Logiciel de dynamique des rotors pour l'analyse prédictive des machines tournantes

Deux modèles de rotors montrant la température avec la palette de couleurs Heat Camera et la contrainte mécanique avec la palette de couleurs Prism.

Analyser les systèmes rotor–palier

Le comportement physique des machines tournantes est fortement influencé par les vibrations, qui sont exacerbées par la rotation et la forme des machines elles-mêmes. Même les assemblages de rotors parfaitement symétriques révèlent une séparation des modes avec l'augmentation de la vitesse de rotation. Cela implique que le comportement habituel des modes identiques dans les plans de symétrie perpendiculaires ne s'applique pas aux arbres rotatifs. De plus, même des imperfections et des déséquilibres mineurs peuvent donner lieu à des amplitudes de vibration significatives lorsqu'ils fonctionnent à des fréquences proches des fréquences propres du système rotatif.

Le module Rotordynamics permet d'analyser les résonances, les contraintes et les déformations dans les rotors, les paliers, les disques et les supports, permettant aux utilisateurs de maintenir les conditions opératoires du système dans des limites de fonctionnement acceptables. Le module est également utilisé pour évaluer l'influence des différents paramètres de conception sur les fréquences propres et, par conséquent, sur les vitesses critiques, le fouettement et les seuils de stabilité. De plus, il est utilisé pour étudier les réponses stationnaires et transitoires aux déséquilibres.

Le module fournit également des fonctionnalités qui peuvent être utilisées pour déterminer comment le comportement rotatif peut conduire à des contraintes dans le rotor lui-même et à des transmissions d'efforts et de vibrations à d'autres pièces de l'assemblage de la machine tournante.

Simulations de paliers hydrodynamiques

Pour qu'une machine tournante puisse franchir les vitesses critiques, il est important d'avoir un amortissement suffisant. C'est pourquoi des paliers hydrodynamiques sont souvent utilisés pour soutenir les arbres en rotation. Le module Rotordynamics permet d'analyser en détail le comportement des paliers hydrodynamiques.

En fonction de la conformité et de la géométrie de la surface du palier, de l'effort exercé sur celui-ci et des propriétés du lubrifiant, différents effets doivent être pris en compte pour déterminer la distribution de la pression d'appui. Le module Rotordynamics permet d'effectuer des simulations hydrodynamiques simples ou peut se combiner avec les modules Structural Mechanics et Heat Transfer pour effectuer des simulations plus complexes de type élastohydrodynamique ou thermo-élastohydrodynamique.

Un modèle de palier hydrodynamique montrant la pression du film fluide avec la palette de couleurs Rainbow.

Fonctionnalités du module Rotordynamics

Réalisez différentes simulations de dynamique des rotors avec le logiciel COMSOL Multiphysics^®.

Vue rapprochée du Constructeur de modèles avec le noeud Rotor solide sélectionné et un modèle de turbocompresseur dans la fenêtre graphique.

Interfaces utilisateur prédéfinies

La plateforme de simulation COMSOL Multiphysics^® et ses modules complémentaires offrent un ensemble d'interfaces prédéfinies pour des domaines physiques spécifiques. Le module Rotordynamics fournit des interfaces dédiées à la modélisation précise des rotors et des roulements. L'interface Rotor solide est utilisée pour modéliser un rotor par une géométrie 3D complète, réalisée à l'aide d'un logiciel de CAO ou en utilisant les fonctionnalités de CAO intégrées à COMSOL Multiphysics^®. L'interface Rotor poutre propose une méthode moins consommatrice de ressources machine, où le rotor est modélisé par une poutre 1D et les composants du rotor sont définis par des points dans le modèle.

Les interfaces Rotor solide et Rotor poutre sont utilisées pour calculer les déplacements, les vitesses, les accélérations et les contraintes mécaniques. Pour la modélisation détaillée d'un palier comprenant un film lubrifiant, une interface Palier hydrodynamique est disponible.

Vue rapprochée du Constructeur de modèles avec le noeud Rotor poutre sélectionné et un modèle de commande motorisée dans la fenêtre graphique.

Rotors poutre

La modélisation de systèmes rotatifs coûte rapidement cher en ressources informatiques, c'est pourquoi il est courant de représenter l'arbre de manière simplifiée. Dans de nombreux cas, la dynamique globale d'un rotor peut être convenablement modélisée à l'aide d'éléments poutre spécifiques.

Pour ce type d'analyse, il est fait appel à une représentation linéique reposant sur une description géométrique effective régie par les propriétés de la section transversale de l'arbre. Cette approche peut être particulièrement adaptée, notamment aux systèmes rotatifs constitués d'arbres axisymétriques accompagnés de disques idéalement rigides. Le modèle de rotor poutre peut également être utilisé pour les simulations de frottement de rotor lorsque les déplacements du rotor sont restreints.

