Após validação do modelo do MCP em teste de bancada e validação do modelo tridimensional, inserimos o modelo do MCP ao modelo global 3D validado e observamos o resultado.
FIGURA 4.44 –Modelo do MCP em destaque, acoplado ao modelo Global 3D – Corte longitudinal do modelo global
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FIGURA 4.45 – Modelo do MCP em destaque, acoplado ao modelo Global 3D – Corte transversal do modelo global
Figura 4.46 apresenta o 1º modo de vibração obtido pelo modelo em elementos finitos, onde a vibração é transversal. O valor encontrado foi de 7,39 Hz. O casco do modelo esta limitado verticalmente pela linha de base até a altura de 2080mm e longitudinalmente do limite da popa até a caverna 47.
FIGURA 4.46 –1o Modo de Vibração Natural do Modelo do MCP acoplado ao modelo Global 3D - Wn =7,39Hz, modo H
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Este modelo apresentou resultado de frequência natural do motor menor do que o resultado em teste de bancada, o que já era esperado, pois agora a base tem a flexibilidade ajustada pelo modelo do navio.
Na sequência final, o motor foi modelado com o estaiamento lateral ligado à caverna gigante do navio como indicado em seus planos de construção.
Foram obtidos vários resultados de frequência natural, porém o mais significativo, ou seja, que apresentou o maior deslocamento do topo foi o da figura 4.47, que apresenta o modelo limitado verticalmente pela linha de base até a altura de 2080mm e longitudinalmente do limite da popa até a caverna 47, e que apresenta o 1º modo de vibração obtido pelo modelo com estaiamento, onde a vibração é transversal. O valor encontrado foi de 10,10 Hz.
Este valor está bem próximo do valor obtido pela medição experimental que apresentou pico de vibração a 126 RPM, que resulta na frequência de 10,3 Hz, como exposto acima.
FIGURA 4.47 –1o Modo de Vibração Natural do Modelo do MCP acoplado ao modelo Global 3D com estaiamanento- Wn =10,40Hz, modo H
Desta forma, podemos afirmar que o modelo representa a estrutura em análise e simula o comportamento da vibração do motor acoplado ao casco com boa aproximação.
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5-Conclusões
A dissertação apresenta uma aplicação de modelos numéricos calibrados por medições em escala real para o diagnóstico e análise de vibração de motores em praças de máquinas de navios. Estruturas de grandes navios mercantes vêm apresentando alta vibração global excitadas pelo propulsor e pelo motor principal desde as últimas décadas do século passado até os dias de hoje. Mesmo conhecendo os valores das frequências naturais em fábrica, através de testes de bancada, do motor principal de um navio, o projetista estrutural pode ter dificuldade em evitar uma condição de ressonância global casco e motor, por esse último possuir na fábrica comportamento dinâmico muito diferente do apresentado no navio, quando está fixado a um fundo muito flexível. Para simular corretamente rigidez e massa da estrutura adjacente ao motor, o desenvolvimento dessa dissertação contou com resultados reais de vibrações medidas nas provas de mar preliminar e oficial, que permitiu verificar a correta simulação do casco, ao mesmo tempo bastante complexa e extremamente útil para evitar que as principais forças no navio ocorram em rotações do motor com freqüência próxima às de vibração livre do sistema, causando ressonância.
Os conceitos teóricos revistos dizem respeito à vibração de sistemas mecânicos e de navios, de técnicas experimentais utilizadas em medições de navios e a métodos matemáticos responsáveis pela discretização da rigidez e massa do sistema (Método dos Elementos Finitos) e pela solução do problema de auto-valores (frequências naturais) e auto-vetores (modos de vibração).
A maior sensibilidade do cálculo é ao efeito da massa fluida adjacente ao casco, que se comporta de forma distinta para cada modo de vibração e os métodos existentes ainda falham em simular de forma confiável. Por contar com resultados experimentais, o procedimento adotado foi verificado no caso de um problema real ocorrido em um navio cuja estrutura vibrava intensamente causada pela proximidade ao modo H do motor, já acoplado ao navio e devidamente estaiado lateralmente.
A simulação consistiu inicialmente em um modelo unidimensional apenas do casco do navio seco, cuja rigidez, sensível à área efetiva ao cisalhamento da viga que o representa, mas que pode ser verificada comparando ao modelo tridimensional
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correspondente. De posse do modelo 1D e de oito resultados experimentais do navio real (quatro freqüências naturais de casco em lastro e em plena carga cada), foi possível avaliar a massa adicional de fluido ao casco para a faixa de frequência de vibração do motor, que foi então inserida no modelo 3D, assim como a massa de cada condição de carregamento.
Com o modelo 3D do navio verificado pelas quatro primeiras frequências naturais do casco em cada condição, foi possível simular a vibração do modo H do motor fixado e estaiado ao casco. Para isso, foi necessário o ajuste de um modelo simplificado 3D, com as mesmas dimensões do motor, que apresentasse as mesmas frequências naturais de seus modos transversal (H), longitudinal (L) e torcional (X) fornecidas pelo fabricante e realizadas através de testes de bancada em fábrica.
Finalmente, o modelo 3D do motor ajustado pelos dados do fabricante foi inserido no modelo do navio ajustado pelas freqüências naturais de flexão do casco e tornou possível a predição da freqüência de vibração transversal (H) do motor devidamente fixado ao fundo e estaiado lateralmente em seu topo à caverna gigante da praça de máquinas, apresentando resultado idêntico ao obtido experimentalmente em provas de mar.
O modelo final pode ser utilizado para simular níveis de vibração em outros locais do navio e também como ferramenta para solução de problemas de vibração, através da simulação do efeito de pequenas intervenções no projeto estrutural do navio, de modo a deslocar as frequências naturais do motor em conjunto com a estrutura para valores fora da faixa de operação.
Um ponto importante para a continuação desta pesquisa é a busca de soluções para problema de vibração em navio que possua resultado de vibração de motor em teste de bancada para comparação.
Como sugestão para desenvolvimentos futuros, podem ser analisadas outras estruturas para o estudo de frequência natural, que apresentem problemas de vibração, não só do motor, mas como em outros equipamentos.
Diversos outros estudos podem ser feitos com a utilização do software de elementos finitos. Uma recomendação é o possível estudo de fadiga em equipamentos e aprimoramento de métodos de predição de massa adicional.
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