Este trabalho apresenta uma detalhada análise a respeito da estimação de fluxo e velocidade de rotor em motores de indução, operando sob controle vetorial direto. É realizado um estudo comparativo de desempenho entre várias técnicas de estimação baseado em condições realistas de operação, exibindo variações paramétricas, ruídos de medida e operação em baixas velocidades. São analisadas estratégias de estimação determinísticas e estocásticas, utilizando observadores de estado e estimadores baseados na teoria de filtro de Kalman. São propostos melhoramentos para um observador de estados baseado no conceito modo deslizante e um novo método de estimação simultânea de fluxo, velocidade e resistência de rotor utilizando filtro de Kalman estendido. As características do observador tipo modo deslizantes são aprimoradas, propondo-se um novo procedimento de integração do fluxo de rotor, permitindo uma adequada estimação dentro de uma ampla faixa de velocidades de operação. O estimador via FKE encontra-se na forma delayed state filter e também é feita uma análise sobre a viabilidade da estimação conjunta de velocidade e resistência de rotor, pois é sabido que, neste caso, há dificuldade em se obter estimativas adequadas para ambas as variáveis simultâneamente. Os resultados de simulação mostram a efetividade dos estimadores propostos, no que se refere às seguintes características de desempenho: comportamento transitório, acurabilidade estática e robustez a ruídos e variações nos parâmetros do modelo.

A utilização de motores foguete de combustível líquido em lançadores espaciais oferece muitas vantagens sobre seus homólogos sólidos: maior impulso específico, a possibilidade de re-ignição em vôo e o controle da magnitude do vetor empuxo. No entanto, os motores foguete líquidos são tecnicamente mais complexos do que os foguetes a propelente sólido. Nas atividades espaciais brasileiras, apenas motores foguetes sólidos tem sido utilizados em foguetes de sondagem e também no Veículo Lançador de Satélites (VLS). No Programa Espacial Brasileiro, o Instituto de Aeronáutica e Espaço (IAE), órgão responsável pelo desenvolvimento de foguetes, está desenvolvendo a tecnologia de motores foguete de propelente líquido para ser usada em lançadores de satélites no futuro. Tanques pressurizados ou turbobombas são utilizados para injetar o combustível e o oxidante na câmara de combustão, superando as perdas de pressão no resfriamento, válvulas, linhas de alimentação e injetores. Motores mais eficientes requerem maior pressão de câmara de combustão e só turbobombas podem fornecer pressões altas o suficiente para as linhas de alimentação. Estes sistemas operam em velocidades muito elevadas e sofrem intensas cargas dinâmicas. Portanto, o comportamento dinâmico do rotor deve ser avaliado ainda durante a fase de concepção. Esta dissertação encontra-se no âmbito dos esforços do IAE / ITA, a fim de desenvolver conhecimentos e recursos humanos na área de motores foguete de propelente líquido. Neste trabalho, uma unidade de turbobomba foi projetada para um motor de foguete de propelente líquido hipotético com 75kN de empuxo no vácuo. Também foi desenvolvido um programa de elementos finitos utilizando MATLAB considerando o eixo flexível com discos rígidos para analisar o comportamento dinâmico do rotor e dos mancais. Resultados clássicos de dinâmica de rotores, como diagrama de Campbell, modos de vibração e modos de giro foram calculados. Um valor de desbalanço típico para este tipo de sistema foi designado para o rotor e o efeito da distribuição de massas de desbalanceamento nos discos (bombas e turbinas) foi analisado. A análise indicou um rotor com vibrações laterais excessivas. Novas configurações do projeto foram criadas e analisadas com facilidade até uma configuração que atendesse aos requisitos de deslocamento foi encontrada.