Vue rapprochée de la fenêtre de réglages du noeud Roulement radial et d'un modèle de boite de vitesses dans la fenêtre graphique.

Modèles de paliers

Les rotors sont souvent soutenus par des paliers pour éviter les mouvements latéraux et/ou axiaux à certains endroits. Le module Rotordynamics fournit une multitude de modèles de paliers, basés sur des descriptions implicites. Cela inclut différentes catégories de paliers, telles que : * Palier porteur * Butée * Roulement radial * Palier magnétique actif * Palier multi-corps

Au sein de ces catégories, de multiples déclinaisons sont offertes. Citons, à titre d'exemple, la fonctionnalité Roulement radial qui comporte des variantes à simple ou double rangée couvrant différents styles de roulements, tels que :

Roulement rigide à billes
Roulement à billes à contact oblique
Roulement à rotule sur billes
Roulement à rotule sur rouleaux
Roulement à rouleaux cylindriques
Roulement à rouleaux coniques

Vue rapprochée des réglages du noeud Palier porteur hydrodynamique et d'un modèle de support de rotor dans la fenêtre graphique.

Supports

Les structures sur lesquelles reposent les systèmes paliers-rotors, parfois appelées supports, peuvent être modélisées à différents niveaux de complexité. Le support peut être défini comme :

Fixe
Flexible
En mouvement

Lorsque le support est nettement plus rigide que le rotor et ses éléments, l'option Support fixe peut être utilisée, en supposant que le support est fixé de manière rigide dans l'espace. Autrement, l'option Support flexible décrit la flexibilité du support à l'aide d'un ensemble de ressorts. Dans le cas où les mouvements du support doivent être inclus explicitement, l'option Support en mouvement peut être sélectionnée.

Vue rapprochée du Constructeur de modèles avec le noeud Temporel, modèle d'ordre réduit modal sélectionné et un modèle de boite de vitesses dans la fenêtre graphique.

Synthèse modale (CMS)

Dans le module Rotordynamics, la méthode Craig-Bampton permet de réduire les composants linéaires en des modèles réduits plus économes en consommation de ressources machine. Ces composants peuvent ensuite être intégrés à un modèle constitué uniquement de composants réduits ou combinés à des modèles élastiques éléments finis (EF) non-réduits, pouvant inclure des composants non-linéaires. Cette technique, connue sous le nom de synthèse modale ou sous-structuration dynamique, réduit considérablement le temps de calcul et la consommation de RAM.

Vue rapprochée de la fenêtre de réglages du noeud Analyse paramétrique et d'un graphique whirl dans la fenêtre graphique.

Résultats et visualisation

Le module Rotordynamics permet de visualiser de manière claire et concise les résultats des simulations et de mettre à disposition les données pour un usage et une analyse ultérieurs. Il comprend également différents types de graphiques spécifiques aux applications de dynamique des rotors, y compris :

Les graphiques whirl, qui représentent les modes d'un rotor tournant autour de son axe à des intervalles de rotation discrets
Les diagrammes de Campbell, qui représentent la variation des fréquences propres du rotor en fonction de la vitesse du rotor
Les graphiques waterfall, qui représentent les variations du spectre fréquentiel en fonction de la vitesse de rotation
Les graphiques d'orbites, qui représentent les déplacements sur certains composants du rotor (ou points), tels que sur les disques et les paliers

Vue rapprochée des réglages du noeud Couplage rotor solide - palier et d'un modèle de moteur à piston dans la fenêtre graphique.

Interfaces multiphysiques et couplages

Le module Rotordynamics offre des couplages multiphysiques qui permettent de capturer les effets liés au fouettement de l'huile. Pour modéliser les interactions entre un rotor 3D et son palier hydrodynamique, l'interface multiphysique Rotor solide avec palier hydrodynamique peut être utilisée. Celle-ci combine les interfaces Rotor solide et Palier hydrodynamique par le biais d'un couplage multiphysique Rotor solide - palier. Ce couplage transfère les informations de vitesse et de déplacement de l'interface Rotor solide à l'interface Palier hydrodynamique.

Pour modéliser un rotor défini comme une poutre et un palier hydrodynamique, ainsi que leurs interactions, l'interface multiphysique Rotor poutre à palier hydrodynamique combine les interfaces Rotor poutre et Palier hydrodynamique par l'intermédiaire d'un couplage multiphysique Couplage rotor poutre - palier.

Vue rapprochée du Constructeur de modèles avec le noeud Rotor solide sélectionné et un modèle de moteur à piston dans la fenêtre graphique.

