STRUCTURES AUTOMOBILES. Thierry LAMBERT MICHELIN CLERMONT FERRAND 09/06/10

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1 STRUCTURES AUTOMOBILES 1

2 Conort vibratoire et acoutique Le pretation vibratoire et acoutique Le dimenionnement : principe, outil, méthode 2

3 Sommaire 1. Introduction 2. Le pretation 3. La phyique 4. Le outil de dimenionnement 5. Le matériaux 3

4 1. Introduction Le enjeux : Le conort acilité de communication Ambiance La écurité Fatigue Qualité & inition Homologation (bruit extérieur) 4

5 1. Introduction Critère de conort acoutique : Critère 1: Critère 2: le niveau de bruit le pectre de bruit db 90 db Tr/min Fréquence (Hz) 5

7 2. Le pretation Fréquence (Hz) Excitation route Trépidation Percuion Excitation verticale entretenue, type «route pavée» Vibration du pote de conduite Torion dynamique, rebond de roue de ecour, tranert vibratoire Bruit de roulement Con. Vibratoire BF Excitation GMP Bourdonnement Rugoité - Coloration 7

8 2. Le pretation Fréquence (Hz) Trépidation Excitation route Percuion Bruit de roulement Excitation GMP Con. Vibratoire BF Bourdonnement Excitation CDZ, CGZ, BACX Bruit aux oreille paager Tranert vibro-acoutique Rugoité - Coloration 8

9 2. Le pretation Fréquence (Hz) Excitation aéro Bruit aéro 9

10 2. Le pretation Excitation GMP: Vibratoire: ralenti moteur ba régime Excitation route: Vibratoire: trépidation percuion Acoutique: bourdonnement rugoité Bruit de carroerie: couinement de lécheur lève-vitre grincement de porte Acoutique: bruit de roulement percuion Excitation aérodynamique Aérodynamique : Exemple de ynthèe 10

12 3. Phyique du conort Source de bruit Pneumatique GMP Aérodynamique Échappement + voie econdaire Commande de boîte Pompe... Vibration mécanique Rayonnement acoutique m q m 12

13 3. Phyique du conort Vibration mécanique Rayonnement acoutique Propagation Filtrage mécanique Vibration de l oature caie Iolation Champ acoutique extérieur tranmi Iolation Champ acoutique intérieur tranmi 13

14 Filtrage mécanique Iolation i m e 1 K γ 0 γ 1 γ 0 γ 1 γ 0 eq = = F e = m 1 K e K K 0 1 K + F K ω >> ω 1 K e et eq = 1 + K / K F K et = / ω alor et = m ω e 2 0 F 0 K γ 2 ω 0 = Support moteur Support échappement Support train... K m i eq Fe 2 ω 0 (1 ) 2 ω γ F / m e e K γ 0 = 1 + K K e 2 / ω / K << K tôle Onde onore Énergie incidente aborbée Onde onore Onde onore réléchie tranmie Iolation = limiter la tranmiion ouate Mae lourde M1 m2 Eort introduit dan la tructure indépendant de la tructure 14

15 3. Phyique du conort Vibration de l oature caie Champ acoutique extérieur tranmi Émiion Champ acoutique intérieur tranmi Vibration iège Ampliication de vibration aux réonance de la planche de bord Ampliication de vibration aux réonance de acceoire Vibration panneaux entourant habitacle Amortiement de vibration Ampliication de vibration aux réonance de panneaux Rayonnement acoutique de panneaux Ampliication par le mode acoutique d habitacle Aborption Champ acoutique interne habitacle 15

16 3. Phyique du conort Aborption Onde onore incidente Énergie aborbée Amortiement de vibration Type 1 : travaille en compreion Matériau amortiant «couche libre» Structure Onde onore Onde onore réléchie tranmie Aborption = limiter la rélexion moquette, revêtement iège... Type 2 : travaille en ciaillement Plaque de contrainte Structure Matériau amortiant Amortiement = limiter l amplitude de vibration de panneaux 16

