Les machines tournantes sont au cœur de bon nombre de structures mécaniques. Elles font rouler les voitures, voler les avions, et nous permettent de produire de l’électricité à partir du vent, de l’eau et d’autres sources d’énergies. Les performances globales de ces structures mécaniques dépendent en grande partie de la qualité de leur conception. Pour ce faire, de bonnes compétences en ingénierie et des logiciels de simulation très précis sont nécessaires.
À l’occasion de cette rencontre-conférence, Caroline Raick (Siemens DI) évoquera l’historique et l’évolution des outils développés par Samtech, puis Siemens (depuis Samcef jusqu’à la plateforme Simcenter 3D) offrant aujourd’hui une large gamme d’applications dans les industries de l’énergie (turbines à gaz, turbines à vapeur), des systèmes de propulsion, ou des machines tournantes comme les pompes centrifugeuses.
Elle développera comment Simcenter 3D Rotor Dynamics se concentre aussi sur les challenges de modélisation en plus des simulations réalistes des problèmes de vibrations au moyen de calculs non-linéaires.
En seconde partie, Elise Delhez (ULiège), nous projettera dans les développements futurs de la dynamique rotor avec les résultats de ses recherches actuelles. Alors que les contraintes environnementales et économiques dans le domaine de l’aéronautique conduisent les ingénieurs à revoir la conception des moteurs d’avion, elle exposera ses études qui visent à augmenter l’efficacité des moteurs et à réduire leur poids et illustrera que la prise en compte des non-linéarités géométriques et de contact demande de développer de nouveaux outils de modélisation. En particulier, afin de relever ces nouveaux défis, des techniques de réduction de modèles non linéaires sont actuellement développées.
Unblocking The Main Thread Solving ANRs and Frozen Frames
Quels défis pour la simulation des problèmes de vibrations dans les turbomachines ? | LIEGE CREATIVE, 30.11.2021
1. Mardi, 30 novembre 2021
Quels défis pour la simulation des problèmes de vibrations dans les
turbomachines ?
Elise Delhez (Département d'Aérospatiale et Mécanique, ULiège)
Caroline Raick (Siemens)
6. Rotor Dynamics
Challenge #1 – Large Models
• Axisymmetric models
• Assemblies of fixed and
rotating parts
• Dynamics analyses in various
conditions: rotation speed
range, pressure, temperature,
excitation frequencies, … to
compute the critical speeds
and stability, or dynamic
behavior
• Model reduction are welcome
(cyclic symmetry,
superelements)
Misalignment
28. Thank you !
Contact
Caroline Raick
Simcenter 3D Rotor Dynamics Product Manager
Simulation and Test Solutions
Siemens Digital Industries Software
caroline.raick@siemens.com
35. 7
Contact, but not only!
Fan stage
▶ Large slender blades
▶ Geometric
nonlinearities
Compressor stages
▶ Reduced operating
clearance
▶ Abradable coating
Turbine stages
▶ Extreme temperatures
▶ Use of new materials
44. 16
Time integration & frequency methods
Time integration Frequency methods
Wide compatibility with contact algorithm
Easy extension to multiphysics
Transient & chaotic response
Qualitative understanding
Assessment of stability
Both strategies are required
45. 17
Model order reduction
ROM with contact interface
3D FE model
+ inertial effects
+ geometric nonlinearities
1 blade
#
DOFs
46. 18
Model order reduction
ROM with contact interface
3D FE model
+ inertial effects
+ geometric nonlinearities
1 blade bladed disk
#
DOFs
47. 19
My work: geometric & contact nonlinearities
Development of a methodology to study in a numerically efficient way
the contact interactions of bladed disks
while accounting for their geometrically nonlinear behavior
Reduced order modeling
(ROM) techniques
49. 21
Craig-Bampton basis augmented with modal derivatives[★]
𝚽 = [𝚿 𝚯 Ξ]
Reduction basis 𝚽
[★] L. WU et al., A modal derivatives enhanced Craig-Bampton method for geometrically nonlinear
structural dynamics, in Proceedings of the ISMA Conference 2016.
53. 25
▶ STiffness Evaluation Procedure (STEP)[★]
-
𝐠𝑛𝑙 𝐪 = ෩
𝐀𝐪⊗𝟐 + ෩
𝐁𝐪⊗𝟑
- ෩
𝐀 and ෩
𝐁 from nonlinear static analyses with imposed displacement
Reduced nonlinear forces
𝐠𝑛𝑙 𝐪
[★] A. MURAVYOV et al., Determination of nonlinear stiffness with application to random
vibration of geometrically nonlinear structures, Computers and Structures, 2003.
Nonlinear
static analyses
𝐠𝑛𝑙 𝐮
Projection
Identification
of ෩
𝐀 and ෩
𝐁
𝐠𝑛𝑙 𝐪
𝚽
54. 26
Projection-based reduction
conserves the general form
of the equation of motion
Reduced contact forces ሚ
𝐟𝑐 𝐪, ሶ
𝐪
Craig-Bampton reduction
allows to retain the physical
contact interface
Usual contact algorithms can be used in the reduced space
▶ Lagrange multipliers
55. 27
Contact scenario
▶ Blade rotating at a constant speed Ω about 𝐞𝐳
▶ Contact initiated by ovalization of the casing
Ω
59. 31
▶ Better understand the physics of the phenomena
▶ Development of more efficient numerical strategies
Challenges
Guidelines for aircraft
engine design
Accounting for contact
in blade design