Méthode de l équilibrage harmonique généralisé



Documents pareils
I Stabilité, Commandabilité et Observabilité Introduction Un exemple emprunté à la robotique Le plan Problème...

Oscillations libres des systèmes à deux degrés de liberté

COLLOQUE NATIONAL de la PERFORMANCE INDUSTRIELLE

Une fréquence peut-elle être instantanée?

Sujet proposé par Yves M. LEROY. Cet examen se compose d un exercice et de deux problèmes. Ces trois parties sont indépendantes.

Exemples de dynamique sur base modale

TP 7 : oscillateur de torsion

T.P. FLUENT. Cours Mécanique des Fluides. 24 février 2006 NAZIH MARZOUQY

Exercices Corrigés Premières notions sur les espaces vectoriels

ÉTUDE DE L EFFICACITÉ DE GÉOGRILLES POUR PRÉVENIR L EFFONDREMENT LOCAL D UNE CHAUSSÉE

Chapitre 1 Régime transitoire dans les systèmes physiques

Champ électromagnétique?

Résolution de systèmes linéaires par des méthodes directes

LA PHYSIQUE DES MATERIAUX. Chapitre 1 LES RESEAUX DIRECT ET RECIPROQUE

NON-LINEARITE ET RESEAUX NEURONAUX

Condition Monitoring System pour les éoliennes. "Condition Monitoring System" pour les éoliennes

Dynamique non-linéaire des structures mécaniques : application aux systèmes à symétrie cyclique

INTRODUCTION A L ELECTRONIQUE NUMERIQUE ECHANTILLONNAGE ET QUANTIFICATION I. ARCHITECTURE DE L ELECRONIQUE NUMERIQUE

Communication parlée L2F01 TD 7 Phonétique acoustique (1) Jiayin GAO <jiayin.gao@univ-paris3.fr> 20 mars 2014

Principe de symétrisation pour la construction d un test adaptatif

10ème Congrès Français d'acoustique Lyon, Avril 2010

Filtrage stochastique non linéaire par la théorie de représentation des martingales

BIG Data et R: opportunités et perspectives

Coup de Projecteur sur les Réseaux de Neurones

ANALYSE NUMERIQUE ET OPTIMISATION. Une introduction à la modélisation mathématique et à la simulation numérique

Analyse de la dynamique d un lit fluidisé gaz-solide en interaction acoustique avec son système de ventilation : comparaison théorie/expérience.

$SSOLFDWLRQGXNULJHDJHSRXUOD FDOLEUDWLRQPRWHXU

10 leçon 2. Leçon n 2 : Contact entre deux solides. Frottement de glissement. Exemples. (PC ou 1 er CU)

Physique quantique et physique statistique

Théorie et codage de l information

10ème Congrès Français d'acoustique Lyon, Avril 2010

Représentation géométrique d un nombre complexe

Echantillonnage Non uniforme

Etude d un cas industriel : Optimisation de la modélisation de paramètre de production

ÉVALUATION FORMATIVE. On considère le circuit électrique RC représenté ci-dessous où R et C sont des constantes strictement positives.

I. Programmation I. 1 Ecrire un programme en Scilab traduisant l organigramme montré ci-après (on pourra utiliser les annexes):

de calibration Master 2: Calibration de modèles: présentation et simulation d

Intérêt du découpage en sous-bandes pour l analyse spectrale

Cours C6 : Vibrations non linéaires

Exemple d acquisition automatique de mesures sur une maquette de contrôle actif de vibrations

Bandes Critiques et Masquage

CORAC : Appels à partenariat Propulsion

Contents. 1 Introduction Objectifs des systèmes bonus-malus Système bonus-malus à classes Système bonus-malus : Principes

En face du commanditaire, on met un chef de projet qui connait le domaine (banque, administration, etc.)

Exercices - Nombres complexes : corrigé. Formes algébriques et trigonométriques, module et argument

SDLS08 - Modes propres d'une plaque carrée calculés sur base réduite

Interaction Fluide-Structure pour les corps élancés

Transmission d informations sur le réseau électrique

Version default Titre : Opérateur MECA_STATIQUE Date : 17/10/2012 Page : 1/5 Responsable : Jacques PELLET Clé : U4.51.

