Contribution au dimensionnement des lignes de transport par câbles prenant en compte leur comportement statique et dynamique

Contribution to the design of cable transport lines considering their static and dynamic behaviour

• Auteur / Autrice : Hugo Bécu
• Direction : Claude-Henri Lamarque, Alireza Ture Savadkoohi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique
• Date : Soutenance le 30/08/2023
• Etablissement(s) : Vaulx-en-Velin, École nationale des travaux publics de l’État
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : DCSA Ingénieur Conseil
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de tribologie et dynamique des systèmes (Écully, Rhône ; 1970-)
• Jury : Président / Présidente : Régis Dufour
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Franziska Schmidt
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Etienne Balmès, Roger Serra

Mots clés

Mots clés contrôlés

Dynamique non-linéaire

Conception et construction

Transport par câble

Mots clés libres

Câble

Système multi-corps

Assemblage

Non-linéarité géométrique

Chaînette

Analyse modale

Force gyroscopique

Instabilité paramétrique

Méthode des échelles multiples

Cable

Multi-body systems

Assembly

Geometric nonlinearity

Catenary

Modal analysis

Gyroscopic force

Parametric instability

Multiple scale method

Résumé

Le transport par câbles regroupe tous les systèmes qui utilisent des câbles mobiles et fixes, suspendus entre des appuis, pour guider et déplacer des véhicules accueillant des personnes ou des matériaux. Ce mode de transport, couramment utilisé dans les régions montagneuses, possède un fort potentiel de développement en ville où il apporte des réponses aux enjeux de mobilité. Le caractère flexible des câbles favorise cependant l’apparition de mouvements dynamiques néfastes pour le système, aussi bien concernant des questions de sécurité que de confort des usagers. Le dimensionnement des lignes de câble est essentiel pour en assurer la bonne résistance et les performances. Les méthodes existantes restent cantonnées à un calcul dans le domaine statique. Les effets dynamiques, qui sont par exemple les conséquences de la translation du câble et des perturbations générées par l’évolution des propriétés dynamiques du système au cours du déplacement des charges, ne sont pas anticipés de façon robuste et systématique à la conception. Compte tenu de la spécificité du système étudié, qui est multi-corps, non-linéaire et variable dans le temps, les modèles et les outils de simulation employés jusqu’ici par les industriels ne permettent pas de caractériser la dynamique. Dans ce contexte, l’objectif de ce travail est d’apporter des éléments de dimensionnement tenant compte à la fois du comportement statique et dynamique des lignes de transport par câbles. Il s’agit, d’une part, d’interpréter les différents mécanismes d’excitation dynamiques à l’œuvre, puis d’autre part d’évaluer les conditions favorables à l’apparition de phénomènes d’amplification des oscillations. Pour répondre à cette problématique, les modèles de chaque sous-constituant du système sont mis en place pour ensuite être assemblés. L’état statique du système complet est calculé selon différentes procédures de recherche de solution au modèle non-linéaire, l’une basée sur une expression analytique et l’autre sur une discrétisation spatiale aux différences finies. Puis, l’ajout des contributions inertielles aboutit au modèle dynamique écrit autour de la ligne de câble, fixe ou en translation, dont la résolution donne des éléments pour comprendre l’influence des paramètres statiques et de la vitesse de translation sur les caractéristiques modales. L’information portée par les modes de vibration du système autorise ensuite à travailler sur un modèle réduit, pour manipuler des équations simples, support de l’analyse non-linéaire et de l’étude de stabilité par échelles multiples de l’excitateur paramétrique ainsi obtenu. L’étude statique met en évidence le rôle prépondérant de la tension vis-à-vis des autres contraintes de flexion et de torsion dans les lignes de câble. Les évolutions du système et le défilement des véhicules s’accompagnent de modifications importantes des grandeurs de tension et de forme des câbles, avec des changements brutaux d’équilibre entre deux états successifs. L’étude dynamique montre la forte influence du déplacement périodique des véhicules et de leur interaction avec les appuis intermédiaires dans les sources de sollicitations externe et paramétrique du système. Les modes de vibration du système complet sont calculés et un effet déstabilisant de la translation du câble est observé pour certains modes. Les variations transitoires de la vitesse de translation modifient la forme statique de la ligne de câble, tandis que la vitesse de translation n’a pas d’influence au premier ordre. Finalement, les différents résultats obtenus sont intégrés dans un ensemble d’outils logiciels développés pendant les travaux de thèse. Leur mise en œuvre dans le bureau d’études accompagne le concepteur au cours de la procédure de dimensionnement.

Cable transport includes all systems that use mobile and fixed cables, suspended between supports, to guide and move vehicles that carry people or materials. This mode of transport, commonly used in mountainous regions, has a strong potential for development in cities where it provides answers to mobility issues. The flexible nature of the cable is the cause of dynamic movements that are detrimental to the system, both for safety and user comfort. The cable line design is an essential step to ensure the good resistance and performance of the structure. Existing methods are limited to a calculation in the static domain. The internal dynamic effects, which are for example the consequences of the translation of the cable and the disturbances due to the evolution of the dynamic properties during the displacement of the loads, are not anticipated in a robust and systematic way during the design process. Considering the specificity of the system which is multi-body, nonlinear and variable in time, the in-house models and the simulation tools developed until now do not allow to characterise the system in dynamic. In that context, the objective of this work is to bring elements of design taking into account both the static and dynamic behaviour of cable transport lines. It is first of all a question of interpreting the various dynamic excitation mechanisms at work on the system, and then of evaluating the conditions favorable to the phenomenon of amplification of the dynamic response. To address this issue, the models of each sub-constituent of the system are set up and then assembled. The static state of the complete system is computed according to different procedures for finding a solution to the non-linear model, one based on an analytical expression and an other on a spatial discretisation with finite differences scheme. Then, adding the inertial contributions allows to build a dynamic model around the fixed or translating cable line, to understand the influence of the static parameters and the translation speed on the modal characteristics. The information carried by the mode of vibration of the system allows then to work on a reduced model, to manipulate simple equations, support of the nonlinear analysis and the stability study by multiple scales method of the parametric exciter thus obtained. The static study highlights the predominant role of tension with respect to other stresses in the cable line like bending and torsion. The evolutions of the system are associated with important modifications of cable tension and shape as well as brutal changes of equilibrium between two successive states. The dynamic study shows the strong influence of the periodic vehicle running and their interaction with the intermediate supports in the sources of external and parametric excitation of the system. The mode of vibration of the complete system are calculated and a destabilising effect of the cable translation is observed for some modes. Transient variations in translational velocity change the static shape of the cable line, while translational velocity has no influence at first order. Finally, the various results obtained are integrated into a set of software tools developed during the thesis work. Their implementation in the design office provide rules during the design process.