Orientador: Gilberto Pechoto de Melo / Resumo: A identificação de trincas ainda é um desafio na área de monitoramento da integridade estrutural em eixos rotativos. Embora muitas técnicas e modelos tenham sido desenvolvidos, encontrar uma técnica eficiente que possa localizar uma única ou múltiplas trincas ao longo do eixo, ainda é um grande desafio. Nesse trabalho, um novo índice para localização de trincas em eixos rotativos é apresentado. A equação do movimento do rotor com trinca utiliza a notação em coordenadas complexas a fim de separar as contribuições dos modos de precessão direta e retrógrada. O índice SDI (shape and directivity index) é calculado para o rotor, cujo modelo matemático considera a variação instantânea da rigidez do elemento finito devido à abertura e o fechamento gradual da trinca, conhecido como efeito breathing. Através da manipulação do SDI no modelo de cores HSV (hue, saturation and value), desenvolve-se uma escala métrica, visualizada em um mapa de cores, que possibilita localizar a anisotropia causada pela trinca ao longo do eixo. Profundidade e posição da trinca, presença de múltiplas trincas, entre outros fatores que afetam a assinatura da trinca em outros métodos de identificação são analisados. Bons resultados demonstram a eficiência e robustez do novo índice para diversos casos de operação do rotor. Essa métrica de dano acrescenta uma contribuição para os métodos de localização de trincas em sistemas rotativos. / Abstract: Crack identification is still a challenge in the area of structural health monitoring dedicated to rotating shafts. Although many techniques and models have been developed, finding an efficient technique capable of locating a single or multiple cracks along the shaft is still a challenge. In this work, a new index for locating cracks in rotating shafts is proposed. The equation of motion of the cracked rotor uses notation in complex coordinates in order to separate the contributions of forward and backward precession modes. The SDI (shape and directivity index) is calculated for the cracked rotor, which mathematical model considers the instantaneous variation of the finite element stiffness due to the gradual opening and closing of the crack, known as the breathing effect. By manipulating the SDI in the HSV (hue, saturation and value) color model, a metric scale is developed to locate the anisotropy caused by cracks along the shaft, visualized on a color map. Depth and position of the crack, presence of multiple cracks, among other factors that affect the signature of the crack in other identification methods are analyzed. Good results demonstrate the efficiency and robustness of the new index for several rotor operation conditions. This damage metric contributes to crack localization methods in rotating systems. / Doutor

Grandes esforços vêm sendo realizados atualmente com o objetivo de diagnosticar vibrações em estruturas e equipamentos, para máquinas rotativas se requer atenção ainda maior, pois correm o risco de se auto excitarem. Este trabalho tem por objetivo expor uma metodologia em dinâmica de rotores para diminuição da amplitude da resposta no domínio da frequência. Com essa finalidade, o rotor utiliza uma discretização de elementos finitos de viga de Timoshenko com funções da classe C0. A programação é implementada no programa acadêmico Meflab desenvolvida na plataforma do software MATLAB®, e no software ANSYS® Workbench para algumas validações. Os resultados numéricos são comparados com os resultados do modelo de literatura. A implementação da otimização se dá com o uso do toolbox de algoritmos genéticos existente no software MATLAB®, onde os parâmetros do algoritmo de otimização são escolhidos como sendo os diâmetros da seção transversal de cada elemento finito. A função objetivo escolhida está associada à diminuição da resposta no domínio da frequência para excitações do tipo desbalanceamento ou a evitar o posicionamento de alguma velocidade crítica dentro de um intervalo de frequências predeterminado. As restrições do problema encontram-se associadas às dimensões máximas e mínimas das seções transversais dos elementos do eixo. Em geral, para a rotação onde se requeria a diminuição da amplitude da resposta no domínio da frequência, havia uma tendência das antirressonâncias mais próximas se deslocarem para o ponto requerido. / Great efforts are been made recently in order to diagnose vibrations in structures and equipments. Rotary machines require even greater attention, for they carry the risk of auto-excitation. This paper has as an objective the exposition a rotor dynamics methodology to minimize the response amplitude in the frequency domain. With this goal, the rotor is discretized using finite Timoshenko Beams elements, with C0 class functions. The programming is implemented in the academic software Meflab, coded in the MATLAB® platform, and in the software ANSYS® Workbench to validate some results. The numerical results are compared with the results from literature model. The optimization is made utilizing the genetic algorithms toolbox existing in the MATLAB® software, where the optimization algorithms parameters are chosen as being the transverse section diameters of each finite element. The objective function chosen is associated with the response minimization in the frequency domain for unbalanced type excitations or to avoid the existence of a critical velocity within a predetermined frequency range. The problem restrictions are associated to maximum and minimum transverse section dimensions of the axis elements, as well as its total volume variation. In general, for the rotation where the frequency domain amplitude response minimization was required, there was a tendency for the closest anti-resonances to shift themselves to the required point.