Rotors solides

Pour certaines applications, il est impossible de négliger certains facteurs tels que les asymétries du rotor, les déflexions de la section transversale ou la dynamique des disques, des pales et d'autres pièces de l'assemblage. Dans ces situations, la géométrie est explicitement modélisée à l'aide d'une représentation 3D complète du rotor.

Cette approche capture automatiquement les phénomènes d'assouplissement centrifuge et de rigidification en raison de sa description continue, représentant ainsi le comportement des rotors de la manière la plus précise possible, pour diverses conditions.

Vue rapprochée du Constructeur de modèles avec le noeud Palier porteur hydrodynamique sélectionné et un modèle de vilebrequin dans la fenêtre graphique.

Paliers hydrodynamiques

Pour des simulations plus avancées de rotors supportés par des paliers à film fluide, l'interface Palier hydrodynamique peut être utilisée. Cette interface permet d'étudier la distribution de la pression, le champ de vitesse et les pertes visqueuses dans un film fluide. Lorsque des liquides sont utilisés comme lubrifiants, il est possible d'effectuer des analyses simples à l'aide de l'équation de Reynolds ou de considérer la cavitation à l'aide de la théorie de la cavitation de Jakobsson-Floberg-Olsson (JFO). Pour les paliers lubrifiés au gaz, il est fait appel à une équation de Reynolds modifiée.

L'interface permet de modéliser différents types de paliers et d'amortisseurs prédéfinis ou spécifiés par l'utilisateur. Les types prédéfinis comprennent :

Palier porteur hydrodynamique :
- Lisse
- Elliptique
- Split halves
- Multilobe
- Patin incliné
Butée hydrodynamique :
- Etape
- Conique
- Patin incliné
Palier à bague flottante
Amortisseur à film d'huile

Il est également possible de spécifier des entrées et des sorties de fluide ou des désalignements pour représenter le palier en question.

Vue rapprochée des réglages du noeud Dilatation thermique et d'un modèle de rotor dans la fenêtre graphique.

Lois de comportement

Dans le module Rotordynamics, la fonctionnalité Matériau élastique linéaire est utilisée comme loi de comportement par défaut. Cette fonctionnalité ajoute des équations pour calculer les déplacements dans un rotor élastique linéaire et définit les propriétés élastiques et inertielles d'un matériau. Les équations de cette fonctionnalité tiennent compte des forces d'inertie induites par la rotation du rotor. De nombreux autres effets peuvent également être intégrés, tels que de la dilatation thermique, des contraintes et déformations initiales et externes, et de l'amortissement.

Vue rapprochée du Constructeur de modèles avec le noeud FFT temporel vers fréquentiel sélectionné et un graphique waterfall dans la fenêtre graphique.

Types d'étude

Le module Rotordynamics propose différents types d'études pour les analyses statiques et dynamiques des assemblages de rotors. Ceci inclut des études paramétriques pour analyser le comportement d'un rotor selon différentes conditions, telles que des excentricités de masse variables, à l'aide d'une étude Stationnaire. L'étude Fréquence propre, quant à elle, est particulièrement utile pour identifier les plages de fonctionnement stable et les vitesses critiques en effectuant des analyses de fréquences propres répétées sur une plage de vitesses de rotation.

Dans le cas où toutes les sollicitations du rotor sont harmoniques, l'étude Domaine fréquentiel permet de calculer la réponse du rotor. Une étude Temporel est utilisée lorsque l'on considère les effets inertiels d'un déséquilibre et ses variations temporelles par rapport au référentiel corotatif.

Une étude Temporelle avec FFT effectue un balayage paramétrique sur la vitesse angulaire du rotor et comporte une simulation transitoire suivie d'une transformée de Fourier rapide (FFT). Ce type d'étude est très consommateur de ressources machine, mais il est avantageux lorsque les vibrations sub-synchrones et super-synchrones du système rotor-palier sont prédominantes.

Vue rapprochée du Constructeur de modèles avec le noeud Couplage solide - palier sélectionné et un modèle de moteur à piston dans la fenêtre graphique.

Analyses multiphysiques étendues

Le module Rotordynamics peut être combiné avec d'autres produits de la suite COMSOL pour réaliser des simulations couplées et des analyses multiphysiques. Cela permet d'examiner en profondeur différents effets physiques sur un système rotatif. En combinant par exemple le module Rotordynamics avec le module Multibody Dynamics, il est possible d'effectuer des simulations transitoires pour évaluer les vibrations d'un assemblage de rotors et d'engrenages lorsqu'il est soumis à un couple externe. De même, pour évaluer la durée de vie en fatigue des composants du stator et du rotor, le module Rotordynamics peut être combiné efficacement avec le module Fatigue.

Module Rotordynamics

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Simulations de paliers hydrodynamiques