Análise de sistemas de controle de vibração em máquinas rotativas utilizando atuadores formados por ligas com memória de forma

A aplicação das ligas com memória de forma (shape memory alloys – SMA) têm se mostrado como uma alternativa promissora no controle de vibração de máquinas e estruturas, devido principalmente aos fenômenos de memória de forma e pseudoelástico que elas apresentam. Do mesmo modo, tais ligas proporcionam grandes forças de recuperação e capacidade de amortecimento quando comparadas aos materiais tradicionais. Na literatura científica encontra-se um grande número de trabalhos que tratam da aplicação das SMA no controle de vibração em estruturas. Contudo, a aplicação desse tipo de material em máquinas rotativas ainda é um assunto pouco abordado. Nesse sentido, busca-se explorar numericamente o comportamento de atuadores baseados em ligas com memória de forma para o controle de vibração em máquinas rotativas. Na primeira análise deste trabalho um rotor tipo Jeffcott com luvas SMA em um dos mancais é utilizado. São empregadas diferentes espessuras de luvas nos estados martensítico e austenítico e as variações em termos de amplitude e frequência são então comparadas. Posteriormente, dois diferentes sistemas rotativos com dois discos e molas SMA aplicadas em um e dois mancais são estudados sob configurações variadas. As molas foram posicionadas externamente aos mancais e a temperatura de operação desses componentes é ajustada de acordo com a necessidade do controle de vibração. Além disso, foi utilizado um código computacional para a representação do comportamento termomecânico de molas SMA assim como um programa baseado no Método de Elementos Finitos (MEF) para a simulação do comportamento dinâmico dos rotores. Os resultados das análises numéricas demonstram que as SMA são eficientes no controle de vibração de sistemas rotativos devido obterem-se reduções significativas das amplitudes de deslocamento, modificações nas velocidades críticas, supressão de movimentos indesejáveis e controle das órbitas de precessão.

ABSTRACT: The application of shape memory alloys (SMA) has been showed as a promising alternative in the vibration control area mainly due to the shape memory and pseudoelastic phenomena which this alloys present. In addition, they show large recovery forces and damping capacity when compared to traditional materials. Despite a great number of papers dealing with SMA abilities applied to vibration control in structures, there are only a few reports about applications of SMA in rotordynamics. Hence, this work focuses basic aspects in the numerical application of SMA actuators for vibration control in rotating machines. In the first analysis of this work it is used a Jeffcott rotor with SMA sleeves placed into one of the bearings. It has been employed different sleeve thickness in the martensite and austenite states and the changes in terms of amplitude and frequency are compared. Furthermore, in the second analysis, two different rotating systems with two discs and SMA springs applied at one and both bearings are analyzed under different set-ups. The springs have been placed externally to bearings and the work temperature is set according to the requirement of vibration control. Moreover, it was used a computational code to represent the thermomechanical behavior of SMA springs as well as a numerical code based on Finite Element Method (FEM) to simulate the dynamic behavior of rotors. The results of the numerical analyses demonstrated the SMA are efficient in the vibration control of rotating systems due to accomplish great reductions in the displacement amplitudes, changes in the critical speeds, suppression of unwanted movements and control of precession orbit shape.