Made available in DSpace on 2014-06-11T19:27:14Z (GMT). No. of bitstreams: 0 Previous issue date: 2006-03-03Bitstream added on 2014-06-13T18:31:08Z : No. of bitstreams: 1 goncalvesjr_r_me_ilha.pdf: 1793490 bytes, checksum: 31bd12dfbef20fead2490b33aa2d1148 (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES) / Este trabalho apresenta uma análise teórica do desempenho de um sistema de controle ativo de vibração de rotores utilizando mancais magnéticos. O esquema de controle ativo proposto utiliza a estratégia de controle ativo feedforward sobreposta ao sistema de controle feedback dos mancais magnéticos. O desempenho desse sistema de controle foi analisado em função da flexibilidade dos rotores considerando o impacto do número e da localização dos atuadores e dos sensores de erro sobre a redução dos níveis de vibração desses rotores, tanto em termos de vibração global quanto em termos de vibração local. O sistema de controle foi aplicado em um modelo teórico de rotor desenvolvido através do método da matriz de impedância. / This work presents a theoretical analysis of the performance of a system of active control of rotor vibrations using magnetic bearings. The proposed scheme of active control uses a feedforward active control strategy superimposed on the feedback control system of the magnetic bearings. The performance of this control system was analyzed as a function of the rotor flexibility considering the impact and optimization of the actuators and error sensors placement on the reduction of vibration levels of these rotors, in terms of global vibration as well as in terms of local vibration of the rotor. The control system was applied to a theoretical rotor model developed by the matrix impedance method.

Grandes esforços vêm sendo realizados atualmente com o objetivo de diagnosticar vibrações em estruturas e equipamentos, para máquinas rotativas se requer atenção ainda maior, pois correm o risco de se auto excitarem. Este trabalho tem por objetivo expor uma metodologia em dinâmica de rotores para diminuição da amplitude da resposta no domínio da frequência. Com essa finalidade, o rotor utiliza uma discretização de elementos finitos de viga de Timoshenko com funções da classe C0. A programação é implementada no programa acadêmico Meflab desenvolvida na plataforma do software MATLAB®, e no software ANSYS® Workbench para algumas validações. Os resultados numéricos são comparados com os resultados do modelo de literatura. A implementação da otimização se dá com o uso do toolbox de algoritmos genéticos existente no software MATLAB®, onde os parâmetros do algoritmo de otimização são escolhidos como sendo os diâmetros da seção transversal de cada elemento finito. A função objetivo escolhida está associada à diminuição da resposta no domínio da frequência para excitações do tipo desbalanceamento ou a evitar o posicionamento de alguma velocidade crítica dentro de um intervalo de frequências predeterminado. As restrições do problema encontram-se associadas às dimensões máximas e mínimas das seções transversais dos elementos do eixo. Em geral, para a rotação onde se requeria a diminuição da amplitude da resposta no domínio da frequência, havia uma tendência das antirressonâncias mais próximas se deslocarem para o ponto requerido. / Great efforts are been made recently in order to diagnose vibrations in structures and equipments. Rotary machines require even greater attention, for they carry the risk of auto-excitation. This paper has as an objective the exposition a rotor dynamics methodology to minimize the response amplitude in the frequency domain. With this goal, the rotor is discretized using finite Timoshenko Beams elements, with C0 class functions. The programming is implemented in the academic software Meflab, coded in the MATLAB® platform, and in the software ANSYS® Workbench to validate some results. The numerical results are compared with the results from literature model. The optimization is made utilizing the genetic algorithms toolbox existing in the MATLAB® software, where the optimization algorithms parameters are chosen as being the transverse section diameters of each finite element. The objective function chosen is associated with the response minimization in the frequency domain for unbalanced type excitations or to avoid the existence of a critical velocity within a predetermined frequency range. The problem restrictions are associated to maximum and minimum transverse section dimensions of the axis elements, as well as its total volume variation. In general, for the rotation where the frequency domain amplitude response minimization was required, there was a tendency for the closest anti-resonances to shift themselves to the required point.

