Caractérisation et modélisation hydroacoustiques des composants hydrauliques de puissance : intégration à la simulation système

Hydroacoustic characterization and modeling of hydraulic power components : integration into system simulation

• Auteur / Autrice : Arnaud Maillard
• Direction : Xavier Carniel, Benoît Eynard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Ingénierie Industrielle : Unité de recherche en Mécanique - Laboratoire Roberval (FRE UTC - CNRS 2012)
• Date : Soutenance le 19/12/2019
• Etablissement(s) : Compiègne
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur (Compiègne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Unité de recherche en mécanique acoustique et matériaux / Laboratoire Roberval

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Pompes

Moteurs hydrauliques

Machines hydrauliques

Génie hydraulique

Hydraulique

Lutte contre le bruit

Bruit

Fluides

Fluides -- Propriétés acoustiques

Génie acoustique

Acoustique

Mots clés libres

Bruit fluidique

Caractérisation hydroacoustique

Hydraulique de puissance

Modélisation système

Hydroacoustique

Fluid borne noise

Hydroacoustic characterisation

Fluid power

System modelling

Hydroacoustics

Résumé

Les constructeurs d'engins mobiles utilisant un système hydraulique sont poussés à concevoir des engins plus efficaces d'un point de vue énergétique à cause de l'augmentation du prix du pétrole ainsi que du durcissement de la réglementation environnementale. Les constructeurs se tournent ainsi vers des solutions permettant, soit d'optimiser le point de fonctionnement du moteur thermique par l'utilisation de l'hybridation, soit de remplacer le moteur thermique par un ou plusieurs moteur(s) électrique(s). En plus de l'amélioration de la consommation en carburant et de l'impact environnemental, la diminution de l'emploi du moteur thermique voire son remplacement complet permettent une diminution du bruit global des engins mobiles. Le bruit engendré lors du fonctionnement d'un système hydraulique, autrefois masqué par le bruit du moteur thermique, devient dans ce cas prépondérant. La transmission du bruit d'un système hydraulique est complexe et les sources sont nombreuses (aériennes, solidiennes et fluidiques). Le périmètre d'étude de notre thèse concerne la prédiction du bruit fluidique grâce à l'utilisation de la modélisation système (modélisation hydroacoustique). Les données de pulsations de pression et de débit dans un système hydraulique seront ensuite utilisées dans une modélisation vibroacoustique permettant de prédire ce bruit aérien global. Les composants hydrauliques responsables des pulsations de pression et de débit, appelés « composants actifs » sont les pompes et moteurs. Ils sont la source de génération de débit pulsé. Cette composante de débit pulsé traversant un système hydraulique de résistance à l'écoulement non nulle génère des pulsations de pression. L'assemblage de composants pour former un système hydraulique peut, s'il est mal conçu ou dimensionné, véhiculer et même amplifier ces pulsations de pression générées par les sources (composants actifs). Pour finir, ces pulsations de pression engendrent des variations d'efforts aux interfaces et donc potentiellement du bruit solidien et/ou aérien. Des logiciels permettent déjà de modéliser le comportement hydroacoustique d'un circuit complet, mais les calculs sont effectués uniquement dans le domaine fréquentiel. Afin de pouvoir modéliser le fonctionnement réel d'un système hydraulique, c'est-à-dire prendre en compte ses changements d'états au cours du temps, une modélisation dans le domaine temporel est nécessaire. Une méthodologie de modélisation prenant en compte le comportement hydroacoustique dans le domaine temporel a été mise en place lors de notre thèse. Or les caractéristiques hydroacoustiques d'un composant hydraulique définissant son comportement pulsatoire sont uniquement décrites dans le domaine fréquentiel. L'originalité principale de notre méthodologie mise en place est l'utilisation d'une méthode de passage de données exprimées dans le domaine fréquentiel vers le domaine temporel par l'utilisation de fonctions de transfert identifiées. Cette méthode a l'avantage d'accepter les données des caractéristiques hydroacoustiques provenant aussi bien de lois analytiques que de mesures sur banc d'essai. La détermination des caractéristiques hydroacoustiques d'un composant est très dépendante de la caractérisation sur banc d'essai. L'apport majeur de notre thèse est la mise en place au sein de la plateforme hydraulique de l'UTC d'un nouveau banc d'essai pour la caractérisation hydroacoustique des composants hydrauliques passifs. Ces données permettront d'alimenter les modèles numériques créés suivant la méthodologie de modélisation hydroacoustique mise en place.

Mobile machinery manufacturers using hydraulic systems are urged to design machinery energetically more efficient because of the increasing oil price thereby tightening of environmental regulations. Therefore manufacturers have been selecting solutions either allowing to optimize the working efficiency of the internal combustion engine by hybridization or favouring electrification. In addition to the improvement of fuel consumption and the environmental impact, the reduction in the use of the internal combustion engine or even its substitution permits to diminish the total noise of mobile machineries. The noise generated by the hydraulic operation, formerly hidden by internal combustion engine, becomes significant. The noise transmission for a hydraulic system is complex and its sources are numerous (airborne noise, structure borne noise, fluid borne noise). The scope of our thesis focuses on fluid borne noise prediction through the use of the system modelling (hydroacoustic modelling). Pressure and flow rate ripples data in a hydraulic system is then used in a vibroacoustic modelling to calculate the total airborne noise. Hydraulic components responsible for pressure and flow rate ripples, called « active components » are pumps and motors. They generate a flow rate variation. This flow variation circulating through a hydraulic system with non-zero flow resistance produces pressure ripples. A component assembly to constitute a hydraulic system can spread and amplify these pressure ripples if it is ill-designed. To conclude, these pressure ripples generate force variations at interfaces and thus potential structure borne and/or airborne noise. Software can already model the hydroacoustic behaviour of a whole circuit but calculations are executed only in the frequency domain. In order to model the real functioning of a hydraulic system, i.e. taking into account its state modification over time, a modelling in the temporal domain is necessary. A modelling methodology taking into account hydroacoustic behaviour in the temporal domain has been developed for the purpose of our thesis. Nevertheless the hydroacoustic caracteristics of a hydraulic component specifying its pulse behaviour are exclusively described in the frequency domain. The main difference of our methodology is the choice of a method to transform frequency data into temporal data by using identified rational function approximations. This method allows for hydroacoustic caracteristics data from both formulas and test rig. The hydroacoustic characterisation of a component is very reliant on test rig. The main contribution of our thesis is the completion of a brand new test rig for hydroacoustic characterisation applied for passive components at the UTC facilities. This data will serve as input for the numerical models created according to our methodology. These numerical models were used for different components of a hydrostatic transmission. The comparison between test rig measurements and simulation for each of its isolated component was carried out. Good correlations between measurements and simulation were obtained. Nevertheless, some numerical issues appeared for the modelling of a whole hydraulic system. A temporary solution was found in order to circumvent these issues for the modelling of the hydrostatic transmission. This gave us some promising results. The origin of these issues has been identified and some definitive solutions have been suggested. Our modelling methodology is not called into question, but it has to be improved. This improvement will be executed in the near future.