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Título: Avaliação do método de Rayleigh na determinação de velocidades críticas de eixos para geometrias iniciais de projeto
Título(s) alternativo(s): Evaluation of Rayleigh method in the determination of critical speed shafts in initial design geometries
Autor(es): Covino, Gabriel da Cruz
Orientador(es): Vale, João Luiz do
Palavras-chave: Vibração
Velocidades
Método dos elementos finitos
Vibration
Speed
Finite element method
Data do documento: 30-Out-2023
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Londrina
Citação: COVINO, Gabriel da Cruz. Avaliação do método de Rayleigh na determinação de velocidades críticas de eixos para geometrias iniciais de projeto. 2023. Trabalho de Conclusão de Curso (Bacharelado em Engenharia Mecânica) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Londrina, 2023.
Resumo: A vibração de elementos de máquinas e estruturas pode se originar na aplicação de cargas externas, gerando movimentos oscilatórios no sistema. Um sistema mecânico possui uma propriedade intrínseca, conhecida como frequência natural, que está diretamente relacionada com a sua distribuição de rigidez e inércia. Se, após uma perturbação inicial, um sistema continuar a vibrar por si próprio sem a ação de forças externas, a frequência com que ele oscila é conhecida como sua frequência natural. Em eixos, a frequência natural pode ser chamada também de velocidade crítica e, sempre que esta coincidir com determinada frequência de excitação externa, ocorre um fenômeno conhecido como ressonância, resultando em deflexões excessivas e possíveis falhas. Por esse motivo, é essencial a determinação da velocidade crítica de eixos em projetos de máquinas, a fim de avaliar se a rotação de trabalho está adequada. Entretanto, uma análise completa das frequências naturais de um eixo é um problema complicado, especialmente se a geometria for complexa. Com isso, o Método de Rayleigh em sua formulação discreta para múltiplos graus de liberdade, propõe uma forma simplificada para determinação aproximada da velocidade crítica em eixos, sendo este método baseado na conservação de energia mecânica do sistema. No entanto, é importante avaliar o erro que o Método de Rayleigh proporciona e, para isso, foi tomado como referência o Método dos Elementos Finitos (MEF) ou, caso existente, a solução analítica. O MEF é um método numérico que permite a solução aproximada de equações diferenciais parciais através da discretização do sistema em elementos finitos, podendo ser utilizado para resolver equações diferenciais do movimento. Foram propostos problemas com eixos em geometrias iniciais de projeto, apoiados em mancais de rolamento e contendo volantes dispostos arbitrariamente. A resolução dos problemas propostos utilizando o Método de Rayleigh envolve a utilização de diferentes considerações de massa e rigidez para um mesmo problema analisado. Inicialmente, foram empregados modelos simplificados e, posteriormente, modelos completos que levam em conta toda massa e rigidez do sistema. Os mesmos problemas foram abordados utilizando o MEF ou solução analítica (caso existente), considerando-se modelos completos. Após isso, foi realizada a comparação entre os resultados de velocidade crítica obtidos via Rayleigh e via MEF ou método analítico. Observou-se que a modelagem do eixo tem influência no valor de velocidade crítica obtida via Rayleigh, de modo que os valores encontrados apresentaram diferenças de alguns porcentos em relação a referência (condizentes com a expectativa citada em literatura clássica), destacando que os valores de referência foram determinados utilizando o MEF ou solução analítica existente.
Abstract: The vibration of machine elements and structures can originate from the application of external loads, generating oscillatory movements in the system. A mechanical system has an intrinsic property known as natural frequency, which is directly related to its distribution of stiffness and inertia. If, after an initial disturbance, a system continues to vibrate without the action of external forces, the frequency that it oscillates is known as natural frequency. In shafts, the natural frequency can also be called critical speed, and whenever it coincides with a certain external excitation frequency, a phenomenon known as resonance occurs, resulting in excessive deflections and possible failures. For this reason, it is essential to determine the critical speed of shafts in machine designs, in order to identify if the working rotation is adequate. However, a complete analysis of the natural frequencies of shafts is a complicate problem, especially if the geometry is complex. By this way, the Rayleigh Method in its discrete formulation for multiple degrees of freedom proposes a simplified form for the approximate determination of the critical speed of shafts, knowing that this method is based on the conservation of mechanical energy of the system. However, it is important to evaluate the error that the Rayleigh Method provides, and for this, the Finite Element Method (FEM) or, if existing, the analytical solution was taken as a reference. FEM is a numerical method that allows the approximate solution of partial differential equations through the discretization of the system in finite elements and can be used to solve the differential equation of motion. Problems were proposed with shafts in initial design geometries, supported by rolling bearings and containing arbitrarily arranged flywheels. The resolution of the proposed problems using Rayleigh Method involves the use of different mass and stiffness considerations for the same analyzed problem. Initially, simplified models were used and, after that, complete models, that take into account all the mass and stiffness of the system. Furthermore, the same problems were analyzed using the FEM or analytical solution (if existing), considering complete models. After that, a comparison was made between the critical velocity results obtained via Rayleigh and via MEF or analytical method. It was observed that the shaft modeling influences the critical speed value obtained via Rayleigh, by the way that the values found showed differences of a few percent in relation to the reference (consistent with the expectation cited in classical literature). It is worth noting that the reference values were determined using the FEM or analytical solution.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/33450
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