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Abstract(s)
A medição de vibrações tornou-se um aspeto crucial da manutenção preditiva, pois permite detetar falhas antecipadamente, planear ações de manutenção de forma otimizada e reduzir o tempo de inatividade dos equipamentos, e.g., a bordo dos navios. Nos equipamentos com movimentos rotativos, como as antenas dos radares de navegação ou os motores de combustão interna, que são particularmente suscetíveis às vibrações rotacionais, é essencial realizar medições precisas (Duarte & Ewins, 1995). No entanto, a medição de vibrações rotacionais é relativamente mais desafiante do que a medição de vibrações translacionais, que normalmente são medidas com recurso a acelerómetros padrão. As vibrações rotacionais envolvem deslocamentos, velocidades ou acelerações angulares em torno de um eixo e, por conseguinte, exigem sensores específicos. Estes sensores, embora eficazes, costumam ter um custo superior e uma massa maior, a qual pode afetar o comportamento dinâmico da estrutura em análise. Para mitigar estes desafios, o presente estudo propõe uma metodologia para o desenvolvimento de uma estrutura em forma de T, concebidas para permitir a medição de vibrações rotacionais e a extração de parâmetros modais com recurso a acelerómetros translacionais padrão. Considerando que as estruturas em T devem possuir uma frequência fundamental, no mínimo, três vezes superior à frequência máxima da gama de frequências a ser medida (ISO, 2021) é imperativo que os T sejam dotados de elevada rigidez e massa reduzida. Para esse efeito, considera-se inicialmente uma geometria em forma de T sólida, define-se o design space (regiões sujeitas à remoção de material), recorre-se ao Método dos Elementos Finitos, utiliza-se a otimização topológica, mais especificamente, a metodologia Solid Isotropic Material with Penalization (Bendsøe & Sigmund, 2004), de onde resultam modelos numéricos das estruturas T otimizadas. Com recurso à manufatura aditiva, especificamente à tecnologia Fused Deposition Modelling (FDM) (Ahmad, Wong, & Ghazali, 2022), são produzidos protótipos das estruturas T otimizadas utilizando diferentes parâmetros de impressão, e.g., ângulo de deposição. De seguida, estes protótipos das estruturas T são submetidos a ensaios de análise modal experimental (Maia & Silva, 1997) de forma a estimar o valor da frequência fundamental experimental e aferir eventuais desvios relativamente aos valores numéricos. Tal permitirá, em trabalhos futuros, selecionar parâmetros ótimos de análise numérica e/ou impressão em FDM, para o fabrico customizado das estruturas em forma T com aplicabilidade em diversos sistemas e equipamentos. Assim, consegue-se assegurar medições de vibrações rotacionais precisas e com baixo custo.
Vibration measurement has become a crucial aspect of predictive and condition-based maintenance, enabling early fault detection, optimized repair planning, and reduced equipment downtime. In rotating machinery, which is particularly sus-ceptible to rotational vibrations, accurately capturing these vibrations is essential. However, measuring rotational vibrations poses greater challenges than measur-ing translational vibrations, which are typically assessed using standard accel-erometers. Rotational vibrations involve angular displacements, velocities, or ac-celerations around an axis and thus require specialized sensors. These sensors, while effective, are often more expensive and heavier, potentially affecting the dynamic behavior of the structure under analysis. To address these limitations, this study proposes the development of a T-Block structure designed to enable the measurement of rotational vibrations and the extraction of modal parameters using standard translational accelerometers. The T-Block must exhibit a high fun-damental frequency, which demands a design characterized by high stiffness and low mass. To achieve this, an optimized topology design approach is employed. Prototypes of the T-Block are fabricated using additive manufacturing, specifical-ly Fused Deposition Modeling (FDM). Experimental testing is conducted to identify the optimal printing parameters that ensure the desired mass-stiffness balance, ultimately maximizing the fundamental frequency and improving the ac-curacy of rotational vibration measurements.
Vibration measurement has become a crucial aspect of predictive and condition-based maintenance, enabling early fault detection, optimized repair planning, and reduced equipment downtime. In rotating machinery, which is particularly sus-ceptible to rotational vibrations, accurately capturing these vibrations is essential. However, measuring rotational vibrations poses greater challenges than measur-ing translational vibrations, which are typically assessed using standard accel-erometers. Rotational vibrations involve angular displacements, velocities, or ac-celerations around an axis and thus require specialized sensors. These sensors, while effective, are often more expensive and heavier, potentially affecting the dynamic behavior of the structure under analysis. To address these limitations, this study proposes the development of a T-Block structure designed to enable the measurement of rotational vibrations and the extraction of modal parameters using standard translational accelerometers. The T-Block must exhibit a high fun-damental frequency, which demands a design characterized by high stiffness and low mass. To achieve this, an optimized topology design approach is employed. Prototypes of the T-Block are fabricated using additive manufacturing, specifical-ly Fused Deposition Modeling (FDM). Experimental testing is conducted to identify the optimal printing parameters that ensure the desired mass-stiffness balance, ultimately maximizing the fundamental frequency and improving the ac-curacy of rotational vibration measurements.
Description
Keywords
Fabrico aditivo vibrações rotacionais estrutura T análise modal otimização to-pológica manutenção Additive manufacturing Rotational vibration T- Block Modal analysis Topolo-gy optimization Maintenance