da parte não rotativa tem um efeito estabilizador. Você pode analisar essa estabilidade em um diagrama de dissipação, mostrando a evolução da parte real da frequência própria em função da velocidade de rotação. Quando a parte real é positiva, o sistema se torna instável.
Análise de resposta forçada de dinâmica de rotores
Após determinar as características dinâmicas acima, os engenheiros de dinâmica de rotores estudam o impacto de cargas externas ou defeitos. Ao fazer uma análise de resposta forçada no domínio do tempo ou da frequência, eles podem monitorar as amplitudes de vibração e avaliar a sobrevivência do sistema.
No domínio da frequência, o sistema é considerado em estado estacionário. Se a frequência de excitação igualar a velocidade de rotação do rotor, falamos de uma análise síncrona.
Este é o caso para uma carga de desbalanceamento ou desalinhamento. Se a frequência de excitação for independente da velocidade de rotação do rotor, por exemplo, uma vibração induzida pelo solo, então falamos de uma análise assíncrona.
A análise de resposta forçada no domínio da frequência é geralmente linear, mas não linearidades geométricas provenientes de elementos de conexão podem ser consideradas.
Durante a análise de resposta forçada é quando os modos rotativos se tornam importantes. Quais, depende do caso.
Por exemplo, um desbalanceamento em um rotor montado em rolamentos isotrópicos excitará apenas modos diretos. Esses então causarão altos níveis de vibração à medida que a velocidade de rotação se aproxima da frequência própria correspondente. Modos inversos não contribuem neste caso.
O gráfico abaixo mostra isso. A curva representa a amplitude de deslocamento no centro de um disco de rotor em função da velocidade de rotação (ou frequência, já que esta é uma análise síncrona). Podemos ver picos em 14 e 47 Hz. Estes correspondem às frequências próprias dos modos diretos, como o diagrama de Campbell logo abaixo indica. Este fenômeno de desbalanceamento não excita modos inversos.
Displacement amplitude at a rotor disk center as calculated from a forced response analysis.
Além da análise no domínio da frequência, engenheiros de dinâmica de rotores também fazem análise de resposta forçada no domínio do tempo, ou análise transiente.
As cargas podem então ser definidas em função do tempo ou da velocidade de rotação, para simular uma aceleração ou desaceleração do sistema.
Evento de perda de pá
Um exemplo típico de onde a análise de resposta forçada no domínio do tempo é necessária é a previsão de um evento de perda de pá.
Durante tal simulação, engenheiros de dinâmica de rotores selecionam um critério de ruptura para elementos de conexão e monitoram as forças nesses elementos durante a análise transiente.
Quando essas forças excedem um valor limite, a conexão se rompe e o link entre as duas partes conectadas é removido. O exemplo no vídeo mostra um equivalente real de tal simulação, um teste no motor a jato Rolls Royce Trent 900 para o Airbus A380.
Em resumo
Estudar a dinâmica de rotores é verdadeiramente crítico para garantir a sobrevivência de sistemas rotativos.
A maior parte do trabalho precisa ser baseada em previsão. Como as consequências de falhas podem ser dramáticas, simulações de alta precisão, como as que você pode fazer no Simcenter 3D para dinâmica de rotores, podem salvar vidas.
Os fenômenos mais importantes que podem causar danos são desbalanceamento e desalinhamento do rotor. Quando esses ocorrem em combinação com as condições operacionais erradas, muito pouco é necessário para tornar todo o sistema instável.
Como descrito neste blog, engenheiros de dinâmica de rotores começam suas análises determinando as características dinâmicas do sistema em estado estacionário.
Métricas importantes são as frequências próprias complexas e os modos de precessão correspondentes, bem como as velocidades críticas, que podem ser obtidas a partir de um diagrama de Campbell. Em seguida, eles estudam eventos na análise de resposta forçada no domínio da frequência e no domínio do tempo.
O Simcenter 3D inclui ferramentas dedicadas para completar todas as etapas do processo.
O software inclui funcionalidades específicas que os engenheiros de dinâmica de rotores precisariam para aplicar condições de contorno realistas, preparar geometrias de maneira eficaz, realizar malhagem, fazer cálculos mais eficientes e obter um pós-processamento mais informativo.
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Fonte: https://blogs.sw.siemens.com/simcenter/rotor-dynamics-when-accuracy-is-a-matter-of-life-and-death/
