Investigação experimental do método de Rayleigh para a estimativa do amortecimento viscoso de estruturas tubulares em vão livre

Abstract

O seguinte trabalho visa, a partir de uma abordagem majoritariamente experimental sob apoio da numérica, realizar uma análise modal em estruturas tubulares de Policloreto de Vinila (PVC) e alumínio dispostas em configuração de vão livre para posterior investigação do método de amortecimento viscoso de Rayleigh. Esse método, regularmente empregado em simulações de elementos finitos da dinâmica de risers e umbilicais, é fundamentado pela premissa de que o amortecimento viscoso de estruturas pode ser caracterizado a partir da combinação de inércia e rigidez com suas respectivas constantes de proporcionalidade. Essa determinação, no entanto, auxilia na caracterização do sistema quando submetido às diferentes excitações do ambiente marítimo, e portanto, corresponde à capacidade do sistema de dissipar energia quando sujeito a fenômenos não desejados, porém recorrentes, como as Vibrações Induzidas por Vórtices (VIV). Dessa forma, a metodologia de projeto adotada foi realizar dois ensaios principais para caracterização modal das estruturas. O primeiro, pautado sobre vibração forçada com auxílio de um excitador de frequências, um acelerômetro uniaxial e um analisador de sinais; e o segundo, desenvolvido por meio de vibração livre e suportado pelo uso de um sistema de rastreamento por imagem. Com a finalidade de obter o comportamento modal dessas estruturas para posterior aplicação do amortecimento de Rayleigh, foi possível a compreensão do método explicitando suas particularidades e desafios a partir de quatro abordagens distintas. Assim, constatou-se que, dependendo da abordagem utilizada e da qualidade da informação acerca da estrutura que se deseja analisar, o método se apresenta bastante sensível e com características que podem levar à estimativa de razão de amortecimento para modos de alta ordem por vezes subestimada, e em outros momentos superestimada. Todas as análises expressaram uma sensibilidade indissociável ao utilizá-lo.

Abstract: The following work aims to, mostly from an experimental approach with numerical support, carry out a modal analysis on tubular structures made of Polyvinyl Chloride (PVC) and aluminum arranged in a free span configuration for further investigation of the Rayleigh Viscous Damping Method. This method, regularly used in simulations of the dynamics of \textit{risers} and umbilicals, is based on the premise that the viscous damping of structures can be characterized by the combination of inertia and stiffness with their respective proportionality constants. This determination, however, helps to characterize the system when subjected to different excitations in the maritime environment, and therefore, implies the system's ability to dissipate energy when subjected to unwanted, but recurring phenomena, such as Vortex Induced Vibrations (VIV). Therefore, the project methodology adopted was to carry out two main tests for modal characterization of the structures. The first one, supported on forced excitation with the aid of the frequency exciter, the uniaxial accelerometer and the data acquisition system; and the second, developed through free excitation supported by the use of the image tracking system. In order to obtain the modal behavior of these structures for subsequent application of Rayleigh damping, it was possible to understand the method, explaining its particularities and challenges by four different approaches. Then, it was found that, depending on the chosen approach applied and the quality of the information according to the structure that needs to be analyzed, the method seems to be quite sensible and with some characteristics that may lead to the estimation of the damping ratio for the high-order modes sometimes underestimated, and at other moments overestimated. All analyses revealed an inseparable sensitivity when using it.