Flow-Induced Vibrations and Noise of Periodic Structural Systems

par Fabrizio Errico

Thèse de doctorat en Génie Mécanique

Le président du jury était Jean-François Deü.

Le jury était composé de Mohamed Ichchou, Sergio De Rosa, Annalisa Fregolent.

Les rapporteurs étaient Andrea Cammarano, Romain Rumpler.

  • Titre traduit

    Vibrations et bruit de structures périodiques sous écoulement fluide


  • Résumé

    La plupart de la littérature considère différents travaux sur le bruit et les vibrations induit par l’écoulement du fluide pour les pièces structurelles de base, comme les plaques de Kirchhoff. L’objectif principal de cette recherche est d’étendre le travail effectué à des structures périodiques ciblant un certain nombre de nouveautés en ce qui concerne différentes échelles: l’échelle aérodynamique, l’échelle de périodicité et l’échelle de fréquence. Même si des approches analytiques et numériques fondées sur des éléments finis (FE) ont été élaborées pour traiter des problèmes particuliers, certaines limites persistent. Par exemple, l’effort de calcul peut facilement devenir lourd même pour les formes structurelles simples ou pour augmenter la fréquence d’excitation; les longueurs d’onde convectives, pour la plupart des cas d’intérêt industriel, sont largement plus petites que les longueurs d’onde flexionnelles et, par conséquent, les maillages deviennent plus exigeantes. Lorsque la complexité structurelle augmente, même les modèles à petite échelle peuvent nécessiter un grand nombre d’éléments augmentant le coût de calcul. Dans les cadres des méthodes basées sur la FE, ce travail propose deux approches numériques pour traiter les vibrations et le bruit induits par une excitation de la couche limite turbulente (TBL) sur les systèmes structurels périodiques. Tout d’abord, une méthode 1D WFE (Wave Finite Element) est développé pour traiter les excitations aléatoires de structures finies plates, courbes et coniques: modèles multicouches et homogénéisés sont utilisés. Dans ce cas, une seule sous-structure est modélisée à l’aide d’éléments finis. À chaque pas de fréquence, des liens périodiques unidimensionnels entre les nœuds sont appliqués pour obtenir l’ensemble des ondes se propageant le long de la direction de la périodicité; la méthode peut être appliquée même pour les systèmes périodiques cycliques. L’ensemble des vagues est successivement utilisé pour calculer les fonctions de transfert de Green entre un ensemble de degrés de liberté cibles et un sous-ensemble représentant les zones chargées. En utilisant une matrice de transfert, les vibrations induites par l’écoulement sont calculées dans un cadre FE. Ensuite, une approche 2D WFE est développée en combinaison avec une synthèse de charge basée sure le nombre d’ondes pour simuler la transmission sonore de structures infinies plates, courbes et axisymétriques: des modèles périodiques homogénéisés et complexes sont analysés. Dans ce cas, les effets de taille finie sont comptabilisés en utilisant une équivalence pour les structures plates et une analogie cylindrique pour les panneaux courbes. Les approches numériques présentées ont été validées avec des résultats analytiques, numériques et expérimentaux pour différents cas d’essai et dans des conditions de charge différentes. En particulier, la réponse analytique et la FEM classique ont été utilisées comme références pour valider les vibrations des plaques et des cylindres sous charge de la couche limite turbulente; la méthode FE a également été utilisée pour valider une structure complexe et effilée sous excitation acoustique diffuse et le calcul du bruit induit par couche limite turbulente. Du point de vue expérimental, l’approche a été validée en comparant les résultats en termes de perte de transmission acoustique évaluée sur les panneaux de fuselage des aéronefs (panneaux composites en nid d’abeille et panneaux courbes à double nervure) sous excitation diffuse du champ acoustique. Enfin, l’utilisation des méthodologies présentées pour l’optimisation vibroacoustique des plaques sandwich, est analysée et proposée à travers certaines études de cas. Les conceptions périodiques standard du cœur sont modifiées en adaptant la propagation des ondes de flexion et de cisaillement par rapport à la fréquence, aux nombres d’ondes acoustiques et convectives. {…]


  • Résumé

    Most of the literature considers different works on the flow-induced noise and vibrations for basic structural parts, such as Kirchhoff plates. The main objective of this research is to extend the work done to periodic structures targeting a number of novelties with regards to different scales: the aerodynamic scale, the periodicity scale and the frequency scale.Even though analytical and Finite Element(FE)-based numerical approaches have been developed to deal with specific problems, some limits still persist. For example, the computational effort can easily become cumbersome even for simple structural shapes or for increasing excitation frequency; the convective wavelengths, for most industrially-relevant cases, are largely smaller that flexural ones and, thus, the meshing requirements become more demanding. When the structural complexity increases, even small scale models might require a high number of elements increasing computational cost.In the frameworks of FE and WFE based methods, this work proposes two numerical approaches to deal with the vibrations and noise induced by a Turbulent Boundary Layer (TBL) excitation on periodic structural systems. Firstly, a 1D WFE (Wave Finite Element) scheme is developed to deal with random excitations of flat, curved and tapered finite structures: multi-layered and homogenised models are used. In this case a single substructure is modelled using finite elements. At each frequency step, one-dimensional periodic links among nodes are applied to get the set of waves propagating along the periodicity direction; the method can be applied even for cyclic periodic systems. The set of waves is successively used to calculate the Green transfer functions between a set of target degrees of freedom and a subset representing the wetted (loaded) ones. Subsequently, using a transfer matrix approach, the flow-induced vibrations are calculated in a FE framework.Secondly, a 2D WFE approach is developed in combination with a wavenumber-space load synthesis to simulate the sound transmission of infinite flat, curved and axisymmetric structures: both homogenised and complex periodic models are analysed. In this case, finite-size effects are accounted using a baffled window equivalence for flat structures and a cylindrical analogy for curved panels.The presented numerical approaches have been validated with analytical, numerical and experimental results for different test cases and under different load conditions. In particular, analytical response and classic FEM have been used as references to validate the flow-induced vibrations of plates and cylinders under turbulent boundary layer load; FE method has been used also to validate a tapered conical-cylindrical model under diffuse acoustic field excitation and the flow-induced noise computations under TBL. From experimental point of view, the approach has been validated comparing results in terms of transmission loss evaluated on aircraft fuselage panels (composite honeycomb and doubly-ribbed curved panels) under diffuse acoustic field excitation.Finally, the use of the presented methodologies for the vibroacoustic optimization of sandwich plates, is analysed and proposed through some case-studies. Standard periodic core designs are modified tailoring the bending and shear waves' propagation versus frequency against the acoustic and convective wavenumbers. The resulting sound transmission losses are computed using the numerical approaches developed in this work and validated with measurements under diffuse acoustic field, taken from 3D-printed models. Strong increases of sound transmission loss are observed for fixed mass of the plates and between 1.5 kHz and 10 kHz.


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Informations

  • Sous le titre : Flow-Induced Vibrations and Noise of Periodic Structural Systems
  • Détails : 1 vol. (200 p.)
  • Notes : Thèse soutenue en co-tutelle.
  • Annexes : Bibliogr. p. 185-200
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