Orientador: Katia Lucchesi Cavalca / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-09T21:44:58Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Okabe_EduardoPaiva_D.pdf: 3699501 bytes, checksum: 9a744709014d0fd925784d9408f38690 (MD5) Previous issue date: 2007 / Resumo: Neste trabalho são investigados os efeitos da estrutura de suporte e de mancais hidrodinâmicos no comportamento de uma máquina rotativa. A estrutura de suporte, também conhecida como fundação, foi analisada experimentalmente, e através da análise modal das funções resposta em freqüência (FRF) foram calculados seus parâmetros modais. Estes parâmetros foram refinados através de dois métodos de otimização, o primeiro foi baseado na busca áurea, e segundo no método de mínimos quadrados não-linear. O modelo modal da fundação foi integrado ao sistema rotor-mancais através do método das coordenadas mistas, para o cálculo da resposta ao desbalanceamento do sistema completo. A análise modal complexa do sistema rotor-mancais-fundação foi utilizada para determinar a função resposta em freqüência direcional (dFRF), na qual foram observados os efeitos dos parâmetros testados sobre os modos diretos e retrógrados do rotor. Duas abordagens diferentes foram adotadas para a modelagem dos mancais hidrodinâmicos: o método das diferenças finitas e uma solução analítica usando a teoria de mancal curto. O método das diferenças finitas foi empregado no cálculo dos coeficientes de amortecimento e rigidez de um mancal hidrodinâmico finito, e estes foram aplicados no cálculo da resposta ao desbalanceamento e dFRF do rotor. A solução analítica foi usada no cálculo da resposta harmônica do rotor para demonstrar o comportamento não-linear do mancal. Os resultados das simulações foram verificados experimentalmente em um banco de testes / Abstract: This work investigates the effects of the support structure and the hydrodynamic bearings on the dynamic behaviour of rotating machinery. The support structure, also known as foundation, was analysed experimentally and its modal parameters determined through the modal analysis of its frequency response functions (FRF). These parameters were refined through two optimization methods, the first one based on the Golden Search, and the other one on the Nonlinear Least Squares method. The modal model of the foundation was integrated to the rotorbearings system through the Mixed Coordinates method for the calculation of the unbalance response of the complete system. The complex modal analysis of the rotor-bearings-foundation system was applied to calculate the directional frequency response function (dFRF), and determine the effects of the tested parameters on the forward and backward modes. Two different aproaches were adopted to model hydrodynamic bearings: the finite difference method and an analytical solution using the short bearing theory. The finite difference method was employed to calculate the stiffness and damping coefficients of a finite journal bearing, and they were applied in the calculation of unbalance response and dFRF of the rotor. The analytical solution was used to calculate the harmonic response of the rotor and demontrate the bearing nonlinear behaviour. The results of the simulations were verified through experimental tests in laboratory / Doutorado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Doutor em Engenharia Mecânica

Grandes esforços vêm sendo realizados atualmente com o objetivo de diagnosticar vibrações em estruturas e equipamentos, para máquinas rotativas se requer atenção ainda maior, pois correm o risco de se auto excitarem. Este trabalho tem por objetivo expor uma metodologia em dinâmica de rotores para diminuição da amplitude da resposta no domínio da frequência. Com essa finalidade, o rotor utiliza uma discretização de elementos finitos de viga de Timoshenko com funções da classe C0. A programação é implementada no programa acadêmico Meflab desenvolvida na plataforma do software MATLAB®, e no software ANSYS® Workbench para algumas validações. Os resultados numéricos são comparados com os resultados do modelo de literatura. A implementação da otimização se dá com o uso do toolbox de algoritmos genéticos existente no software MATLAB®, onde os parâmetros do