Mesure des efforts d un compacteur en vibration. Intervenant : Pierre-Olivier Vandanjon Date : 20 février 2005

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1 Mesure des efforts d un compacteur en vibration Intervenant : Pierre-Olivier Vandanjon Date : 20 février 2005

2 Mesure des efforts d un compacteur en vibration Intervenant : Pierre-Olivier Vandanjon Date : 20 février 2005

3 Introduction Présentation du compacteur Existant Modélisation du compacteur Modélisation DHM complète Modélisation DHM d une bille Identification Validation de la méthode sur chantier Conclusion

4 Introduction Contexte : Modernisation de l execution des chantiers routiers. Historique : La force totale appliquée Modélisation et identification dynamique des engins de construction des routes Modélisation dynamique d un compacteur avec balourd Objectif : Estimer les efforts de contact entre un compacteur et le matériau compacté

5 Introduction Présentation du compacteur Existant Modélisation du compacteur Modélisation DHM complète Modélisation DHM d une bille Identification Validation de la méthode sur chantier Conclusion

6 Un compacteur tandem vibrant

7 A quoi ça sert?

8 A Compacter des matériaux granulaires A quoi ça sert?

9 A quoi ça sert? A Compacter des matériaux granulaires Transmettre des sollicitations au matériau

10 A quoi ça sert? A Compacter des matériaux granulaires Transmettre des sollicitations au matériau Réarranger les grains du matériau

11 A quoi ça sert? A Compacter des matériaux granulaires Transmettre des sollicitations au matériau Réarranger les grains du matériau Réduire le volume occupé par le matériau

12 A quoi ça sert? A Compacter des matériaux granulaires Transmettre des sollicitations au matériau Réarranger les grains du matériau Réduire le volume occupé par le matériau Améliorer les caractéristiques mécaniques du matériau

13 Comment ça marche?

14 Comment ça marche? Engin de masse importante (plusieurs tonnes) : Charge statique

15 Comment ça marche? Engin de masse importante (plusieurs tonnes) : Charge statique Système vibrant : Charge dynamique

16 Comment ça marche? Engin de masse importante (plusieurs tonnes) : Charge statique Système vibrant : Charge dynamique Objectif : Estimer les efforts de contact entre le compacteur et le matériau

17 Un compacteur tandem vibrant : Le CB544

18 Un compacteur tandem vibrant : Le CB544 Masse opérationnelle Masse au cylindre avant Masse au cylindre arrière Commande de la vibration Entraînement des balourd Fréquences Amplitudes Force centrifuge par cylindre kg 5170 kg 5530 kg indépendante pour chaque cylindre hydraulique direct 42/50 Hz 0,58/0,33 mm 86800/69500 N

19

20 Existant

21 La Force Totale Appliquée FTA = M 1 g + (M 1 M 0 )Γ chassis + M 0 Γ balourd + meω 2 sin φ

22 Bomag BCG Le Bomag Compaction Manager est un système qui mesure un paramètre physique (le module de vibration) du matériau compacté en temps réel. Ce paramètre est corrélé à la compacité au travers d une loi de comportement. Ainsi, il est possible de connaître l état de compacité du matériau pendant la mise en œuvre de celui-ci.

23 BCM : principe

24 Osyris : principe

25 Introduction Présentation du compacteur Existant Modélisation du compacteur Modélisation DHM complète Modélisation DHM d une bille Identification Validation de la méthode sur chantier Conclusion

26 Structure du compacteur

27 Structure du compacteur

28 Structure du compacteur

29 Questions sur la modélisation

30 Questions sur la modélisation Est-ce que pour estimer les efforts de contact entre les billes et le matériau, une modélisation complète du complète du compacteur est nécessaire?

31 Questions sur la modélisation Est-ce que pour estimer les efforts de contact entre les billes et le matériau, une modélisation complète du complète du compacteur est nécessaire? Non.

32 Questions sur la modélisation Est-ce que pour estimer les efforts de contact entre les billes et le matériau, une modélisation complète du complète du compacteur est nécessaire? Non. Pourquoi?

33 Questions sur la modélisation Est-ce que pour estimer les efforts de contact entre les billes et le matériau, une modélisation complète du complète du compacteur est nécessaire? Non. Pourquoi? S il y avait un capteur d effort au niveau du contact, il n y aurait pas besoin de modèle,

34 Questions sur la modélisation Est-ce que pour estimer les efforts de contact entre les billes et le matériau, une modélisation complète du complète du compacteur est nécessaire? Non. Pourquoi? S il y avait un capteur d effort au niveau du contact, il n y aurait pas besoin de modèle, Il suffit donc de modéliser la partie entre le capteur d effort et le contact.

