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Detection and identification of incipient transversal cracks in flexible and horizontal shafts of rotating machines
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.Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas GeraisDoutor em Engenharia MecânicaEsta 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 construÃda 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 disponÃveis na literatura para o breathing, fenômeno
caracterÃstico 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 caracterÃsticas apenas experimentais (não necessita
de modelos matemáticos). Esta técnica de SHM é aplicada em um sistema mecânicos
solicitado dinamicamente, a saber, o rotor flexÃvel. 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
Monitoramento da Integridade Estrutural de Sistemas Mecânicos via Observador de Estado Modal
O monitoramento da integridade estrutural (SHM) de sistemas mecânicos trata-se de uma tecnologia emergente que combina modernos sensores com inteligentes algoritmos computacionais para analisar a condição da estrutura em tempo real ou quando for necessário. Segurança, alto desempenho em operação e redução nos custos de manutenção são alguns dos principais benefÃcios concedidos pela tecnologia SHM. Deste modo, esta tecnologia vem encontrando aceitação crescente na indústria, principalmente na aeronáutica e petrolÃfera onde os custos de manutenção são muito elevados. Dentre as técnicas de monitoramento desenvolvidas, a dos observadores de estado se destacou. No entanto, esta técnica SHM possui algumas restrições que motivam o interesse pelo desenvolvimento de uma nova abordagem para a mesma. Neste contexto, este trabalho alia os já conhecidos observadores de estado com as caracterÃsticas do domÃnio modal a fim de determinar o modo de vibrar mais afetado pela presença de um dano qualquer no sistema monitorado. A partir do conhecimento desta informação é possÃvel projetar, por exemplo, sistemas de controle e manutenção mais eficientes. Contudo, nesta dissertação são apresentadas aplicações numéricas e experimentais em diferentes sistemas mecânicos a fim de detalhar e demonstrar a técnica SHM via Observador de Estado Modal, inicialmente proposta aqui. Algumas destas aplicações contam ainda com sensores e atuadores piezelétricos acoplados as estruturas. Os resultados encontrados mostram pontos favoráveis e desfavoráveis da técnica propostaStructural Health Monitoring (SHM) is an emerging technology that combines modern sensors with intelligent algorithms to analyze the structural condition in real time or specific time. Security, high operation performance and maintenance reduction costs are some of the key benefits provided by this technology. Not surprisingly, the SHM techniques have recently received increased attention in aircraft and oil industries. Among the developed SHM techniques, state observers had special attention. However, this technique presents some restrictions that motivate the development of a new SHM approach through state observers. In this context, this work associates the already known state observers with features obtained in the modal domain to determine the vibration modes that are more affected by damage presence in the monitored structure. That information makes possible the design of efficient maintenance and control systems. In order to analyze the Modal State Observer technique, firstly presented here, numerical and experimental applications in different mechanical systems are presented. In some applications are used sensors and piezoelectric actuators coupled in the structures. The results lead to the conclusion that the Modal State Observer is a potential useful SHM toolCoordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de NÃvel Superior (CAPES
Shaking Table Attached to Magnetorheological Damper: Simulation and Experiments for Structural Engineering
This paper details how to construct a small-scale shaking table attached to a magnetorheological (MR) damper. The motivation for this construction relies on the increasing interest in modeling the dynamics of MR dampers—MR dampers have been used in structures for safety reasons. To model the MR damper, we use the so-called ‘Dahl model’, which is useful to represent systems with a hysteresis. The Dahl model, validated through experimental data collected in a laboratory, was combined with a linear model to represent a two-story building. This two-story building model allows us to simulate the dynamics of that building when its floors are attached to MR dampers. By doing so, we can assess—through simulation—to what extent MR dampers can protect structures from vibrations. Using data from the ‘El Centro’ earthquake (1940), we can conclude that MR dampers have the potential to reduce the impact of earthquakes upon structures. This finding emphasizes the potential benefits of MR dampers for the safety of structures, which is a conclusion taken from the apparatus detailed in this paper