A beam to 3D model switch in transient dynamic analysis

International audienceTransient structural dynamic analyses often exhibit different phases, which enable one to use an adaptive modeling. Thus, a 3D model is required for a better understanding of local or non-linear effects, whereas a simplified beam model is sufficient for simulating the linear phenomena occurring for a long period of time. This paper proposes a method which enables one to switch from a beam to a 3D model during a transient dynamic analysis, and thus, allows one to reduce the computational cost while preserving a good accuracy. The method is validated through comparisons with a 3D reference solutioncomputed during all the simulation

Bascule d'un modèle poutre à un modèle 3D en dynamique des machines tournantes

National audienceLes problèmes de machines tournantes incluant un contact rotor-stator, nécessitent un maillage 3D de la zone de contact. Cependant, un modèle 3D pour toute la durée de simulation conduit à des temps de calcul rédhibitoires. Or un modèle poutre est suffisant pour décrire la dynamique de la machine tournante hors contact. Une stratégie qui permet d'utiliser un modèle poutre et un autre 3D, pendant deux phases différentes durant la même simulation, permet donc de gagner en temps de calcul pour une précision équivalente. Cet article propose une bascule d'un modèle poutre à un modèle 3D, en dynamique des rotors transitoire, avec une résolution par intégration temporelle implicite. Si on démarre la simulation avec le modèle poutre, on construit à l'instant de la bascule, une solution 3D, telle que les déplacements 3D soient la somme d'un déplacement corps rigide de la section correspondant à la solution poutre et d'une correction qui tient en compte des déformations dans la section. Cette correction résulte de la résolution d'un problème statique. Cette correction statique peut être cal-culée sur trois pas de temps consécutifs (l'instant de bascule, le pas temps qui la précède et celui qui la suit) pour l'obtention d'une correction en vitesses. La bascule est validée par comparaison avec une solution 3D de référence obtenue en effectuant la simulation entière sur le modèle 3D

Développement et évaluation d'approches de modélisation numérique couplées 1D et 3D du contact rotor-stator

Rotor dynamic problems with rotor to stator contact interactions are dealt with in the literature by 1D local models. This leads to an affordable simulation time, but the corresponding approximations are difficult to assess. Since the contact is limited in space and time, the same strategy can therefore be used with 3D models. A strategy, called switch, allowing the use of a beam model and a 3D model (or beam-3D mixed model), at two different stages of the same simulation, is developed. It is implemented in a non-intrusive way for the simulation of transient dynamic problems, with or without an overall rotation, solved by an implicit time integration scheme. The switch is validated by comparison with a 3D reference solution obtained by performing the full simulation on the 3D model. We, then, compare and analyze the results of 1D and 3D rotor-stator contact problems, for different contact conditions more and less severe. The rotor vibrations are due to rotating imbalance at a given constant rotating speed. It appears that the differences between the 1D and the 3D results are not obvious on the rotor orbits. However, the limitations of the 1D simulation are highlighted. Indeed, the rigid body section assumption in a beam model of the rotor leads to approximations in the spatial distribution of the contact forces and their intensity. The 3D model, however, can present some local effects in the vicinity of the contact zone.Les problèmes de machines tournantes présentant un contact rotor-stator sont généralement traités dans la littérature à partir de modèles localement 1D. Ceci conduit à un temps de simulation acceptable, mais les approximations correspondantes sont difficiles à évaluer. Or le contact est limité en espace et en temps, il peut donc en être de même pour l'utilisation d'une modélisation 3D. Une stratégie, nommée bascule, permettant d'utiliser un modèle poutre et un autre 3D (ou un modèle mixte poutre-3D), pendant deux phases différentes de la même simulation, est donc développée. Elle est mise en oeuvre de façon non-intrusive, en dynamique transitoire, pour des systèmes présentant ou non une rotation d'ensemble, avec une résolution par intégration temporelle implicite. La bascule est validée par comparaison avec une solution 3D de référence obtenue en effectuant la simulation entière sur le modèle 3D. On analyse ensuite, sur des problèmes de contact rotor-stator, les résultats des modèles 1D et 3D, dans différentes situations de contact plus ou moins sévères. Les vibrations du rotor sont dues à un balourd et sa vitesse de rotation est imposée constante. Il apparaît que les écarts entre les résultats des modèles 1D et 3D sont peu visibles sur les orbites du rotor. En revanche les limitations du modèle 1D sont mises en évidence. En effet, l'hypothèse de section rigide du rotor entraine des approximations dans la distribution spatiale et l'intensité des efforts de contact. La modélisation 3D en revanche permet de représenter certains effets locaux au voisinage de la zone de contact

