Vibrations

Opération de recherchesVibrationsAnimateur Etienne BALMÈSParticipants Mathieu CORUS (00-), Jean Michel LECLÈRE (01-), Adrien BOBILLOT (99-02),Gérald KERGOURLAY (00-04), Corine FLORENS (04-07), Benjamin Groult (05-08)Denis AUBRY, Zouir ABBADI (01-04), Olivier SAUVAGE (99-02)1 Activité scientifique1.1 ObjectifsL’OR vibrations cherche à développer des méthodologies de dimensionnement vibratoire et à confronter cesméthodes à des applications réelles. Les compétences clefs sont liées à la modélisation de l’amortissement, l’analysemodale expérimentale, et les méthodes d’approximation en dynamique des structures. Le savoir-faire de l’ORest pérennisé dans les librairies OpenFEM et SDT.1.2 Résultats principauxAmortissement Sur cette thématique traditionnelle de l’OR, on a cherché à mettre en place des méthodes deconception et validation de structures amorties, abordé les problématiques de validité en fréquence et poursuivi untravail de fond sur les techniques de caractérisation.FIG. 12.1: Gauche : Maillage non coïncident d’un traitement amortissant structuré sur une aile de carrosserie.Droite : suivi des résonances lors de l’optimisation du traitement.Pour les méthodes de conception, un premier problème est de pouvoir estimer rapidement le potentiel d’amortissementd’une technologie donnée, un résultat important a donc été la mise en place de techniques de résolutionpour l’approximation de la réponse fréquentielle directe de structures comprenant plusieurs matériaux viscoélastiques[188, 160] pour des modèles vibroacoustiques de grande taille (plus d’un million de degrés de liberté)utilisés par l’industrie actuellement. La thèse d’O. Sauvage a permis de montrer la validité étendue en fréquence

I.74 I – DOSSIER SCIENTIFIQUEde modèles de groupes moto-propulseurs et de valider des techniques de résolution adaptées. La thèse de N. Merlettepoursuit ce travail pour des applications automobiles en utilisant certaines des méthodes itératives mises enplace dans la thèse d’A. Bobillot. Les applications traitées concernent pour l’instant le secteur automobile, lesmoteurs d’avion et électroménager. La figure 12.1 illustre les calculs réalisés dans le logiciel ProSPADD réalisé encollaboration avec Artec AeroSpace.Pour assurer une indépendance critique de l’OR sur la caractérisation des matériaux viscoélastiques, un banc demesure de lois de comportement viscoélastiques de films utilisés dans les tôles sandwich a été réalisé dans le cadrede la thèse de G. Kergourlay. La spécificité de ce banc est de permettre une mesure de l’effet de la précontraintedont on sait qu’elle est importante pour les sandwich mis en forme. La chambre isotherme permet par ailleurs deréaliser des essais en fréquence et température de pièces plus significative.En parallèle, des solutions dissipatives par amortissement viscoélastique, les problématiques de dissipationdans les jonctions soudées ont été étudiées dans les thèses de S. Germès et Z. Abbadi.Essais, modèles hybrides, modification structurale Du côté des essais, l’activité s’est concentrée sur les techniquesd’exploitations simultanées de données calculs et essais dans des modèles hybrides.L’objectif industriel visé par la thèse de Mathieu Corus [473], financée par EDF, était de permettre uneprédiction quantitative de l’effet de modifications sur le comportement vibratoire d’une structure. Dans un contextede crise vibratoire sur des équipements exploités mais non conçus par EDF, l’équipement doit être rapidement caractérisépar un essai, et l’utilisation proposée d’un modèle local donnant une approximation grossière de la zonede la modification a permis d’estimer par expansion modale [187] les quantités non mesurées et d’améliorer laqualité de prédiction de la réponse de la structure modifiée. Comme illustré en figure 12.2, le principe proposéde combiner des essais, un modèle local imparfait et des techniques d’expansion marque une extension très significativedes techniques classiques de modification structurale. Une extension des méthodes au cas de structuresamorties est prévue dans le cadre de la thèse de B. Groult (démarrage janvier 2005).La compétence de l’OR dans cette thématique est par ailleurs maintenue par des demandes industrielles assezrégulières : EADS-ST (recalage Ariane 5, thèse