Contrôle des instabilités dynamiques non linéaires à l'aide de la prédiction

Data-Driven Optimization and Experimental Investigation for Post-Flutter Control

• Auteur / Autrice : Jesús García Perez
• Direction : Guilhem Michon, Bogdan Epureanu
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique, mécanique des matériaux
• Date : Soutenance le 28/05/2024
• 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-....)
• Jury : Président / Présidente : Eric Laurendeau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Guilhem Michon, Bogdan Epureanu, Jean-Luc Dion, Emmanuel Foltête, Benjamin Chouvion
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jean-Luc Dion, Emmanuel Foltête

Mots clés

Mots clés contrôlés

Informatique

Théorie de la prévision

Mots clés libres

Computationnelle

Expérimental

Prédiction

Computational

Experimental

Passive control

Résumé

Les phénomènes aéroélastiques posent des défis importants dans la conception des aéronefs, et plus particulièrement lors de l’utilisation d’ailes à grand allongement et flexibles afin d'améliorer l'efficacité aérodynamique. Ces avancées, observées à la fois dans les avions de haute altitude et d'endurance ainsi que dans les avions commerciaux, introduisent des complexités en raison des fréquences de mode réduites et d'une susceptibilité accrue aux instabilités aéroélastiques, notamment le flottement, qui peut mener à une défaillance structurelle. En présence d'effets non-linéaires structurels ou aérodynamiques, la réponse du système prend la forme de cycles limites. Ces cycles limites sont caractérisés par une réponse stable du système, où l'oscillation reste périodique tant que la vitesse de l'écoulement demeure constante. Deux types de bifurcation peuvent se manifester : supercritique ou sous-critique. Cette dernière est particulièrement dangereuse en raison de la multiplicité des solutions stables, et l'une d'elles présente une grande amplitude de vibration. Récemment, de nouvelles stratégies de contrôle passif ont été développées pour contrôler les instabilités, en ajoutant des oscillateurs secondaires pour capturer l'énergie en vue de retarder ou d'éliminer ces phénomènes instables. Les solutions de contrôle passif sont priorisées car elles ne sont pas sujettes aux contraintes énergétiques ou aux retards dans la boucle de rétroaction, contrairement aux techniques de contrôle actif. La conception et l'optimisation d'un tel dispositif nécessitent une étude approfondie du régime post-flottement, défini par les diagrammes de bifurcation. Toutefois, la caractérisation des diagrammes de bifurcation à l'aide des méthodes traditionnelles reste une tâche complexe, en particulier pour les structures aéroélastiques flexibles et de grande envergure. Dans ce cadre, une nouvelle approche a été introduite pour prédire la dynamique instable des systèmes non-linéaires. La méthode de prédiction est sans modèle et utilise des mesures de la réponse du système collectées seulement dans le régime pré-bifurcation. Cette approche a déjà démontré son potentiel pour anticiper des dynamiques dangereuses avant qu'elles ne surviennent. Un défi connexe réside dans l'utilisation des techniques prédictives pour élaborer des algorithmes visant à modifier les caractéristiques de bifurcation et à améliorer la stabilité. Ce travail vise à développer et à approfondir la compréhension d'un absorbeur passif non linéaire innovant, dénommé flap-NES, pour le contrôle du flottement, avec l'aide des données obtenues à partir des techniques de prédiction. Le système est composé d'un absorbeur non linéaire installé comme surface de contrôle afin de bénéficier d'un amortissement aérodynamique. Dans cette optique, la conception numérique et l'optimisation d'un flap-NES ont été développées afin de contrôler le régime instable d'une section aéroélastique typique. Les résultats ont démontré le potentiel de l'absorbeur non-linéaire à retarder le flottement et à réduire l'amplitude des oscillations des cycles limites. La technique de prédiction a ensuite été appliquée pour analyser et détecter les changements dans le diagramme de bifurcation d'un système aéroélastique soumis à diverses conditions de vol. La méthode préconisée s'appuie sur la connaissance des caractéristiques non linéaires du système et sur les transitoires de la zone pré-flottement pour caractériser et prédire avec aisance le début de l'instabilité et le type de bifurcation rencontrée. En dernier lieu, une investigation expérimentale d'un absorbeur passif flap-NES est exposée, mettant en lumière les résultats expérimentaux pour différentes valeurs paramétriques des caractéristiques du flap-NES, et illustrant ainsi une amélioration significative dans le retardement de l'apparition de l'instabilité et la réduction de l'amplitude des vibrations.

Aeroelastic phenomena present significant challenges in aircraft design, particularly for novel designs leveraging high aspect ratios and flexible wings to enhance aerodynamic efficiency. These advancements, seen in both high-altitude, high-endurance aircraft and commercial airliners, introduce complexities such as reduced mode frequencies and increased susceptibility to aeroelastic instabilities, particularly flutter which can lead to structural failure. Aeroelastic flutter is an unstable, self-excited structural oscillation due to the coupling of the structure with the fluid flow. Adding the effects of structural or aerodynamic nonlinearities, the system response is in the form of limit cycle oscillations, which is a steady response of the system where the oscillation remains periodic unless the flow speed changes. Two types of bifurcation may occur: supercritical or subcritical, the latest being highly dangerous due to the multiplicity of stable solutions with one solution having a large amplitude. Recently, new strategies have been developed to passively control the instabilities by adding secondary oscillators to capture energy to delay or suppress these types of unstable phenomena. Passive solutions are preferred because they are not subject to energy constraints or delays in the feedback loop, unlike active control techniques. The design and optimization of these devices require a comprehensive study of the post-flutter regime defined by bifurcation diagrams. However, the characterization of bifurcation diagrams using traditional methods is a difficult task, particularly for large dimensional and flexible aeroelastic structures. In this context, a novel approach has been introduced to forecast post-flutter dynamics of nonlinear systems. The forecasting method is model-less and uses measurements of the system response collected only in the pre-bifurcation regime. This approach has already shown its potential to predict dangerous dynamics before they occur. A related challenge is how to employ the forecasting technique to create algorithms for modifying the bifurcation characteristic and enhancing stability.This work aims to develop and enhance the understanding of an innovative nonlinear passive absorber for flutter control, known as flap-NES, that leverages data from forecasting techniques. The system is composed of a nonlinear absorber installed as a control surface, which benefits from aerodynamic damping. With this goal in mind, first, the numerical design and optimization of a flap-NES were developed to control the post-flutter regime of a typical aeroelastic section. Results have demonstrated the potential of the nonlinear absorber to delay flutter and reduce the amplitude of the limit cycle oscillations. Subsequently, the forecasting technique was applied to analyze and detect changes in the bifurcation diagram of an aeroelastic system under varying flight conditions. The proposed method relied on the knowledge of nonlinear characteristics of the system and transients from the pre-flutter zone to easily characterize and predict the onset of instability and the type of bifurcation. Lastly, an experimental investigation of a flap-NES passive absorber is presented. The study showcases experimental results for different parametric values of the flap-NES characteristics, demonstrating significant improvement in delaying the onset of instability and reducing vibration amplitude.