algoritmo de otimização são escolhidos como sendo os diâmetros da seção transversal de cada elemento finito. A função objetivo escolhida está associada à diminuição da resposta no domínio da frequência para excitações do tipo desbalanceamento ou a evitar o posicionamento de alguma velocidade crítica dentro de um intervalo de frequências predeterminado. As restrições do problema encontram-se associadas às dimensões máximas e mínimas das seções transversais dos elementos do eixo. Em geral, para a rotação onde se requeria a diminuição da amplitude da resposta no domínio da frequência, havia uma tendência das antirressonâncias mais próximas se deslocarem para o ponto requerido. / Great efforts are been made recently in order to diagnose vibrations in structures and equipments. Rotary machines require even greater attention, for they carry the risk of auto-excitation. This paper has as an objective the exposition a rotor dynamics methodology to minimize the response amplitude in the frequency domain. With this goal, the rotor is discretized using finite Timoshenko Beams elements, with C0 class functions. The programming is implemented in the academic software Meflab, coded in the MATLAB® platform, and in the software ANSYS® Workbench to validate some results. The numerical results are compared with the results from literature model. The optimization is made utilizing the genetic algorithms toolbox existing in the MATLAB® software, where the optimization algorithms parameters are chosen as being the transverse section diameters of each finite element. The objective function chosen is associated with the response minimization in the frequency domain for unbalanced type excitations or to avoid the existence of a critical velocity within a predetermined frequency range. The problem restrictions are associated to maximum and minimum transverse section dimensions of the axis elements, as well as its total volume variation. In general, for the rotation where the frequency domain amplitude response minimization was required, there was a tendency for the closest anti-resonances to shift themselves to the required point.

Orientador: Robson Pederiva / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-07T00:56:52Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Silva_GilbertoMachadoda_M.pdf: 1128289 bytes, checksum: e5a6e2d7aeb16be17a0a3d45dd834193 (MD5) Previous issue date: 2006 / Resumo: Aplica-se neste trabalho a metodologia de diagnóstico de falhas em sistemas mecânicos rotativos sustentados por mancais magnéticos ativos em conjunto com um sistema de controle ativo de vibração, excitados por forças de desbalanço e ruído branco. Este diagnóstico baseia-se no emprego das equações de correlações, através da formulação matricial de Ljapunov, para sistemas lineares estacionários juntamente com redes neurais artificiais. Este procedimento utiliza apenas as variáveis de estado medidas, através da correlação das variáveis de saída. É gerado um conjunto de relações envolvendo os parâmetros físicos do sistema juntamente com as matrizes de correlações das variáveis medidas. As falhas no sistema são detectadas através do monitoramento da variação dos parâmetros físicos e da comparação das funções de correlação teóricas e estimadas. As redes neurais artificiais são usadas para mapear as correlações que envolvem estados que não são medidos. Dado ao grande número de equações de compatibilidade resultantes, é proposta uma metodologia para selecionar as equações relacionadas com as falhas propostas. Com o método de diagnóstico de falhas proposto é possível detectar e discernir as falhas tanto mecânicas quanto elétricas, bem como sua localização no sistema / Abstract: This work applies the methodology of fault diagnosis in rotating machinery supported by active magnetic bearings and active con1rol systems, excited by unbalance and white noise. This diagnostic applies the correlation matrices based on the Ljapunov matrix formulation and artificial neural network for linear stationary systems. The procedure uses only measured state variables, computing the correlation between the output variables. It is possible to derive specific relations involving the physical parameter of the system and the correlation