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metadata.dc.type: Tese
metadata.dc.rights: Acesso Aberto
Title: Detecção e identificação de trincas transversais incipientes em eixos horizontais flexíveis de máquinas rotativas
Other Titles: Detection and identification of incipient transversal cracks in flexible and horizontal shafts of rotating machines
metadata.dc.creator: Cavalini Junior, Aldemir Aparecido
metadata.dc.contributor.advisor1: Steffen Júnior, Valder
metadata.dc.contributor.advisor-co1: Mahfoudh, Jarir
metadata.dc.contributor.referee1: Lepore Neto, Francisco Paulo
metadata.dc.contributor.referee2: Finzi Neto, Roberto Mendes
metadata.dc.contributor.referee3: Pederiva, Robson
metadata.dc.contributor.referee4: Sanches, Leonardo
metadata.dc.contributor.referee5: Melo, Gilberto Pechoto de
metadata.dc.description.resumo: Esta Tese de Doutorado propõe duas técnicas de Monitoramento da Integridade Estrutural (SHM) voltadas para a detecção e identificação de trincas transversais incipientes em eixos de máquinas rotativas. São apresentadas aplicações numéricas e experimentais realizadas sobre uma bancada de testes especialmente projetada e construída para este trabalho. A primeira delas é baseada no comportamento não linear do sistema; utiliza forças de diagnóstico em conjunto com um método evolutivo de otimização (Evolução Diferencial) para caracterizar as assinaturas de trinca nas respostas espectrais do rotor (denominadas picos de diagnóstico). Neste caso, o trabalho compreende tanto a detecção como a identificação do dano e contempla simulações computacionais e testes experimentais, ainda que em carácter preliminar. O método das Múltiplas Escalas é usado para determinar as condições requeridas para induzir o equipamento a uma combinação de ressonância. Para sua implementação, a técnica requer modelos matemáticos representativos do rotor e da trinca. Assim sendo, um modelo de Elementos Finitos capaz de representar adequadamente o comportamento dinâmico de uma máquina rotativa é obtido levando em conta os vários subsistemas que a compõe (eixo, acoplamento, discos, mancais e ainda o efeito giroscópico). Uma vez os subsistemas definidos e agrupados, os parâmetros considerados desconhecidos são identificados com base em resultados experimentais. Quanto à trinca, são apresentados três dos principais métodos de modelagem disponíveis na literatura para o breathing, fenômeno característico produzido por trincas transversais em eixos rotativos horizontais. São discutidos os fundamentos dos modelos de Gasch, Mayes e FLEX. Adicionalmente, são incorporadas as bases da Mecânica da Fratura Linear que determinam a relação entre o aumento da flexibilidade do eixo com a profundidade da trinca. A formulação utilizada para adaptar os modelos de Gasch e de Mayes para o método dos Elementos Finitos também é apresentada. Por fim, o comportamento dinâmico do rotor é analisado comparativamente quando inseridos os três modelos de trinca. A segunda técnica de SHM proposta neste trabalho trata-se de uma contribuição inédita, onde a detecção das trincas transversais é feita através do método da Impedância Eletromecânica, este de características apenas experimentais (não necessita de modelos matemáticos). Esta técnica de SHM é aplicada em um sistema mecânicos solicitado dinamicamente, a saber, o rotor flexível. Sua aplicação pressupõe a utilização das chamadas métricas de dano que visam quantificar a severidade do dano para fins de comparação. O trabalho contempla ainda a aplicação desta técnica de SHM na bancada de testes sob três condições de falha, tanto para o rotor em repouso como em operação. Apesar da detecção de trincas incipientes através de técnicas de SHM ser um dos problemas desafiadores da atualidade (considerando aqueles encontrados na área de dinâmica de rotação), os resultados satisfatórios obtidos com o método da Impedância Eletromecânica acrescentam um passo significativo no estado da arte.
Abstract: This Thesis proposes two Structural Health Monitoring (SHM) techniques concerning the detection and identification of incipient transverse cracks in rotating horizontal flexible shafts. Numerical and experimental applications are presented, dedicated to a specially designed test rig. The first SHM technique encompasses both numerical and experimental investigations. This technique is based on the nonlinear behavior of the cracked rotor. Diagnostic forces are used in conjunction with an evolutionary optimization method (Differential Evolution) in order to characterize the crack signatures in the spectral responses of the rotor (the so-called diagnostic peaks). The method of Multiple Scales determines the conditions required to induce the system to a combination resonance. This nonlinear SHM technique requires accurately mathematical models for the rotor and the crack. Therefore, a reliable Finite Element model to represent the dynamic behavior of the rotating machine is required. This model is obtained from various subsystems (shaft, couplings, discs, bearings and the gyroscopic effect). Once the defined subsystems are assembled, unknown parameters can be identified as based on experimental results. Concerning the crack model, three methods available in the literature to represent the breathing mechanism (typical characteristic of crack behavior found in horizontal flexible rotors) are analyzed, namely the Gasch, Mayes, and FLEX models. Additionally, the Linear Fracture Mechanics concepts used to determine the relationship between the shaft flexibility and the crack depth are described. The formulation used to adapt the models of Gasch and Mayes to the Finite Element method is also presented. Finally, the dynamic behavior of the cracked rotor under the three breathing models is analyzed for comparison purposes. The second SHM technique is a novel contribution, regarding rotordynamic applications. The detection of incipient transverse cracks is performed by the Electromechanical Impedance method, which is an eminent experimental approach (it does not require mathematical models). This type of application is accompanied by additional difficulties as characterizes by the dynamic excitation of the machine. Also, the socalled damage metrics are presented aiming at quantifying the severity of damage. The impedance- based technique is applied to the rotor system for three damage conditions, as follows: rotor at rest, rotor at a given rotating speed, and rotor under different unbalance excitation. Considering that the detection of incipient cracks through SHM techniques is a challenging problem these days in the context of rotating machinery, the obtained satisfactory results represent an important step to the state-of-the-art.
Keywords: Dinâmica de rotação
Detecção e identificação de trincas transversais
Rotores não lineares
Método da impedânica eletromecânica
Rotordynamic
Detection and identification of incipient transverse cracks
Nonlinear rotors
Electromechanical impedance
metadata.dc.subject.cnpq: CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA
metadata.dc.language: por
metadata.dc.publisher.country: BR
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
metadata.dc.publisher.initials: UFU
metadata.dc.publisher.department: Engenharias
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-graduação em Engenharia Mecânica
Citation: CAVALINI JUNIOR, Aldemir Aparecido. Detection and identification of incipient transversal cracks in flexible and horizontal shafts of rotating machines. 2013. 270 f. Tese (Doutorado em Engenharias) - Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2013.
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/14730
Issue Date: 9-Sep-2013
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