Comportamento dinâmico não-linear de um sistema mecânico com vibrações associadas a uma transição brusca na rigidez

Abstract

Nas aplicações em engenharia existem várias situações onde é necessário o uso de vibrações em certas partes de um sistema mecânico, criadas a partir de transição brusca de um parâmetro do sistema, como por exemplo, em máquinas perfuratrizes de solo na exploração de petróleo onde a condição de impacto na interação-rolha facilita a penetração no solo. Os sistemas mecânicos submetidos a esse forma de excitação são chamados em geral de mecanismos tipo Vibro-Impacto. Nesta dissertação, faz-se a análise da dinâmica de um sistema mecânico Vibro-Impacto de dois graus de liberdade composto por dois blocos de massas diferentes acoplados por uma rigidez (mola) de dois estágios. Dois modelos não-lineares foram utilizados para representar o sistema estudado: o primeiro é excitado de maneira ideal, sob a forma de uma força harmônica e o segundo, de maneira não-ideal sob a forma de um rotor desbalanceado acionado por um motor elétrico de corrente contínua. A dinâmica do sistema é modelada considerando duas situações distintas: sem a condição de impacto e com a condição de impacto, de acordo com a relação entre o deslocamento e a folga no sistema. Foram analisados os resultados das simulações numéricas através dos históricos no tempo, retratos de fase, diagramas de bifurcações, mapas de Poincaré e espectros de frequencias. Observaram-se as velocidades de avanço do sistema, as taxas de transferência de energia, e as forças durante as transições bruscas da rigidez (condição tipo impacto) entre as massas, determinando-se as faixas dos parâmetros com comportamentos periódicos e caóticos assim como a ocorrência do Efeito Sommerfeld. A partir dos resultados obtidos foi possível concluir que o mecanismo tipo Vibro-Impacto analisado possui maior velocidade de avanço e maior força em determinada frequencia de excitação onde o movimento apresenta-se no regime caótico

In engineering aplications there are several situations in which it is necessary to use vibrations in certain elements of a mechanical system, created with an abrupt transition from one system parameter, such as soil drilling machines in oil exploration where the impact condition on the drill-rock interaction enhances penetration into soil. Mechanical systems subjected to this form of excitation are called in general mechanisms of vibro-impact type. This dissertation makes the analysis of the dynamics of a the dynamics of a Vibro-Impact mechanical system of two degrees of freedom comprised of two blocks with different masses coupled by a two-stage stiffness (spring). Two nonlinear models are used to represent the studied system: the first uses an ideal excitation in the form of a harmonic force, and the second uses a non-ideal excitation in the form of a unbalanced rotor driven by a direct current electric motor. The dynamics of the system is modeled by considering two different situations: without impact and with impact, according to the relationship between the displacement and the gap in the system. The results of numerical simulations were analyzed with the time histories, phase portraits, bifurcation diagram, Poincaré map and spectra of frequencies. Velocities of the system, the rate of energy transfer, and forces during abrupt transitions in stiffneess (impact type condition) between the masses were observed, determining the ranges of parameters with periodic and chaotic behavior as well as the occurrence of the Sommerfeld effect. From the results it was possible to conclude that the analysed Vibro-Impact mechanism has a larger progress velocity and larger forces in a given excitation frequency where the movement presents itself in the chaotic regime