17 Mode propre Mode de cavité Fe ω2 = c 0 et me k m ξ= c 2k K X La réolution de l équation ondamentale de la dynamique X = F ω k 1 ω 0 2 ω + 2 j ξ ω0 ω0 ω Fréquence propre = réquence pour laquelle X = maxi Mode propre = orme que prend le ytème à =0 Cohérence réquentielle et patiale Thierry LAMBERT MICHELIN CLERMONT FERRAND 09/06/10 17

18 3. Phyique du conort SOURCES Schéma acoutique automobile TRANSMETTEUR Caie m EMETTEUR q m La tructure intervient dan le chéma acoutique comme : - une zone d accueil condition de raideur dynamique ur le point d entrée d eort - un tranmetteur condition de mode propre de caie et de upport d acceoire condition de tranert vibro-acoutique 18

19 3. Phyique du conort Monocylindre Force d exploion Force d inertie Exemple : le bourdonnement Quel ont le mouvement ou vibration excitant la tructure? 2 phénomène dan le bloc moteur : - preion variable : orce de preion - le pièce bougent : orce d inertie Pour un 4 cylindre : 2 4 co(2α ) i = M arω +... λ α = ωt λ = L / R Pour une rotation à 3000 tr/min on a 2 co(2α ) co(4α ) orce d ' inertie = M Rω co( α ) une vibration à 100 Hz a 3 λ 4λ Plage = Hz 2 2 in( α ) co(2α ) 3in(3α ) moment d ' inertie = M ar ω λ λ α moment de combution = M 0 + A0.5 co( ) + A1 co( α ) + A1.5 co(1.5α )

20 Le régime moteur et donné en tr/mn, l équivalence en réquence et le régime divié par 60. Exemple pour une rotation de 3000 tr/mn => 3000/60 = 50 Hz ceci et le H1 ou le N Chaque cylindre d un moteur à 4 temp a une exploion tou le 2 tour la réquence de exploion et égale à 0,5 N (régime moteur). Pour un moteur à 4 cylindre, on aura => 0,5 x 4 = 2 exploion par tour La réquence de exploion et le double de la rotation moteur, ceci et le H2 ou le 2N Formule générale pour connaître la réquence de exploion d un moteur 4 temp : Régime (tr/mn) / 60 x 0.5 x nombre de cylindre = Fréquence Hz 20

22 4. Méthode et outil de dimenionnement PRESTATIONS CLIENTS Cycle en V CONCEPTION PRESTATIONS AUTOMOBILES PRESTATIONS PHYSIQUES ORGANES COMPOSANTS STB STG STD STR REALISATION TESTS PREST. AUTO. - INTEGRATION TESTS PREST. PHYS. - INTEGRATION TESTS ORGANES. - INTEGRATION TESTS COMPOSANTS INTEGRATION / VALIDATION 22

23 4. Méthode et outil de dimenionnement Modèle de comportement Nombre de olution technique potentielle 30 M RETEX = α Sprj + β Energie + γ Modèle onctionnel Modèle de pré-dimenionnement Modèle E.F. 3 1 Avance de phae Phae préliminaire Développement Vie du projet 23

24 Vibration : Méthode de Élément Fini F i Vide w Vide Répone en réquence directe : [ 2 K ω M ]{. w } = { F } Matrice de rigidité Matrice de mae Vecteur excitation 24

25 F i Vide w Vide Analye modale : Répone en réquence modale : [ 2 K ω M ]{ w } = { 0 } ( ω, { Φ }) k Répone en réquence : { w } = [ Φ ]{ ξ } T 1 = Matrice de la Bae Modale de la tructure 2 [ Φ ] [ K ω M ] [ Φ ] ξ = [ Ω ] 2 d ' où [ Ω ] { ξ } = { } Vecteur de coord. généraliée de la tructure T { } [ Φ ] { F } { } 25

26 Acoutique : Méthode de élément ini de volume Fluide Répone en réquence directe : [ 2 K ω M ]{. p } = { F } Matrice de «rigidité» du luide Matrice de «mae» du luide Vecteur «excitation» du luide 26