matrices of the measured variables. Faults in the system can be detected by monitoring the variation of the physical parameter through a comparison of theoretical and estimated correlation functions. Artificial neural networks are used to map the correlations involving the variables, which are difficult to be measured. There is a large number of resultant compatibility equations and it is proposed a methodology to select the equations that establish relationships with the faults. The proposed fault diagnosis method can detect the fault present in the system and it is also possible to distinguish between mechanical and electrical fault as well as their location in the system / Mestrado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Katia Lucchesi Cavalca Dedini / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-07-22T17:27:08Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Cavalcante_PaulaFrassinetti_M.pdf: 4909244 bytes, checksum: f9f88e5874d8b1727ede08f5831d24eb (MD5) Previous issue date: 1997 / Resumo: A análise do comportamento da fundação e sua influência na resposta do sistema completo rotor-suportes-fundação é fundamental para análise dinâmica deste sistema. Dessa forma, este trabalho apresenta uma metodologia para a análise do comportamento da fundação, usando técnicas de análise modal para determinar os parâmetros modais da fundação (massa, fator de amortecimento e freqüência natural). Para a identificação desses parâmetros, foi feita a análise das funções de transferências do modelo numérico da estrutura, onde a técnica utilizada foi a discretização da fundação pelo método dos elementos finitos. O cálculo das funções de transferência do modelo é feito para uma força de excitação harmônica unitária, atuando em um determinado nó do modelo discretizado. Em seguida, foram definidos alguns nós de interesse no modelo discretizado e aplicadas técnicas de análise modal para calcular as freqüências naturais da estrutura. A transformada de Fourier da resposta em freqüência do sistema é calculada e através do espectro de freqüências do sistema, é feita a escolha dos modos de vibrar mais significativos, associados às freqüências naturais que significantemente participam da resposta do sistema. Em seguida, é feito o cálculo dos parâmetros de massa, fator de amortecimento e rigidez dos modos considerados. A matriz de impedâncias mecânicas é obtida para estes modos. Os resultados obtidos foram plotados e analisados. Resultados adicionais mostrando todo comportamento da estrutura, cujos parâmetros foram identificados a partir de uma função de transferência analítica, são apresentados, cuja importância é relevante na implementação e comparação com o modelo físico / Abstract: The behavior analysis of foundation and its influence on the complete system response, rotor-bearings-foundation, is of great importance in its dynamic analysis. In this way, this work presents a methodology for behavior analysis of the foundation using modal analysis technique to determine the modal parameters of the foundation (damping factor, natural frequency and generalized mass). The analysis of the numeric modeI transfer functions of the structure was done in order to identify these parameters, where it was the discretization technique of the foundation using the finite element method. The functions of the model was obtained for a unit harmonic force exciting one node. Afterwards, some nodes of interest in the discretized modal was defined and modal analysis techniques used calculate the natural frequencies of the structural the Fourier Transform of the frequency response of the system is calculated. The shapes modes associated to the natural frequencies which participate of the system response significantly are chosen using the frequency spectrum. The mass, damping factor and stiffness of the considered modes are obtained afterwards. The mechanical impedance matrix is obtained for these modes. The results was plotted and analyzed. Further results showing the behaviour of the structure are presented whose parameter were identified by the analytical transfer functions its importance is relevant to implement and compare to the model physical / Mestrado / Projeto Mecanico / Mestre em Engenharia Mecânica