Prévision de la réponse forcée de roues aubagées désaccordées en présence de non-linéarités de frottement

Forced response of mistuned cyclic structures with friction nonlinearities

• Auteur / Autrice : Samuel Quaegebeur
• Direction : Fabrice Thouverez, Benjamin Chouvion
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Dynamique des structures
• Date : Soutenance le 22/11/2021
• 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 : Marc Mignolet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Fabrice Thouverez, Benjamin Chouvion, Loïc Berthe
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mathias Legrand, Evangéline Capiez-Lernout

Mots clés

Mots clés contrôlés

Frottement

Mots clés libres

Symétrie cyclique

Méthode de réduction

Non-linéarité polynomiale

Non-linéarité de frottement

Désaccordage

Cyclic symmetry

Reduce-order model

Polynomial nonlinearity

Friction nonlinearity

Mistuning

Résumé

Afin de certifier leurs moteurs, les industriels du milieu aéronautique doivent valider un ensemble de spécifications fournies par un cahier des charges précis. Dans cette thèse, le volet qui nous intéresse est celui de la vibration des systèmes mécaniques. Plus le niveau vibratoire de la structure est important, plus celle-ci est soumise à des contraintes importantes et donc plus elle s'use par fatigue. Afin de réduire ces niveaux, des systèmes frottants, non-linéaires, sont ajoutés au système mécanique et dissipent de l'énergie. Pour dimensionner correctement les moteurs, des outils numériques complexes et performants doivent être utilisés et ces derniers sont encore plus complexes en présence de non-linéarités. Ces outils s'appuient sur les propriétés de symétrie cyclique venant de la géométrie particulière des roues aubagées. En revanche, l'utilisation de ces propriétés n'est pas complètement triviale à cause de la présence de désaccordage : de légères différences entre les secteurs de la structure, venant des tolérances de fabrication ou encore de l'usure, brisent ainsi la périodicité du système. Des méthodes ont pu être mises en place, en partenariat avec des chercheurs académiques, pour traiter de systèmes cycliques désaccordés non-linéaires. Afin de diminuer le temps de calcul elles emploient des méthodes de réduction telles que la sous-structuration ou encore le concept de mode non-linéaire. Différents objectifs motivent ce travail de thèse. Le premier est de développer de nouvelles méthodologies de réduction analytiques. Ces stratégies performantes se basent sur le couplage non-linéaire entre le frottement et les diamètres nodaux du système à symétrie cyclique. Le second objectif est de statuer sur la faisabilité d'une méthode de réduction non-linéaire récemment développée, appelée CNCMS, pour étudier des amortisseurs sous plateformes. Comme cette stratégie se montre imprécise dans certaines situations, le dernier objectif consiste à développer une nouvelle procédure non-linéaire pour traiter de systèmes désaccordés. Celle-ci s'appuie sur un principe de sous-structuration et de modes complexes cycliques non-linéaires. Cette stratégie peut prendre en compte différentes excitations, du désaccordages aléatoire et intentionnel et est donc très polyvalente. De plus elle offre une réduction du temps de calcul supérieure à celle de la CNCMS. A la suite de différentes validations, cette nouvelle méthodologie est employée pour traiter une multitude de problèmes mécaniques sur une structure éléments finis réaliste d'un compresseur. Un système non-linéaire à trois corps est tout d'abord examiné pour lequel les contacts pale/disque et pale/amortisseurs sont étudiés. Une étude de sensibilité sur le désaccordage aléatoire est ensuite menée pour déterminer l'influence du couplage entre les non-linéarités et le désaccordage sur le niveau vibratoire de la structure. Il a notamment pu être montré que l'augmentation du niveau de non-linéarité diminue l'influence du désaccordage sur le niveau vibratoire. Finalement une approche est proposée pour déterminer le schéma de désaccordage intentionnel optimal d'un système mécanique non-linéaire. En appliquant cette méthode sur un système non-linéaire avec des amortisseurs sous plateformes, six schémas optimaux ont pu être identifiés. Des analyses supplémentaires sur le flottement ou la sensibilité des schémas au désaccordage aléatoire permettent de restreindre davantage ce nombre.

Before developing their engines, the aeronautics industry must satisfy detailed certification specifications. In this thesis, the vibration criterion of the mechanical system is handled. As level of vibration increases, the stresses raises, and thus the structure is wearing down faster. To decrease the vibration, friction nonlinearities are added to the main structure and thus dissipate energy. To simulate the engine properly, reliable and efficient numerical tools must be employed. With the aid of academic research, numerical methodologies have been implemented. These strategies allow to tackle nonlinear cyclic systems with possible mistuning. To decrease the computation time of the simulations, reduced-order methods such as substructuring or nonlinear normal modes are employed. Differents goals have been defined for this PhD study. First, new analytical reduction strategies for cyclic symmetric structures are developped. These efficient methods allow to determine the nonlinear coupling between the nodal diameters of the system and the friction nonlinearities. The second purpose is to investigate the performance of a recent methodology, named CNCMS, for cyclic systems with underplatform dampers. Given some limitations of this strategy, a new nonlinear reduced-order methodology is proposed to handle nonlinear mistuned structures. It relies on the substructuring concept and complex cyclic nonlinear normal modes. This strategy was shown to be most versatile (different excitations, random and intentional mistuning can be handled). Besides, it offers better reduction than the CNCMS. After different validations, this strategy is employed on a realistic finite element bladed disk with underplatform dampers. A preliminary study is conducted to study the three body contact and evaluate the influence of the bladed-disk contact with respect to the underplatform dampers contact. Then a random mistuning sensitivity analysis is performed to determine the influence of the coupling between the nonlinearities and the mistuning on the vibration level of the structure. One main result of this analysis was to show that the higher the nonlinearity level, the less the mistuning affect the system. Finally, an approach is proposed to determine the best intentional mistuned pattern of a nonlinear mechanical system. Employing this method enabled to identify six optimal mistuned patterns. Additional studies (flutter phenomena, sensitivity of the random mistuning) can be conducted to single out the best one.