35 structure fermée d une bille z1 x1 z0 x2,x3,x4,x10,x11 x0 z3,z4,z5,z8,z9,z10,z11 z2 z6 x6 x7,x8,x9 z7

36 structure arborescente équivalente z0,z1 x0 x3,x4,x5 x1 x2 z3,z4,z5,z6,z7 x6,x7 z2

37 structure arborescente équivalente C 0 : étrier de la bille, C 1, C 2 : corps virtuels permettant de définir les degrés de liberté des articulations élastiques de fixations de la bille, C 3 : plaque support du moteur gauche, C 4 : demi-bille gauche, C 5 : balourd, C 6 : plaque support du moteur droit, C 7 : demi-bille droite,

38 Equations du couple des moteurs de translation : mesure de la résistance à l avancement Γ 4 = ZZ 4( ω 3 x + q 4 ) + FV 4 q 4 + FS4signe( q 4 ) + CZ 4 (1) Γ 7 = ZZ 7( ω 6 x + q 7 ) + FV 7 q 7 + FS7signe( q 7 ) + CZ 7 (2)

39 Equations du couple des moteurs de translation : mesure de la résistance à l avancement Γ 4 = ZZ 4( ω 3 x + q 4 ) + FV 4 q 4 + FS4signe( q 4 ) + CZ 4 (1) Γ 7 = ZZ 7( ω 6 x + q 7 ) + FV 7 q 7 + FS7signe( q 7 ) + CZ 7 (2) Les moteurs hydrauliques jouent le rôle de capteur d effort (mesure du couple moteur),

40 Equations du couple des moteurs de translation : mesure de la résistance à l avancement Γ 4 = ZZ 4( ω 3 x + q 4 ) + FV 4 q 4 + FS4signe( q 4 ) + CZ 4 (1) Γ 7 = ZZ 7( ω 6 x + q 7 ) + FV 7 q 7 + FS7signe( q 7 ) + CZ 7 (2) Les moteurs hydrauliques jouent le rôle de capteur d effort (mesure du couple moteur), Il faut mesurer l accélération absolue en rotation des demi-billes,

41 Equations du couple des moteurs de translation : mesure de la résistance à l avancement Γ 4 = ZZ 4( ω 3 x + q 4 ) + FV 4 q 4 + FS4signe( q 4 ) + CZ 4 (1) Γ 7 = ZZ 7( ω 6 x + q 7 ) + FV 7 q 7 + FS7signe( q 7 ) + CZ 7 (2) Les moteurs hydrauliques jouent le rôle de capteur d effort (mesure du couple moteur), Il faut mesurer l accélération absolue en rotation des demi-billes, Avec ces mesures et l identification des paramètres du modèle, il est possible de calculer le couple de résistance à l avancement pour chaque demi-bille.

42 Equations (simplifiées) de la force de l articulation élastique verticale : mesure de la réaction du sol x Γ 1 = V 3 cos(q 3) V y 3 sin(q 3) (M3 + M4 + M5 + M6 + M7) (ω x 3 + q 5) 2 cos(q 3 + q 5 ) + ( ω x 3 + q 5) sin(q 3 + q 5 ) MX5 + (ω x 3 + q 5) 2 sin(q 3 + q 5 ) ( ω x 3 + q 5) cos(q 3 + q 5 ) MY 5 (3) +FX4 + FX7 x Γ 2 = V 3 sin(q 3) + V y 3 cos(q 3) (M3 + M4 + M5 + M6 + M7) (ω x 3 + q 5) 2 sin(q 3 + q 5 ) ( ω x 3 + q 5) cos(q 3 + q 5 ) MX5 (ω x 3 + q 5) 2 cos(q 3 + q 5 ) + ( ω x 3 + q 5) sin(q 3 + q 5 ) MY 5 (4) +FY 4 + FY 7

43 Modèle d articulation élastique Modèle visco-élastique : Γ i = Ci q i Kiq i (5) Domaine de validité limité en fréquence Paramètres différents pour des fréquences de fonctionnement différentes