Bobillot [193]), Airbus (préparation essai A380), ESA-ESTEC(corrélation table vibrante HYDRA), PSA (essais de structure amorties), BOSCH (exploitation d’essais vibratoirepour l’analyse des phénomènes de crissement), BEC (essais d’une poutre semi-immergée pour le dimensionnementde codes en hydrodynamique). Finalement des développements sur les techniques de placement de capteur sontréalisés dans le cadre de l’ACI CONSTRUCTIF.FIG. 12.2: Gauche : mode d’un ensemble pompe/moteur mesuré expérimentalement en Centrale. Prédiction del’évolution de ce mode pour des raidisseurs modélisés par élément fini. Droite : réponse en tête de moteurlors essai initial (mesure brute et identification), prédiction a priori de l’effet de la modification, résultatsdu deuxième essai réalisé après modification.Méthodes d’approximation en dynamique Le dernier thème développé est lié aux techniques d’approximationen dynamique. La thèse d’Adrien Bobillot a permit de formaliser le caractère générique des méthodes d’Itérationsur les Résidus [17]. Ces techniques ont été utilisées pour le recalage, la prédiction de structures amorties (voir

Vibrations I.75thème précédent), la prédiction vibroacoustique, les études de variabilité dans les structures. Une application assezoriginale a été mise en oeuvre pour la SNCF dans le développement du code DYNAVOIE, ce code prend en compteun modèle 3D détaillé d’une tranche de voie et utilise une technique de sous structuration périodique illustrée enfigure 12.3. Une application similaire aux turbomachines, réalisée pour la SNECMA, devrait déboucher sur unethèse en 2005.FIG. 12.3: Modèle 3D d’un tronçon de voie et simulation de la réponse au passage d’un train. Logiciel DYNAVOIEd’étude de l’interaction voie véhicule pour l’étude du tassement (projets SNCF 2002-2004).1.3 PerspectivesLa thématique de la conception de l’amortissement est en évolution rapide. L’activité des prochaines annéesconcernera des développements au niveau des méthodes (placement, optimisation, validation sur gros modèles),des essais de validations (essais composants automobiles et aéronautiques), de la connaissance des matériauxdissipatifs (des premiers essais de mélanges contenant des nanotubes ont été réalisés au niveau du laboratoire).La thématique des modèles hybrides calculs/essai a été fortement renouvelée par les développement de la thèsede M. Corus. La collaboration avec EDF sera poursuivie en introduisant des modifications amortissantes et unepremière étude appliquée aux freins automobiles est en cours.Les techniques de réduction de modèle restent un savoir faire assez unique et des applications spécifiquespour les machines tournantes, les systèmes quasi-périodiques et les couplages fluide/structure seront l’objet dedéveloppements importants.2 Bilan scientifiqueLogicielsL’OR est fortement impliquée dans le développement de divers logiciels– OpenFEM ( www.openfem.net ) est une librairie pour le calcul élément fini multiphysique dans les environnementsMATLAB et SCILAB. Cette librairie est développé en collaboration avec l’équipe MACS del’INRIA (développeurs initiaux de MODULEF).– SDT (Structural Dynamics Toolbox) est la librairie logicielle principale de la société SDTools (plus 500 licencesdans une vingtaine de pays). Cet environnement intègre OpenFEM et des développements spécifiquesen analyse modale expérimentale, sous-structuration et en gestion de gros calculs élément fini. L’extensionFEMLink permet l’interfaçage avec codes Elément Finis industriels (NASTRAN, ANSYS,...) ce qui est essentielpour l’objectif de l’OR de confrontation avec des cas industriels réels. Du côté du laboratoire, desinterfaces avec les logiciels du laboratoire MISS3d et GEFDYN ont été réalisées.– Sur la thématique de l’amortissement, une capitalisation des outils experts est faite dans la boite à outilsanalyse vibratoire viscoélastique (www.sdtools.com/consulting/dev visc.html) et le logiciel ProSPADD dedimensionnement initial de la technologie SPADD (www.sdtools.com/prospadd). ProSPADD est développéen collaboration avec ARTEC Aerospace).– Dans le cadre de collaborations avec la SNCF, deux applicatifs spécialisés ont été réalisés DYNAVOIE pourl’étude des interactions voie/véhicule et OSCAR pour la simulation des interaction pantographe caténaire.

