Reduction of cyclic symmetric mechanical systems subject to blade-tip/casing contact interactions
Réduction de systèmes mécaniques sujets à des contacts aube/carter en symétrie cyclique
Résumé
This paper proposes a novel reduction technique for industrial bladed disks featuring blade-tip/casing contacts. By analyzing a regularized contact law, a criterion allowing to drastically reduce the size of the problem is derived. It consists in restricting solutions to only a subset of nodal diameters identified in advance. An additional parity rule allowing to reduce the size of problem by half in certain configurations when solving through the harmonic balance method (HBM). These rules are tested on an academic cyclic model featuring unilateral contacts. The reduction is exact both for a regularized law but also for a nonsmooth contact law. The results match perfectly with the reference calculations led on the full system. The previously published traveling wave hypothesis (deducing the full response from a single sector) also provides exact results when considering traveling wave excitations. All the previously mentioned observations remain true for the simulations led on the industrial fan stage ECL5/Catana under rubbing interactions. After including friction forces, the reduction technique is still exact for the industrial model. The traveling wave hypothesis also remains valid. Several loading scenarios demonstrate the applicability of the strategy in numerous configurations. Localized responses are accurately captured by the reduction method in the case of excitation through perturbed traveling waves. This contribution allows to take a major step forward in the numerical modeling of bladed disks featuring blade-tip/casing interactions by taking advantage of cyclic symmetry. The proposed strategy yields an average reduction of 37.6% for the HBM and 25.2% for other methods. For traveling wave excitations, the reduction is rapidly over 90% and goes up as the number of sectors increases.
Cet article propose une nouvelle technique de réduction pour les roues aubagées industrielles subissant des contacts aube/carter. En analysant une loi de contact régularisée, un critère permettant de réduire considérablement la taille du problème est obtenu. Il consiste à restreindre les solutions à un sous-ensemble de diamètres nodaux identifiés à l'avance. Une règle de parité supplémentaire permet de réduire de moitié la taille du problème dans certaines configurations lors de la résolution par la méthode de l'équilibre harmonique (HBM). Ces règles sont testées sur un modèle cyclique académique comportant des contacts unilatéraux. La réduction est exacte à la fois pour une loi régularisée et pour une loi de contact non régulière. Les résultats correspondent parfaitement aux calculs de référence effectués sur le système complet. L'hypothèse d'onde tournante publiée précédemment (déduisant la réponse complète d'un seul secteur) fournit également des résultats exacts lorsque l'on considère des excitations tournantes. Toutes les observations mentionnées précédemment restent vraies pour les simulations menées sur l'étage de soufflante industrielle ECL5/Catana en cas de contact aube/carter. Après l'inclusion des forces de frottement, la technique de réduction reste toujours exacte pour le modèle industriel. L'hypothèse de l'onde tournante reste également valable. Plusieurs scénarios de chargement démontrent l'applicabilité de la stratégie dans de nombreuses configurations. Des réponses localisées sont détectées avec précision par la méthode de réduction dans le cas d'excitations par des ondes tournantes perturbées. Cette contribution constitue une avancée majeure dans la modélisation numérique des roues aubagées en situation de contact rotor/stator en tirant parti de la symétrie cyclique. La stratégie proposée permet une réduction moyenne de 37,6% pour le HBM et de 25,2% pour les autres méthodes. Pour les excitations par ondes tournantes, la réduction est rapidement supérieure à 90% et augmente avec le nombre de secteurs.
| Origine | Fichiers produits par l'(les) auteur(s) |
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