CHAPITRE IV Oscillations libres des systèmes à plusieurs degrés de liberté

Le turbo met les gaz. Les turbines en équation

Calculs et Certificats de Quantités d Intérêts Non Linéaires d un Mousqueton Cédric Bellis

Calcul matriciel. Définition 1 Une matrice de format (m,n) est un tableau rectangulaire de mn éléments, rangés en m lignes et n colonnes.

FAG Detector II le collecteur et l analyseur de données portatif. Information Technique Produit

Tests non-paramétriques de non-effet et d adéquation pour des covariables fonctionnelles

Concours EPITA 2009 Epreuve de Sciences Industrielles pour l ingénieur La suspension anti-plongée de la motocyclette BMW K1200S

INF6304 Interfaces Intelligentes

Algorithmes pour la planification de mouvements en robotique non-holonome

Cours 02 : Problème général de la programmation linéaire

TABLE DES MATIÈRES CHAPITRE I. Les quanta s invitent

Analyse des bruits de clavier d ordinateur

Quantification et hiérarchisation des incertitudes dans un processus de simulation numérique

Introduction à MATLAB R

Figure 3.1- Lancement du Gambit

Chapitre 2 Le problème de l unicité des solutions

P M L R O G W. sylomer. Gamme de Sylomer Standard. Propriétés Méthode de test Commentaires. Polyuréthane (PUR) Cellulaire mixte

BTS Groupement A. Mathématiques Session Spécialités CIRA, IRIS, Systèmes électroniques, TPIL

Introduction. Mathématiques Quantiques Discrètes

Chapitre 2 Les ondes progressives périodiques

Angles orientés et trigonométrie

ATTESTATION D ACCREDITATION ACCREDITATION CERTIFICATE. N rév. 2

Master Energie spécialité Energie électrique

physicien diplômé EPFZ originaire de France présentée acceptée sur proposition Thèse no. 7178

Les correcteurs accorderont une importance particulière à la rigueur des raisonnements et aux représentations graphiques demandées.

Une comparaison de méthodes de discrimination des masses de véhicules automobiles

Actions de réduction de bruit sur un moteur poids lourd

FAG Detector III la solution pour la surveillance et l équilibrage. Information Technique Produit

Exercices M1 SES Ana Fermin ( fermin.perso.math.cnrs.fr/ ) 14 Avril 2015

Exercices - Fonctions de plusieurs variables : corrigé. Pour commencer

DÉVERSEMENT ÉLASTIQUE D UNE POUTRE À SECTION BI-SYMÉTRIQUE SOUMISE À DES MOMENTS D EXTRÉMITÉ ET UNE CHARGE RÉPARTIE OU CONCENTRÉE

Automatique Linéaire 1 Travaux Dirigés 1A ISMIN

Programmation linéaire

Théories de champ moyen et convection à grande échelle

ETUDE COMPARATIVE DES MODELISATIONS NUMERIQUE ET PHYSIQUE DE DIFFERENTS OUVRAGES D EVACUATION DES CRUES

Modèle de troncature gauche : Comparaison par simulation sur données indépendantes et dépendantes

Enjeux mathématiques et Statistiques du Big Data

Manuel de validation Fascicule v4.25 : Thermique transitoire des structures volumiques

Chapitre 3 Les régimes de fonctionnement de quelques circuits linéaires

SUJET ZÉRO Epreuve d'informatique et modélisation de systèmes physiques

ÉTUDE ET DÉVELOPPEMENT D UN SYSTÈME EXPERT BASÉ SUR LES RÉSEAUX DE NEURONES POUR LE DIAGNOSTIC DES DÉFAUTS DE ROULEMENTS

Exo7. Matrice d une application linéaire. Corrections d Arnaud Bodin.

Simulation Matlab/Simulink d une machine à induction triphasée. Constitution d un référentiel

Infos. Indicateurs analogiques encastrables pour installation à courants forts. Série M W/P/ LSP BWQ BGQ TP TG WQ /0S WQ /2S FQ /2 W BI BIW DFQ

Optimisation non linéaire Irène Charon, Olivier Hudry École nationale supérieure des télécommunications

Direction des Études et Synthèses Économiques Département des Comptes Nationaux Division des Comptes Trimestriels

Analyse de la vidéo. Chapitre La modélisation pour le suivi d objet. 10 mars Chapitre La modélisation d objet 1 / 57

Exercice 1. Exercice n 1 : Déséquilibre mécanique

Souad EL Bernoussi. Groupe d Analyse Numérique et Optimisation Rabat http ://

Des solutions d analyse par éléments finis haut de gamme pour l environnement Windows.

