Forced Response Analysis of a Rotordynamic System with Bearing Clearance Nonlinearity Integration internship

Abstract

This master’s thesis is conducted to obtain the Master of Sciences (MSc) degree in Aerospace Engineering. The work is based on a case study proposed by Safran Tech, a research group within Safran s.a. The initial focus of this study is the forced response analysis of a rotordynamic system, which exhibits nonlinear vibratory behavior due to the presence of a gap between one of the bearings and its support. These gaps are intentionally designed and are typically filled with oil, forming an oil-film bearing. This configuration introduces damping between the bearing and its housing. In the event of abnormal rotor unbalance, the outer ring of the bearing may contact the inner wall of the housing. The rotor system is analyzed using pyHarm, an open-source harmonic balance solver developed by Safran Tech. The issue raised by the case study is that this solver is unable to compute the frequency response of the rotor system in certain configurations. Following an investigation of the initial problem, it was found that pyHarm cannot address some potential bifurcation points that may arise in the frequency response, aside from simple fold bifurcations. Consequently, the primary objective of this thesis is to enhance the bifurcation handling capabilities of pyHarm. To achieve this, the bifurcation detection mechanism within pyHarm has been refactored. Additionally, two numerical techniques have been imple- mented to facilitate transitions between different branches of the system’s frequency response solutions. The first technique involves introducing small perturbations into the system dynamics, while the second technique addresses the algebraic bifurcation equation.

Cette thèse de master vise l’obtention du diplôme de master ingénieur civil en aérospa- tiale. Les travaux s’appuient sur une étude de cas proposée par Safran Tech, un groupe de recherche au sein de Safran s.a.. L’objectif initial de cette étude est l’analyse de la réponse forcée d’un système rotodynamique présentant un comportement vibratoire non linéaire, dû à la présence d’un jeu entre l’un des paliers et son logement. Ces jeux sont volontairement dimensionnés et généralement remplis d’huile, formant un palier à film mince. Cette configuration introduit un amortissement entre le palier et son logement. En cas de déséquilibre rotorique anormal, la bague extérieure du palier peut entrer en contact avec la paroi interne du logement. Le système rotorique est analysé à l’aide de pyHarm, un solveur Harmonic Balance open source développé par Safran Tech. L’étude révèle que ce solveur est incapable de calculer la réponse en fréquence du système pour certaines configurations. Après investigation, il apparaît que pyHarm ne traite pas tous les points de bifurcation potentiels de la réponse en fréquence, au-delà des simples bifurcations de type « fold ». Par conséquent, l’objectif principal de cette thèse est d’améliorer les capacités de gestion des bifurcations de pyHarm. Pour ce faire, le mécanisme de détection des bifurcations a été refondu. De plus, deux techniques numériques ont été implémentées pour faciliter la transition entre les différentes branches de solutions de la réponse en fréquence. La première technique consiste à introduire de petites perturbations dans la dynamique du système, tandis que la seconde traite l’équation de bifurcation algébrique.