I.76 I – DOSSIER SCIENTIFIQUEThèsesLe développement d’OSCAR est financé par la SNCF dans le cadre du projet européen Europac (EURopeanOptimised PAntograph Catenary interface).– Bobillot A., Méthodes de réduction pour le recalage. Application au cas d’Ariane 5. Thèse ECP, 2002.– Corus M., Amélioration de méthodes de modification structurale par utilisation de techniques d’expansionet de réduction de modèle. Thèse ECP, 2003.– Kergourlay G., Mesure et prédiction vibroacoustique de structures viscoélastiques - Application à une enceinteacoustique. Thèse ECP, 2004.– Sauvage O., Modélisation du comportement vibratoire d’un groupe moto-propulseur (0-10 kHz), Thèse ECP,2002.– Abadie Z., Modélisation de la dissipation d’énergie vibratoire dans les corps creux soudés, Thèse ECP, Jv2005.Publications principales– Abbadi Z., Aubry D., Germes S., Jézéquel L., Van Herpe F., An improved model for dissipation in weldingspot joints, ISMA 2004.– Bobillot, A. and Balmes, E., ”Iterative Computation of Modal Sensitivities,” Accepted by AIAA Journal,2003.– Bobillot, A. and Balmes, E., ”Expansion par minimisation du résidu dynamique. Résolution et utilisationpour la localisation d’erreur.” Revue Européenne des Eléments Finis, numéro spécial, 2002.– Balmes, E. and Germes, S., ”Tools for Viscoelastic Damping Treatment Design. Application to an AutomotiveFloor Panel.” International Seminar on Modal Analysis, September 2002.– Balmes, E., ”Uncertainty propagation in experimental modal analysis,” International Modal Analysis Conference,Dearborn, 2004.– Corus, M., Balmes, E., and Billet, L., ”Amélioration de méthodes de modification structurale - Applications,”Journal de Physique IV, 2002.– Germès S. Stawicki C., Aubry D. Wave propagation through hollow bodies and noise reduction, J. ComputationalAcoustics, Vol 9, No 3, 853-868, 2001.– Kergourlay, G., Balmes, E., ”Conception d’un banc de mesure des propriétés de films viscolastiques,” Journalde Physique IV, Décembre 2002, pp. 161-168.– Merlette N., Germès S., van Herpe F., Jezequel L., Aubry D. The use of suitable modal bases for dynamicprediction of structures containing high damping materials, ISMA 2004– Sauvage O., Aubry D., Jézéquel L., Ouisse X., Savalle C., Modélisation de l’amortissement non-standard etdes vibrations d’éléments d’un groupe moto-propulseur en moyennes fréquences, 5eme colloque Calcul desstructures, 2001.– Sauvage O., Aubry D., Ouisse X., Savalle C., Non-classical damping and medium frequency range vibrationsof assembled engine components, Proc. 20th IMAC, Los Angeles, 2002.3 Moyens financiersUn financement de 30 kEuro a été fourni par le CNRS au titre de l’ACI Constructif sur la période 2003-2006. Un budget de développement de l’ECP de 35 kEuro en 2001 a financé l’étuve utilisée pour la thèse de G.Kergourlay et des équipements informatiques communs au laboratoire.Contrats industriels :SDTools (Auto-financement Balmès et Leclère), PSA (thèses Sauvage et Abadi, études), EDF (thèses Corus etGroult, études), EADS-ST (thèse Bobillot), SNCF (études), SNECMA (études), ONERA (thèse Florens)