Dynamique non-linéaire d'une soufflante en rotation

Nonlinear dynamics of a rotating fan

• Auteur / Autrice : Antoine Mabilia
• Direction : Fabrice Thouverez, Claude Gibert
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 16/10/2020
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École Centrale de Lyon (1857-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de tribologie et dynamique des systèmes (Écully, Rhône ; 1970-)
• Jury : Président / Présidente : Régis Dufour
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabrice Thouverez, Claude Gibert, Cécile Esteves
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gaetan Kerschen, Jean-François Deü

Mots clés

Mots clés contrôlés

Avions -- Turboréacteurs

Dynamique

Frottement

Mots clés libres

Soufflante

Dynamique non-linéaire

Essais en rotation

Excitation piézoélectrique

Désaccordage

Frottement

Réduction de modèle

Synthèse modale

Sous-structuration

Fan

Nonlinear dynamics

Rotational testing

Piezoelectric excitation

Mistuning

Friction

Model order reduction

Modal synthesis

Substructuring

Résumé

Dans une industrie aéronautique de plus en plus concernée par les enjeux environnementaux de notre époque, la maîtrise du comportement dynamique revêt un intérêt tout particulier dans le respect des normes environnementales. En effet, celle-ci permet un dimensionnement au plus juste des structures et donc une optimisation de la masse totale du turboréacteur, tout en permettant de maintenir un niveau exemplaire de fiabilité́ et de sureté́ ainsi que d’excellentes performances. S’intégrant pleinement dans cette thématique, les problématiques de désaccordage et de dynamique non-linéaire sont éminemment étudiées par la recherche académique actuelle, aboutissant au développement de méthodes numériques permettant de prendre en compte ces deux effets simultanément. Toutefois, la représentativité́ de ces méthodes par rapport au comportement en fonctionnement peut difficilement être évaluée en raison du peu d’essais disponibles dans la littérature. Outre le perfectionnement de la compréhension et de la prédiction des phénomènes vibratoires des roues aubagées, ces travaux de thèse revêtent un double enjeu : expérimental et numérique. Celui-ci vise à étudier la représentativité́ des modélisations et méthodes numériques, notamment développées au LTDS sur les problématiques de désaccordage et de dynamique non-linéaire, par rapport à des essais en rotation sur une soufflante industrielle de dernière génération en matériau composite. À cet effet, le banc d’essais PHARE#1, développé́ ces dernières années au LTDS, permet de tester des roues aubagées à l’échelle 1:1, en rotation dans le vide, tout en excitant les aubes au moyen d’actionneurs piézoélectriques. Les méthodes numériques exploitées pour simuler la soufflante reposent sur le concept de sous-structuration associé à une triple synthèse modale, permettant ainsi la prise en compte du désaccordage au sein de problèmes non-linéaires de taille industrielle. Deux cas d’études, présentant un aspect expérimental et numérique, ont été réalisés et analysés durant ces travaux de thèse. Ces derniers exploitent une excitation au moyen d’actionneurs piézoélectriques dont la modélisation a nécessité́ le développement d’une technique de condensation des degrés de liberté́ électriques dans le but d’exploiter les méthodes numériques de réduction et de résolution purement mécaniques. La première étude a été accomplie sur une aube de la soufflante enchâssée dans un mors, ce qui a permis de concentrer les analyses et les comparaisons, entre essais et simulations numériques, sur les aspects non-linéaires de contact et de frottement en pied d’aube. La seconde étude a été réalisée sur la soufflante composite en rotation dans le vide parvenant ainsi à des analyses et comparaisons concernant le désaccordage de la réponse et des formes modales, couplé à des effets non-linéaires. Les résultats obtenus permettent de montrer une très bonne représentativité́ des simulations numériques par rapport aux essais en rotation en termes de désaccordage, notamment à l’égard des décompositions en composantes à diamètres et des répartitions spatiales des amplitudes vibratoires des aubes.

In an aeronautics industry increasingly concerned by the environmental issues of our time, the mastery of dynamic behavior is of particular interest in terms of compliance with the environmental legislation. Indeed, this allows the structures to be designed as accurately as possible and therefore optimizes the total weight of the turbojet engine, while maintaining an exemplary level of reliability and safety as well as excellent performances. Fully integrated into this theme, the problematics of mistuning and nonlinear dynamics are eminently studied by present academic research, leading to the development of numerical methods that allow these two effects to be taken into account simultaneously. However, the representativity of these numerical methods with respect to the behavior of an actual engine can hardly be evaluated because of the few tests available in the literature. In addition to improving the understanding and prediction of bladed disks vibratory phenomena, this doctoral work has a twofold objective: experimental and numerical. The latter aimed at investigating the representativity of numerical models and methods, particularly developed at the LTDS on the problematics of mistuning and nonlinear dynamics, in comparison with rotating tests on a latest-generation industrial fan made of composite materials. For this purpose, the PHARE#1 test bench, developed over the last few years at the LTDS, allows the testing of bladed disks on a 1:1 scale, rotating in vacuum, while exciting the blades by means of piezoelectric actuators. The numerical methods used to simulate the fan are based on the concept of substructuring associated with a triple modal synthesis, thus allowing the consideration of mistuning within nonlinear problems of industrial size. Two case studies, both experimental and numerical, were conducted and analyzed during this doctoral work. These studies exploit an excitation by means of piezoelectric actuators whose modeling required the development of an electrical degrees of freedom condensation technique in order to benefit from the numerical methods of purely mechanical reduction and resolution. The first study has been carried out on a fan blade embedded in clamping jaws. This application made possible to focus on the nonlinear aspects of contact and friction at the dovetail by comparing the test results and the numerical simulations. The second study was performed on the composite bladed fan rotating in vacuum, thus achieving analyses and comparisons concerning the mistuning of the response and modal shapes coupled with nonlinear effects. The results obtained show a very good representativity of the numerical simulations with respect to the rotating tests in terms of mistuning, especially with respect to the decompositions in diameter components and the spatial distributions of the vibration amplitudes of the blades.