Novidades no Simcenter 3D Rotor Dynamics 2606
- há 21 horas
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Modos de pós-processamento em velocidades críticas e atualizações de eficiência.
Por que precisamos de análise da dinâmica de rotores?
As turbomáquinas modernas, desde motores a jato a compressores industriais, operam em altas velocidades e sob cargas pesadas, onde mesmo pequenos erros de previsão podem causar vibração, instabilidade ou falha. A análise da dinâmica de rotores ajuda os engenheiros a avaliar o comportamento de eixos e conjuntos rotativos em toda a faixa de operação, identificar velocidades críticas e determinar modos que podem desencadear ressonância e reduzir o desempenho, a segurança ou a vida útil.
O Simcenter 3D Rotor Dynamics, incluindo o Simcenter Nastran SOL 414, auxilia engenheiros na análise de vibrações em máquinas rotativas, na previsão de ressonância em velocidades críticas, na avaliação de cargas em mancais e na análise da capacidade de sobrevivência do sistema em condições operacionais realistas.
Novidades no Simcenter 3D Rotor Dynamics 2606
Na versão 2606 do Simcenter 3D, os usuários podem tornar o processo de simulação mais eficiente, acessando resultados essenciais na análise com processamento rápido. Neste blog, apresentamos três destaques da versão 2606:
Pós-processamento de modos em velocidades críticas
Cálculo da distribuição de energia no conjunto completo (mesmo se forem utilizados superelementos).
Um formato de resultados mais rápido: o arquivo de dados do Simcenter (.scd5) que utiliza a arquitetura HDF5.
Velocidades críticas do conjunto rotativo
O cálculo das velocidades críticas de um conjunto é essencial para o projeto de uma turbomáquina. Além disso, a faixa de velocidade operacional deve estar suficientemente distante das velocidades críticas do sistema para evitar a ocorrência do fenômeno de ressonância e a consequente indução de altos níveis de vibração. Mais adiante, discutiremos o que significa "suficientemente distante" e como pode-se visualizar a faixa de velocidade operacional permitida na qual a turbomáquina pode operar com segurança.
Com a versão 2606, os modos correspondentes às velocidades críticas de cada rotor agora podem ser gerados como resultados de uma análise modal complexa do Nastran SOL414, juntamente com o diagrama de Campbell e o diagrama de estabilidade.
Nesta imagem, a análise modal complexa calcula o diagrama de Campbell com os modos correspondentes às velocidades críticas para o rotor 1 (círculos amarelos) e o rotor 2 (círculos roxos) quando a relação de velocidade entre os dois rotores é igual a 2,0.
Essa funcionalidade vai além de uma análise direta de velocidades críticas, já que uma análise direta de velocidades críticas é uma análise sem amortecimento, com propriedades de rolamento constantes. Com essa nova funcionalidade, você pode gerar modos nas velocidades críticas para cada rotor. Isso elimina as limitações da análise direta de velocidades críticas, pois o amortecimento pode ser definido na simulação para calcular a estabilidade do sistema rotativo (amortecimento viscoso, amortecimento modal ou amortecimento histerético nas conexões), e os coeficientes dos rolamentos podem ser funções das velocidades de rotação, o que se aproxima mais das condições reais.
Os modos em velocidades críticas são apresentados para velocidades críticas de ordem 1, para uma simulação de um ou múltiplos rotores, calculada em um referencial inercial. Os rotores podem ser modelados por todos os tipos de abordagens de modelagem: viga 1D, multi-harmônico de Fourier 2D, modelos axisimétricos sólidos 3D, simetria cíclica 3D incluindo a transformação de Coleman e superelementos.
Os resultados que podem ser obtidos em velocidades críticas incluem modos de vibração, tensões, energias e distribuição de energia (deformação, cinética e dissipativa) em grupos de elementos. Ao gerar os modos de vibração apenas em velocidades críticas, em vez de em todas as velocidades de rotação a cada etapa do cálculo, é possível reduzir o tamanho do arquivo de resultados em até 10 vezes, economizando potencialmente uma grande quantidade de recursos quando os arquivos de resultados são armazenados em um sistema de gerenciamento de dados.