Transcription:

Méthode de l équilibrage harmonique généralisé Application à l interaction modale rotor/stator Sébastien Roques * Mathias Legrand * Christophe Pierre ** Bernard Peseux * Patrice Cartraud * * GeM, Pôle Structure et Couplage - École Centrale de antes 1 Rue de la oë, 44321 antes cedex 3 {sebastien.roques,mathias.legrand,bernard.peseux,patrice.cartraud}@ec-nantes.fr ** Vibrations and Acoustics Laboratory - University of Michigan 3112 G.G. Brown Building, Ann Arbor MI 48109-2125, USA pierre@umich.edu RÉSUMÉ. La méthode de l équilibrage harmonique permet l analyse de problèmes fortement nonlinéaires. Lorsque ces derniers sont oscillants mais apériodiques, il est possible de généraliser la formulation usuelle en utilisant le concept d hyper-temps. ans cet article, cette méthode est appliquée à un système impliquant une non-linéarité qui ne s exprime pas de façon explicite. Les transformées directe et inverse de Fourier sont alors nécessaires pour alterner domaines temporel et fréquentiel. Les résultats montrent l efficacité et la précision de la méthode. ABSTRACT. The harmonic balance method is one of the method for the analysis of strongly nonlinear problems. When the latter are oscillating but aperiodic, it is possible to generalize the usual formulation by using the concept of hyper-time domain. In this article, the method is applied to a system with a non-linearity which cannot be expressed in the frequency domain. The direct and inverse fast Fourier transforms are then necessary to alternate between time and frequency domains. The results show the efficiency and the precision of the method. MOTS-CLÉS : interaction modale, méthode de l équilibrage harmonique généralisé, contact direct KYWORS: modal interaction, generalized harmonic balance method, direct contact 1 re soumission à Colloque ational en Calcul des Structures de Giens, le 30 janvier 2005.

` ; 2 1 re soumission à Colloque ational en Calcul des Structures de Giens. 1. Introduction ans le domaine des turbomachines comme les moteurs d avion, les contacts structurels entre le carter et la roue aubagée peuvent avoir plusieurs origines : coïncidence vibratoire entre des modes, apparition d un balourd au niveau du rotor, déformation thermique du carter, Ces interactions non linéaires peuvent fortement endommager les structures et il est important de comprendre l origine de ces mécanismes. Cet article trouve son origine dans les travaux de M. Legrand concernant l analyse de l interaction modale rotor/stator [LG 03]. Il s agit ici d étudier ce phénomène dans le domaine fréquentiel pour s affranchir des déficits inhérents aux méthodes temporelles. La nature apériodique du comportement de l ensemble suggère une généralisation de la méthode usuelle de l équilibrage harmonique traitant tout type de non-linéarité : c est ce qui est présenté dans un premier temps. Afin de valider l implantation numérique de la méthode, le cas simple d une poutre en contact unilatéral est ensuite considéré. nfin, on s interesse aux modifications nécessaires pour traiter le cas des systèmes autonomes, notamment dans le cas de l interaction modale rotor/stator. 2. Méthode de l équilibrage harmonique à dimensions e manière générale, l équation à résoudre pour un système non-linéaire s écrit : "!#$&%(' où, $)%(', représentent respectivement les matrices masse, amortissement et raideur ; et les vecteurs force d excitation et force non-linéaire. L application de la méthode classique de l équilibrage harmonique se limite à l analyse de vibrations harmoniques mais se généralise à des systèmes apériodiques contenant *,+ fréquences sans dénominateur commun. Le lecteur pourra se référer à [LAU 83], à [WI 01] ou [PUS 04] pour plus de détails. Introduisons *+ variables temporelles : -/.!10.32 avec 4!65 *+ appartenant au domaine hyper-temps 789-/.:8<;>= 0 où. sont les fréquences sans dénominateur commun. Le déplacement est discrétisé dans le domaine multi-fréquentiel comme suit :?!A@CB FGCH @ B @CB JIKGCH @ B L L L MO GCH @CB @ B PR FTS IUSWVWVWV S M JXTY[Z3\^]. GO_`.3-.ba 3c df SJI SWVWVWV SJMe ZKfhg \ ]. GO_ `. -.iakj n veillant à ne conserver que les combinaisons non redondantes grâce à la parité des fonctions trigonométriques, la composante l du mouvement peut alors se mettre sous forme matricielle : l!#m!n5o Kp [1] [2] [3]