27 Fluide Analye modale : Répone en réquence modale : [ ] 2 K ω M { p } = { 0 } ω, { Φ } Répone en réquence : { p } = [ Φ ]{ ξ } T 1 = Matrice de la Bae Modale du luide 2 [ Φ ] [ K ω M ] [ Φ ] ξ = [ Ω ] 2 d ' où [ Ω ] { ξ } = { } ( ) k Vecteur de coord. généraliée du luide T { } [ Φ ] { F } { } 27

28 28 Vibro-Acoutique i F w Fluide Le luide et enermé dan la tructure Le maillage Fluide / Structure ne ont pa orcément compatible Répone en réquence modale = ξ ξ Ω Ω 2 T 2 C C ξ ξ Φ Φ =. p w Grandeur Phyique qui nou intéreent Coordonnée Généraliée

29 4. Le outil de dimenionnement Exemple : le bourdonnement CDC ynthèe B ou rd on n em en t (een ce) (H 2) Niveau en db(b) R ég im e en tr/m in 29

30 Aurer la iltration au niveau de upport moteur: m e 4. Le outil de dimenionnement 0 1 K K Exemple : le bourdonnement - CDC caie Pour chaque upport (3) direction (3) 0 K 200 CDC réquence Aurer la tranmiion vibroacoutique la plu «aine» Bruit Tranert = Eort * Tranert = Bruit Eort Pour chaque upport (3) direction (3) Bruit (db) pour 1N injecté 0 CDC 200 réquence 30

31 Exemple : le bourdonnement - calcul de tranert Étape 1 : calcul de mode de la tructure Étape 1 : calcul de mode du luide 31

32 Exemple : le bourdonnement - calcul de tranert Bae modale Structure Bae modale luide Couplage Couplage luide tructure 32

33 Exemple : le bourdonnement - calcul de tranert Tranert entre upport moteur droit en Z et le bruit aux oreille du paage ARD Pic de bruit à analyer car au-deu du CdC 33

34 Exemple : le bourdonnement - Analye Exemple : hitogramme de énergie de couplage luide/tructure à 155 Hz Couplage entre le mode de tructure à Hz et le mode luide à et Hz 34

35 Exemple : le bourdonnement - Analye Mode de panneau du pavillon Mode de panneaux ur le plancher AV 35

36 Domaine de validité de modèle FEM 500 Hz Tir de Rayon 1000 Hz Champ cohérent SEA Champ incohérent 100 Hz 600 Hz 3000 Hz 5000 Hz Temp CPU correpondant: h CPU 1 2 h CPU 1 2 mn CPU 36

38 5. Le Matériaux Logique de conception : Pièce de peau : excluivement en acier doux Ex : côté d habitacle, Pièce de conort : acier doux (rigidité, mae, domaine élatique) Ex : anneau ar,... 38

39 5. Le Matériaux Aluminium Aluminium érie 5000 (Al Mg) : 5754, 5182 Aluminium érie 6000 (Al Mg- Si) : 6016, Limite élatique (à 0.2%)* Limite d endurance (10 6 cycle)* Limite à la rupture* Module de YOUNG* *En MPa 39

40 5. Le Matériaux Epaieur Tôle d acier Laminé à roid EPAISSEURS (mm) PIECES Grand panneaux Corp creux principaux Renort locaux Laminé à chaud Forte épaieur ( tôle non revêtue) 40

41 Concluion Elle et en interaction orte avec d autre pretation automobile Compromi conort/mae Iolation améliorée = augmentation de mae? = conommation / pollution accrue Compromi conort / comportement iltrage 41

42 Concluion Du point de vue technologique, il rete de nombreux enjeux Garantir la robutee de la conception Senibilité aux tolérance de abrication, aux «condition limite» Du point de vue cientiique, de nombreue quetion retent ouverte Améliorer le caractère prédicti de la imulation Adaptation de outil numérique à chaque phae de la conception Conception d eai partiel permettant de valider le comportement d organe, ou de ou-tructure 42