44 Interprétation de la mesure de la réaction du sol F = M V + C q + Kq + F c (6)

45 Interprétation de la mesure de la réaction du sol F = M V + C q + Kq + F c (6) Les articulations élastiques jouent le rôle de capteur d effort (calcul de l effort élastique à partir de la mesure du déplacement),

46 Interprétation de la mesure de la réaction du sol F = M V + C q + Kq + F c (6) Les articulations élastiques jouent le rôle de capteur d effort (calcul de l effort élastique à partir de la mesure du déplacement), Il faut mesurer la vitesse et l accélération absolue en rotation de l arbre à balourds,

47 Interprétation de la mesure de la réaction du sol F = M V + C q + Kq + F c (6) Les articulations élastiques jouent le rôle de capteur d effort (calcul de l effort élastique à partir de la mesure du déplacement), Il faut mesurer la vitesse et l accélération absolue en rotation de l arbre à balourds, Il faut mesurer l accélération absolue en translation des plaques support des moteurs.

48 Interprétation de la mesure de la réaction du sol F = M V + C q + Kq + F c (6) Les articulations élastiques jouent le rôle de capteur d effort (calcul de l effort élastique à partir de la mesure du déplacement), Il faut mesurer la vitesse et l accélération absolue en rotation de l arbre à balourds, Il faut mesurer l accélération absolue en translation des plaques support des moteurs. Avec ces mesures et l identification des paramètres du modèle, il est possible de calculer la réaction du sol pour la bille.

49 Introduction Présentation du compacteur Existant Modélisation du compacteur Modélisation DHM complète Modélisation DHM d une bille Identification Validation de la méthode sur chantier Conclusion

50 Analyse des paramètres à identifier

51 Analyse des paramètres à identifier Paramètres inertiels : Mb = M3 + M4 + M5 + M6 + M7, MX5, MY 5, ZZ 4, ZZ 7

52 Analyse des paramètres à identifier Paramètres inertiels : Mb = M3 + M4 + M5 + M6 + M7, MX5, MY 5, ZZ 4, ZZ 7 Paramètres de frottements : FV 4, FS4, FV 7, FS7

53 Analyse des paramètres à identifier Paramètres inertiels : Mb = M3 + M4 + M5 + M6 + M7, MX5, MY 5, ZZ 4, ZZ 7 Paramètres de frottements : FV 4, FS4, FV 7, FS7 Paramètres de liaison visco-élastique : C1, K 1, C2, K 2

54 Essais d identification Deux configurations utilisées : 1. Bille posée sur le banc Schenck Identification des paramètres du modèle de liaison élastique (Mb, C1, K 1) 2. Compacteur sur chandelles Identification des paramètres du modèle sans vibration (ZZ 4, FV 4, FS4, ZZ 7, FV 7, FS7) Identification des paramètres du modèle avec vibration (C2, K 2, MX5, MY 5)

55 Problème complexe : Instrumentation

56 Instrumentation Problème complexe : Mesure du déplacement des articulations élastiques

57 Instrumentation Problème complexe : Mesure du déplacement des articulations élastiques Mesure de l accélération de la bille

58 Instrumentation Problème complexe : Mesure du déplacement des articulations élastiques Mesure de l accélération de la bille Mesure de la rotation de l arbre à balourds

59 Instrumentation Problème complexe : Mesure du déplacement des articulations élastiques Mesure de l accélération de la bille Mesure de la rotation de l arbre à balourds Mesure de la rotation des billes

60 Instrumentation Problème complexe : Mesure du déplacement des articulations élastiques Mesure de l accélération de la bille Mesure de la rotation de l arbre à balourds Mesure de la rotation des billes Mesure des couples moteur

61 Essais sur le banc Schenck Excitation de la bille avant du compacteur par un vérin hydraulique d une capacité en force de 100 kn

62 Essais sur le banc Schenck Bridage de l étrier de la bille avant sur le massif de réaction afin de rendre ses mouvements négligeables

63 Résultats des essais sur le banc Schenck FX4 FX7 = Mb V x 3 + C1 bruitblanc q 1 + K 1 bruitblanc q (7) Paramètres Unités ˆX σ ˆX (%) Mb kg ,12 C1 bruitblanc N.m 1.s 31, ,55 K 1 bruitblanc N.m 1 7, ,23 Les résultats recoupent avec les données constructeur (masse théorique de la bille 2150 kg)

64 Essais sur chandelles Utilisation du montage de bridage pour désolidariser la bille avant du compacteur du sol FX4 = FX7 = FY 4 = FY 7 = CZ 4 = CZ 7 = 0 Excitation de la bille en rotation avec les moteurs de translation et/ou en vibration avec la mise en route du système de vibration