Distribuição de energia nos diferentes componentes do conjunto rotativo
Ao analisar a distribuição de energia de um conjunto a uma determinada velocidade de rotação, como a velocidade crítica, é possível observar, para cada modo, quais partes são mais afetadas caso o modo correspondente esteja em ressonância. A distribuição de energia para um grupo de elementos é apresentada como uma porcentagem da energia total, incluindo a energia de deformação, a energia cinética e, como novidade na versão 2606, a energia de dissipação associada ao amortecimento.
Na demonstração abaixo, com os dois rotores conectados, o rotor de baixa pressão e o rotor de alta pressão, pode-se estudar as partes do compressor e da turbina. Em seguida, quatro grupos diferentes podem ser estudados separadamente para a distribuição de energia: o compressor e a turbina do rotor de baixa pressão, e o compressor e a turbina do rotor de alta pressão.
A primeira velocidade crítica de ordem 1 (40 Hz) mostra que a maior parte da energia se encontra na parte do compressor do rotor de baixa pressão, indicando que essa parte apresenta maior risco de deformação caso esse modo seja ativado. Esse tipo de informação é muito importante para identificarmos quais modos são mais perigosos e em qual parte da estrutura eles ocorrem.
O que acontece com a distribuição de energia quando a estrutura é condensada em superelementos?
Os superelementos são muito utilizados na dinâmica de rotores, pois essa área da dinâmica lida com pequenas deformações. Mesmo que as simulações de dinâmica de rotores consigam lidar com não linearidades geométricas, a estrutura é calculada no domínio linear. O uso de superelementos de Craig-Bampton é relevante e muito eficiente nesse contexto, reduzindo drasticamente o tempo de computação da simulação.
De versões anteriores, já sabemos que os superelementos para rotores do Simcenter Nastran SOL 414 permitem gerar gráficos XY em nós internos dos superelementos. Isso elimina a necessidade de definir nós retidos na estrutura que serão usados apenas para monitorar os resultados. Para a distribuição de energia, se os superelementos fossem usados em uma montagem, não era possível acessar os elementos dentro dos superelementos para o cálculo da distribuição de energia. De fato, a distribuição de energia era gerada considerando o superelemento como uma entidade única.
A partir do Simcenter 3D 2606, se os engenheiros configurarem grupos de elementos para distribuição de energia na etapa de criação de um superelemento Simcenter Nastran SOL 414, para um rotor ou um estator, esses grupos poderão ser usados posteriormente para gerar as tabelas de energia de deformação, cinética e dissipação quando a simulação utilizar a estrutura condensada em superelementos. Essa capacidade torna o processo mais eficiente para os engenheiros que aproveitam as vantagens dos superelementos. De fato, a recuperação dos resultados na estrutura original não é necessária nesse processo. As tabelas de energia são geradas diretamente pelo processo de simulação durante uma análise de autovalores, análise modal complexa ou resposta harmônica.
A demonstração a seguir difere da anterior por utilizar superelementos. Quando a estrutura é condensada em superelementos, os grupos de elementos não estão disponíveis, mas o usuário pode solicitar que a simulação utilize os grupos configurados na criação para gerar a distribuição de energia.
Vantagens dos arquivos de dados do Simcenter para o pós-processamento
O Simcenter 3D Rotor Dynamics gera os resultados em um formato eficiente baseado na arquitetura HDF5, o arquivo .scd5 (arquivo de dados do Simcenter). Ele pode ser carregado no Simcenter 3D de forma fácil e rápida.
Este arquivo de resultados apresenta diversas vantagens: há um único arquivo .scd5 para uma simulação, que contém todos os resultados: resultados espaciais para os diferentes subcasos, nos nós e elementos selecionados ou em toda a estrutura, e os diferentes gráficos XY.
Para engenheiros que trabalham com aplicações de turbinas a gás e que seguem os requisitos da norma API 616, é possível solicitar gráficos XY adicionais que permitem visualizar a faixa de velocidade operacional "suficientemente distante" das velocidades críticas. Essa "distância suficiente" é calculada por fórmulas analíticas para as margens de separação e fatores de amplificação, conforme previsto na norma API 616.
Funções específicas no pós-processamento dos resultados da dinâmica de rotores permitem extrair informações como a largura da faixa de velocidade operacional, os fatores de amplificação de um pico de vibração selecionado e a frequência em que o pico ocorre. Esses dados ficam disponíveis para uso posterior em processos de otimização ou planejamento de experimentos.
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