A beam to 3D model switch for rotor dynamics applications

International audienceA typical accidental slowing down of a turbine presents a rotor–stator contact that may be limited to a small interval of the whole simulation period. Such engineering problems involving slender structures with local or non linear phenomena restricted in time require a 3D model for a better understanding of the local or non linear phenomena, whereas a simplified beam model can be sufficient for simulating the linear phenomena occurring for a long period of time.This paper proposes a strategy that enables to switch from a beam model to a 3D model during a transient rotor dynamics analysis, and thus, allows to reduce the computational cost while preserving a good accuracy.The simulation starts with a beam model, and at the switch instant ts , the 3D solution is initialized as the sum of a displacement corresponding to the classical Timoshenko kinematics assumption and a 3D correction that accounts, for instance, for cross-section deformation. This is performed on three consecutive time steps (the switch instant, the previous and the following steps), thus allowing to make velocity and acceleration corrections.The method is proved to be energetically sound and is validated through comparisons with a reference solution corresponding to the 3D model solution computed during all the simulation

A beam to 3D model switch in transient dynamic analysis

International audienceMany industrial problems involving slender structures in transient dynamics require a 3D model for a better understanding of local or non linear effects that occur along a small period of time, whereas a simplified beam model can be sufficient for simulating the linear phenomena occurring for a long period of time.This paper proposes a method which enables to switch from a beam to a 3D model during a transient dynamic analysis solved with a time integration technique. Thus, this method allows to reduce the computational cost while preserving a good accuracy.Starting with the beam model, at switch moment ts, a 3D solution is constructed as the sum of a cross-section rigid body displacement corresponding to the classical Timoshenko kinematical assumption and a 3D correction which accounts for cross-section deformation. This correction is obtained from the solution of a static problem and may be computed on three consecutive time steps (the switch instant, the previous and the following steps) thus allowing to make a velocity and acceleration corrections based on the three static computations. The dynamic simulation is initialized at ts by the displacements, velocities and accelerations being computed.The method is validated through comparisons with a reference solution corresponding to the 3D model solution used during all the simulation

Assessment of 3D modeling for rotor-stator contact simulations

International audienceMost often the dynamic analysis of rotor-to-stator rub is performed using 1D models. This leads to a small computational cost, but the reliability of the results is difficult to assess. This research work compares and analyzes the results of 1D and 3D rotor-stator contact problems, for different contact conditions more and less severe. The rotor vibrations are due to rotating imbalance at a given constant rotating speed. In this paper, it is shown that regarding the rotor orbits, the 3D and 1D models responses are very closed. However using a 3D model improves the simulation results. The 1D model actually suffers from limitations resulting from rigid-body displacement assumption of the rotor cross-section, which originates approximations in the rotor-to-stator contact modeling. Thus, the friction torque generated by the contact is overestimated in a 1D model. The 3D model, however, can present some local effects in the vicinity of the contact zone

A beam to 3D model switch in transient dynamic analysis

International audienceMany industrial problems involving slender structures in transient dynamics require a 3D model for a better understanding of local or non linear effects that occur along a small period of time, whereas a simplified beam model can be sufficient for simulating the linear phenomena occurring for a long period of time.This paper proposes a method which enables to switch from a beam to a 3D model during a transient dynamic analysis solved with a time integration technique. Thus, this method allows to reduce the computational cost while preserving a good accuracy.Starting with the beam model, at switch moment ts, a 3D solution is constructed as the sum of a cross-section rigid body displacement corresponding to the classical Timoshenko kinematical assumption and a 3D correction which accounts for cross-section deformation. This correction is obtained from the solution of a static problem and may be computed on three consecutive time steps (the switch instant, the previous and the following steps) thus allowing to make a velocity and acceleration corrections based on the three static computations. The dynamic simulation is initialized at ts by the displacements, velocities and accelerations being computed.The method is validated through comparisons with a reference solution corresponding to the 3D model solution used during all the simulation

Bascule d'un modèle poutre à un modèle 3D en dynamique des machines tournantes

National audienceLes problèmes de machines tournantes incluant un contact rotor-stator, nécessitent un maillage 3D de la zone de contact. Cependant, un modèle 3D pour toute la durée de simulation conduit à des temps de calcul rédhibitoires. Or un modèle poutre est suffisant pour décrire la dynamique de la machine tournante hors contact. Une stratégie qui permet d'utiliser un modèle poutre et un autre 3D, pendant deux phases différentes durant la même simulation, permet donc de gagner en temps de calcul pour une précision équivalente. Cet article propose une bascule d'un modèle poutre à un modèle 3D, en dynamique des rotors transitoire, avec une résolution par intégration temporelle implicite. Si on démarre la simulation avec le modèle poutre, on construit à l'instant de la bascule, une solution 3D, telle que les déplacements 3D soient la somme d'un déplacement corps rigide de la section correspondant à la solution poutre et d'une correction qui tient en compte des déformations dans la section. Cette correction résulte de la résolution d'un problème statique. Cette correction statique peut être cal-culée sur trois pas de temps consécutifs (l'instant de bascule, le pas temps qui la précède et celui qui la suit) pour l'obtention d'une correction en vitesses. La bascule est validée par comparaison avec une solution 3D de référence obtenue en effectuant la simulation entière sur le modèle 3D