Couplage dynamique non-linéaire entre la structure principale d'un satellite et le harnais

Nonlinear dynamic coupling between the main structure of a satellite and cable harness

• Auteur / Autrice : Xavier Cadiot
• Direction : Guilhem Michon, Leonardo Sanches
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique, mécanique des matériaux
• Date : Soutenance le 06/01/2023
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Clément Ader (Toulouse ; 2009-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Groupe Modélisation des Systèmes et Microsystèmes Mécaniques (Toulouse, Haute-Garonne)
• Jury : Président / Présidente : Basile Audoly
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Guilhem Michon, Leonardo Sanches, Emmanuel Foltête, Jean-Jacques Sinou, Jean-Luc Dion, Aurélien Hot, Alexandre Mouysset
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Emmanuel Foltête, Jean-Jacques Sinou

Mots clés

Mots clés contrôlés

Théorie des poutres

Modélisation CFD

Satellites artificiels

Constructions -- Dynamique

Dynamique non linéaire

Mots clés libres

Modélisation

Expérimentation

Dynamique non-Linéaire

Éléments non-Structuraux

Satellite

Non-Structural elements

Experimentation

Modelling

Non-Linear dynamics

Satellite

Résumé

La dissipation de l’énergie vibratoire des structures de satellite est un enjeu majeur de la tenue de la structure aux sollicitations du lancement. Elle est le plus souvent prise en compte sous la forme d’un amortissement modal, très éloigné de l’origine physiquede la dissipation. Plusieurs sources de dissipation coexistent : intrinsèque au matériau, dans les interfaces de liaisons ou par couplage fluide-structure. Cependant, les simulations a priori restent imparfaites lorsqu’elles sont comparées aux mesures et certaines sources de dissipation sont oubliées ou sous-estimées.Les structures spatiales possèdent des éléments non-structuraux comme les conduites, l’isolation thermique, certains équipements ou encore les harnais électriques. Ces éléments sont souvent considérés dans les simulations comme des masses réparties, puisqu’ils ne constituent qu’une petite part de la masse totale. Plusieurs travaux de recherche ont montré que ces sous-structures peuvent apporter une part non négligeable de dissipation malgré une faible raideur et donc une faible participation dans la tenue structurelle de l’appareil. Il a été montré que les éléments non-structuraux agissent comme des oscillateurs capables de récupérer une part de l’énergie vibratoire de la structure principale.Dans ce contexte, les travaux menés au cours de cette thèse se focalisent sur le comportement dynamique non-linéaire des éléments non-structuraux, en prenant comme exemple les harnais électriques de satellite. Ainsi, la première contribution est apportée par le développement d’un modèle dynamique de harnais électrique basé sur les équations de la théorie des poutres. Le modèle est défini dans le cas d’une excitation par la base, correspondant au chargement perçu par les harnais lors de l’excitation des panneaux. La technique de résolution utilisée, nommée «Distributed Transfer Function Method» permet d’obtenir la solutionanalytique exacte du problème poutre.Par ailleurs, la réponse du harnais observée expérimentalement comporte de fortes non-linéarités en fonction de l’amplitude d’excitation. Il est donc nécessaire d’intégrer ce comportement non-linéaire au modèle du harnais. Il s’agit de la deuxième contribution de la thèse.Les paramètres du modèle dynamique sont identifiés en tant que fonction de l’amplitude d’entrée, et un schéma de résolution approché des équations non-linéaires est développé. Enfin, la dernière contribution est le développement d’une méthode de couplage entre le modèle analytique du harnais et le modèle aux éléments finis de la structure principale. La réponse dynamique issue de cette méthode a été comparée à la réponse expérimentale d’un système équivalent. Les résultats numériques prédisent de manière satisfaisante la réponse dynamique du système couplé.

The dissipation of the vibratory energy of satellite structures is a major issue for the structure’s resistance to launch stresses. It is most often taken into account in the form of modal damping, which is very far from the physical origin of the dissipation.Several sources of dissipation coexist : intrinsic to the material, in the interfaces of joints, or by fluid-structure coupling. However, a priori simulations remain imperfect when compared to measurements and some sources of dissipation are forgotten or underestimated.Space structures have non-structural elements such as pipes, some equipment, or electrical harnesses. These elements are often considered as distributed masses in the simulations since they constitute only a small part of the total mass. Several research works have shown that these substructures can contribute to a significant amount of dissipation despite a low stiffness and therefore a low participation in the structural strength of the aircraft. It has been shown that they act as oscillators capable of recovering part of the vibratory energy of the main structure.In this context, the work carried out during this thesis focuses on the non-linear dynamic behavior of non-structural elements, taking as an example the electrical harnesses of satellites. Thus, the first contribution is the development of a dynamic electrical harness model based onthe beam theory equations. The model is defined in the case of a base excitation, corresponding to the loading perceived by the harnesses during the excitation of the panels. The solving technique used, named the "Distributed Transfer Function Method" allows obtaining the exactanalytical solution to the beam problem. Moreover, the response of the harness observed experimentally includes strong non-linearities as a function of the excitation amplitude. It is therefore necessary to integrate this nonlinear behavior into the harness model. This is the second contribution of the thesis. The dynamic model parameters are identified as a function of the input amplitude, and a scheme for solving the nonlinear equations is developed.