Matrice de transmission acousto-élastique et analyse modale sans contact : application à des structures aéronautiques

Acousto-elastic transmission matrix and contactless modal analysis : application to aeronautical structures

• Auteur / Autrice : Chloë Palerm
• Direction : Julien de Rosny, Claire Prada
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 06/04/2023
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Physique en Île-de-France (Paris ; 2014-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Langevin-Ondes et images (Paris ; 1997-....) - Institut Langevin - Ondes et Images (UMR7587)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Ecole supérieure de physique et de chimie industrielles de la Ville de Paris (1882-....)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : Groupe Safran
• Jury : Président / Présidente : Jean-François Aubry
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Julien de Rosny, Claire Prada, François Ollivier, Quentin Leclère, Barbara Nicolas, Benoit Gérardin
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : François Ollivier, Quentin Leclère

Mots clés

Mots clés libres

Acoustique

Ondes élastiques

Matrice de transmission

Analyse modale

Acoustics

Elastic waves

Transmission Matrix

Modal Analysis

Résumé

Dans les moteurs d'aéronefs, dont la fiabilité est un enjeu majeur, il est indispensable de caractériser les modes propres de vibration des pièces afin d’anticiper les phénomènes de fatigue ou encore de détecter l’apparition d’endommagements. Dans ce manuscrit, nous proposons une méthode d’analyse modale par excitation acoustique. Les pièces testées sont mises en vibration par un réseau de haut-parleurs et les déplacements sont mesurés à l’aide d’un vibromètre laser. La matrice de transmission acousto-élastique ainsi mesurée permet de s'affranchir de tout artefact dû au contact. Nous l'exploitons ensuite pour étudier la structure modale de pièces à symétries de rotation continues ou discrètes, saines ou endommagées. En effet, sa décomposition en valeurs singulières (SVD) permet d'identifier des modes superposés, favorisés par ce type de géométrie. Le lien entre la SVD, les modes propres de la structure et leur couplage acousto-élastique est établi. Cette approche est validée sur une plaque carrée en aluminium libre puis partiellement encastrée. Nous l’appliquons ensuite à quatre pièces saines de turbomoteurs : un pignon, un pignon évidé et deux compresseurs. Des simulations aux éléments finis sont réalisées de manière à en comprendre le couplage acousto-vibratoire. Puis, les matrices de transmission sont mesurées et leur SVD met en évidence les distributions modales bien distinctes pour ces différentes géométries, que nous analysons. Le comportement modal de ces pièces change lorsqu'un endommagement brise leur symétrie. Nous observons numériquement et expérimentalement que sur un pignon, une modification locale de masse ou de raideur se traduit principalement par une variation de la fréquence de résonance des modes. Ces résultats sont corroborés par une approche perturbative de l’endommagement. Cette approximation n’est plus valable dans le cas d'un compresseur dont certaines pales sont déformées. Un classement des modes fondé sur une description phénoménologique est proposé. Pour terminer, les vecteurs singuliers de la matrice de transmission et le réseau de haut-parleurs sont utilisés de manière à contrôler le champ vibratoire dans le cas de modes superposés.

In aeronautical engines, where reliability is a major issue, it is essential to characterize the vibration modes of parts in order to anticipate fatigue phenomena or to detect the appearance of damage. In this manuscript, we propose a modal analysis method using acoustic excitation. The tested parts are excited by a loudspeaker array and the displacements are measured with a laser vibrometer.This acousto-elastic transmission matrix is entirely contact free. It is then used to study the modal structure of parts with continuous or discrete rotation symmetries, healthy or damaged. Indeed, its singular value decomposition (SVD) allows to identify superimposed modes, favored by this type of geometry. The link between the SVD, the eigenmodes of the structure and their acousto-elastic coupling is established. This approach is validated on a free and then partially embedded square aluminum plate. We then apply it to four healthy parts of turbo engines: a pinion, a hollowed pinion and two compressors. Finite element simulations are performed in order to evaluate the acousto-vibratory coupling. Then, the transmission matrices are measured and their SVD highlights the distinct modal distributions for these different geometries, which we analyze. The modal behavior of these parts changes when a damage breaks their symmetry. We observe, numerically and experimentally on the pinion, that the main effect of a local mass or stiffness modification is a mode frequency shift. These results are supported by a perturbative approach of the damage. This approximation is no longer valid in the case of a compressor where some blades are deformed. A classification of the mode behavior based on a phenomenological description is proposed. Finally, the singular vectors of the transmission matrix and the loudspeaker array are used to control the vibratory field in the case of superimposed modes.