Análise da aplicação do método da decomposição modal para a representação do campo de pressões de modelo flexível em túnel de vento

Abstract

Vibrações significativas podem ser induzidas nas estruturas devido a ação de forças aeroelásticas, podendo causar danos à esta, ou mesmo levá-la à ruína. Tais forças deveriam, pois, ser consideradas desde a fase de projeto, através da inclusão destas cargas nas equações de movimento, principalmente em estruturas mais flexíveis, as quais são mais susceptíveis aos problemas originados pela interação fluido-estrutura. O método da decomposição modal ("Proper Orthogonal Decomposition Method") foi considerado particularmente adequado para representar a ação do vento na determinação da resposta de estruturas em que os efeitos de ressonância são desprezíveis, embora já tenha sido usado para avaliar efeitos dinâmicos. A utilização deste método reduz o esforço computacional empregado na análise estrutural, por não ser necessário considerar os registros completos de pressões flutuantes na aplicação do carregamento devido ao vento. Este trabalho se propõe a avaliar experimentalmente o Método da Decomposição Modal em estruturas que apresentem níveis significativos de vibração, a fim de verificar a validade deste método na recomposição do campo de pressões flutuantes. Para tal, foi adotado como modelo uma placa rígida de um grau de liberdade, apoiada sobre hastes flexíveis, a qual foi ensaiada no Túnel de Vento TV-2 da UFRGS. Ensaios estáticos e dinâmicos foram realizados para aquisição dos registros de pressões flutuantes. Coeficientes de pressão média e coeficientes de pressão quadráticos médios foram calculados para três diferentes condições de rigidez do modelo. A decomposição modal foi aplicada para as pressões medidas, avaliando-se os modos de pressão na superfície do modelo ensaiado. Os coeficientes de pressão média apresentaram uma excelente concordância entre si para os níveis de rigidez analisados. Entretanto, o Método da Decomposição Modal apresentou diferenças ao se comparar os seis primeiros modos de pressão para os ângulos de incidência analisados. Observou-se que há influência da flexibilidade do modelo na aplicação do Método da Decomposição Modal, a qual não atinge níveis expressivos que invalidem a aproximação pelo modelo rígido, para o modelo flexível adotado.

Significant structural vibrations can be induced due to the action of aeroelastic forces which sometimes carry damage or commit the structural operation. These forces should be accounted on the structural equations of motion at a design stage, mainly in structures susceptible to fluid-structure interaction effects. The Proper Orthogonal Decomposition Method (POD) was considered particularly suitable to determine the response of structures in which resonance effects are negligible, but it has also been used to evaluate dynamic effects. The application of such method reduces significantly the computational effort in the analysis, since complete fluctuating pressure records are not needed for an accurate wind load action evaluation. This work proposes the application of the Proper Orthogonal Decomposition Method on structures where fluid-structure interaction problems are present, in order to verify the POD validity in the assessment of fluctuating pressures on models subjected to dynamic response due to wind action. The model used in this study is a single degree of freedom rigid plate, fixed by flexible supports. Experiments were performed in the TV-2 Boundary Layer Wind Tunnel of the UFRGS. Static and dynamic tests were performed for instantaneous pressure measurements acquirement. The mean and RMS pressure coefficients were evaluated for three different stiffness levels. The POD Method was used with the fluctuating pressure measurements for the evaluation of the pressure modes on the model surface. The mean pressure coefficients have presented excellent agreement for each stiffness level. However, the POD Method has presented slight differences when the first six pressure modes are compared for the analyzed wind directions and stiffness levels. It was noticed that the model flexibility affects the Modal Decomposition Method application, but this influence does not attain expressive levels that invalidate the flexible model approximation by the stiff one.