65 Résultats des essais sur chandelles x 0 = Mb V 3 cos(q 3) V y 3 sin(q 3) + C1 42 q 1 + K 1 42 q 1 (8) (ω x 3 + q 5) 2 cos(q 3 + q 5 )MX (ω x 3 + q 5) 2 sin(q 3 + q 5 )MY 5 42 x 0 = Mb V 3 sin(q 3) + V y 3 cos(q 3) + C2 42 q 2 + K 2 42 q 2 (9) (ω x 3 + q 5) 2 sin(q 3 + q 5 )MX5 42 (ω x 3 + q 5) 2 cos(q 3 + q 5 )MY 5 42 Paramètres Unités ˆX σ ˆX σ ˆX r (%) C1 42 N.m 1.s K 1 42 N.m C2 42 N.m 1.s K 2 42 N.m MX5 42 m.kg MY 5 42 m.kg σ rho = cond(w ) = cond(w diag(x)) = 29 Paramètre du modèle dynamique pour la grande amplitude (42 Hz)

66 Validation des essais sur chandelles Comparaison entre la force mesurée et la force calculée pour le modèle à 42 Hz

67 Résultats des essais sur chandelles x 0 = Mb V 3 cos(q 3) V y 3 sin(q 3) + C1 50 q 1 + K 1 50 q 1 (10) (ω x 3 + q 5) 2 cos(q 3 + q 5 )MX (ω x 3 + q 5) 2 sin(q 3 + q 5 )MY 5 50 x 0 = Mb V 3 sin(q 3) + V y 3 cos(q 3) + C2 50 q 2 + K 2 50 q 2 (11) (ω x 3 + q 5) 2 sin(q 3 + q 5 )MX5 50 (ω x 3 + q 5) 2 cos(q 3 + q 5 )MY 5 50 Paramètres Unités ˆX σ ˆX σ ˆX r (%) C1 50 N.m 1.s K 1 50 N.m C2 50 N.m 1.s K 2 50 N.m MX5 50 m.kg MY 5 50 m.kg σ rho = cond(w ) = cond(w diag(x)) = 9.7 Paramètre du modèle dynamique pour la petite amplitude (50 Hz)

68 Validation des essais sur chandelles Comparaison entre la force mesurée et la force calculée pour le modèle à 50 Hz

69 Introduction Présentation du compacteur Existant Modélisation du compacteur Modélisation DHM complète Modélisation DHM d une bille Identification Validation de la méthode sur chantier Conclusion

70 Objectifs Vérifier la faisabilité de la mesure sur un chantier Acquisition de données sur toute la durée du chantier Calcul de la réaction du sol et du couple résistant pour chaque passe Analyse des résultats en fonction du déroulement du chantier

71 Compacteur instrumenté sur le chantier

72 Schéma du carrefour CSA feux rouges Longueur : 140m Largeur : 7m matériau : BBSG 0/10 à 6% de bitume

73 Analyse des résultats Globalement : Le couple resistant diminue avec le nombre de passes L effort normal et l effort tangentiel augmente avec le nombre de passes Localement : L effort normal augmente si la rigidité du support augmente Le couple résistant augmente si la température du matériau augmente

74 Réaction du sol sur support rigide

75 Couple résistant sur un matériau de température variable

76 Introduction Présentation du compacteur Existant Modélisation du compacteur Modélisation DHM complète Modélisation DHM d une bille Identification Validation de la méthode sur chantier Conclusion

77 Conclusion

78 Conclusion Modélisation DHM complète (translation + vibration) des compacteurs

79 Conclusion Modélisation DHM complète (translation + vibration) des compacteurs Pour estimer des efforts de contact, il faut modéliser au plus proche du contact

80 Conclusion Modélisation DHM complète (translation + vibration) des compacteurs Pour estimer des efforts de contact, il faut modéliser au plus proche du contact Une instrumentation poussée de la partie modélisée est nécessaire

81 Conclusion Modélisation DHM complète (translation + vibration) des compacteurs Pour estimer des efforts de contact, il faut modéliser au plus proche du contact Une instrumentation poussée de la partie modélisée est nécessaire Possibilité de mesurer les efforts de contact sur un chantier

82 Mesure des efforts d un compacteur en vibration Intervenant : Pierre-Olivier Vandanjon Date : 20 février 2005