Detección de daño estructural utilizando modelo extendido de rotor fisurado tipo Jeffcott validado con test de laboratorio

Abstract

RESUMEN: El presente trabajo de tesis se centra en generar una herramienta de diagnóstico de daño en rotores de turbomaquinaria basada en un modelo de vibración y en un identificador basado en el cálculo de frecuencias naturales. Este trabajo se divide en 3 etapas: 1) el desarrollo de un programa basado en MEF utilizando elementos unidimensionales tipo viga Timoshenko, el cual permite el cálculo de parámetros modales, como son frecuencias naturales y formas modales, para analizar el comportamiento vibratorio de un eje, ya sea en condición Sin Daño o en su condición Dañada por una Fisura de tipo Transversal y Abierta. Las características más importantes del programa es que permite ubicar arbitrariamente a lo largo de la envergadura del eje, un disco definido por una matriz de inercia de masa, y una fisura caracterizada mediante una matriz de flexibilidades locales adicionales. 2) En la segunda etapa de este trabajo, se utiliza el programa para obtener un modelo simbólico simplificado a partir de una discretización de 2 elementos hasta una reducción a solo los 6 GDL del nodo donde este ubicado el disco. De esta manera se obtienen expresiones cerradas de los coeficientes de influencia de rigidez y masa que permiten hacer análisis interesantes de sensibilidad paramétrica. Este modelo conceptualizado por el Dr. Julio César Gómez Mancilla, como “Rotor Generalizado (o Extendido) Fisurado”, permite hacer análisis más generales que los obtenidos del modelo de Rotor Jeffcott clásico de la literatura, debido a que este último presenta la desventaja de solamente modelar el eje con el disco montado a la mitad de su envergadura. 3) En la tercera etapa de este trabajo se utiliza el programa para realizar cálculos de un identificador de daño basado en frecuencias naturales, también conceptualizado por el Dr. Julio César Gómez Mancilla, como “Función de Partición de Frecuencias”. Este nuevo concepto permite analizar la variación en la partición de las frecuencias de un eje afectado por una fisura de las características ya mencionadas, con respecto a la variación de su profundidad y a la esbeltez del eje, para diferentes casos de ejes usando diferentes ubicaciones de disco y fisura. Algunos de los resultados obtenidos fueron validados mediante pruebas experimentales de Martillo de Impacto, al igual que comparados contra otros métodos teóricos y resultados de la literatura. ABSTRACT: This thesis is focused in generating a damage diagnosis tool based on vibration model and frequency based damage index to be applied on structural health monitoring of turbomachinery shafts and rotors. This work is divided in 3 steps: 1) the development of a FEM program that uses 1D Timoshenko Beam elements to obtain modal parameters, like natural frequencies and modal shapes, and subsequently to analize the vibratory behaviour of a shaft either under undamaged condition or under damaged condition by transverse open crack. The most significant features of this program are that it allows to locate arbitrarily a disk, defined by its inertia matrix, and a crack, featured by a local additional compliance matrix, both along the shaft span. 2) The second step of this work uses a 2 element shaft model and reduce it to a model composed by only the 6 DOF of disk node. This DOF reduction is used to obtain a simplified symbolic model that allows to get closed expressions of stiffness and mass influence coefficients for making parametric analysis. This model conceptualized by Dr. Julio César Gómez Mancilla, as ‘Generalized (or Extended) Cracked Rotor’ is intended to make more general analysis comparing with that obtained by using the classical Jeffcott Rotor, which has as main disadvantage that only is capable to model a shaft with disk located at the mid-span. 3) The third step of this work uses both the program to make computations of damage index based on natural frequency, also conceptualized by Dr. Julio César Gómez Mancilla, as ‘Frequency Response Function’. This new concept allows to analyze the variation in frequency splitting of a cracked shaft to the variation of crack depth and shaft slenderness ratio, for different shaft configuation cases using serveral disk and crack locations. Some of the results obtained were validated by experimental Hammer Impact tests, as well as compared against other theoretical methods and results found in literature.