P P œ ] 0 2 @ ª { } a } @ - a - ] { où m!rq mtsjukvt&mw {,!q sju&v {~} Équilibrage harmonique généralisé 3 avec p! p sjukv wp, le nombre total d har- m moniques conservés. Le vecteur ligne est une combinaison de deux sous-vecteurs. entiers : mtsjukv lignes. se compose des termes en cosinus avec m sju&v! ` ƒ XTYoZ \^] _. GO_>`. -. a XTY[Z \ ]. GO_ `[. -. a X YoZ \^]. Ge_>`.@O ˆRŠ -. akj [4] et mw a une expression similaire avec des termes en sinus. de coefficients harmoniques associés m à la `Œ assemblé de façon cohérente avec : sju&v!rq _ sju&v Ž sjukv Œ sjukv @ ˆRŠ et est un vecteur colonne composante du vecteur déplacement et! q _ Ž n considérant les conventions suivantes avec le produit de Kronecker,! m et on construit les vecteurs déplacement?! et! q }_ et vitesse par assemblage : <! \w] 0 š š GO_ -. L introduction des expressions [7] dans [1] suivie de la procédure de Galerkin sur le domaine de l hyper-temps permet de réécrire les équations du mouvement dans le domaine fréquentiel : œ! L avec les notations suivantes : ž $)%(' ž Ÿž $)%(' ž!. GO_. \ ] 0 š š Ge_ -. - š! K o Ÿ! K $)%(' où l opérateur L L est défini comme suit :, _ &!ª K«&«L L Lª K«}_ { } -. - _ v x @eš z ^ L annulation du résidu avec un solveur non-linéaire de type quasi-ewton par exemple signifie que l état d équilibre est atteint. 3. xemple d application Afin de valider cette nouvelle démarche pour une forte non-linéarité non explicite dans le domaine fréquentiel, une poutre, discrétisée par quatre éléments finis de type uler-bernoulli et illustrée sur la figure 1, est soumise à une excitation externe apériodique composée de deux fréquences sans dénominateur commun d expression :! 5 e X YoZ y² _ d³. Le déplacement central est contraint par un mur. J 77 LŽ± XTY[Z =b2 j [5] [6] [7] [8]

Å 8 À 2 4 1 re soumission à Colloque ational en Calcul des Structures de Giens. PSfrag replacements º» /ȩ¹ µ RµU Figure 1. Schéma de la poutre contactant un mur n tenant compte des conditions aux limites en appui simple, le vecteur déplacement Œ¾. devient?!½¼ ¾ _ ŒÀ ŒÀ>ÁŒ¾ Á>ŒÀ ÂoŒ¾(ÂŒ¾ ÃUÄ } L équation du mouvement se met sous la forme : ÇÆ È 1?! $)%(' À>Á. ž ÊÉ Pour ce cas précis, la prise en compte de la condition de contact dans la procédure fréquentielle est la suivante À PSfrag replacements : si une violation est détectée dans le domaine temporel, on impose la valeur. ž au déplacement du nœud 3 avant une projection dans le domaine fréquentiel. PSfrag replacements Le résultat de la simulation est comparé à celui issu d une intégration temporelle explicite fondée sur le schéma des différences finies centrées. Ë _ ÌÍ Ë _ Ì I [9] amplitude (m) 1 0-1 -2 6 4 2 % 0-2 -4-6 0 5 10 15 20 25 30 temps (s) (a) Résultats temporels Î - -Ï et fréquentiels Î Ï 0 5 10 15 20 25 30 temps (s) (b) rreur relative en Ð Figure 2. Comparaison entre la méthode fréquentielle pour p!<5 ; et la méthode temporelle Pour bien évaluer ce type de non-linéarité dans le domaine fréquentiel, il est nécessaire de considérer un grand nombre d harmoniques. Par conséquent, douze harmoniques dans chaque direction sont conservés dans la simulation. Le temps de calcul de la méthode fréquentielle reste rédhibitoire à cause des transformées de Fourier directe et inverse en deux dimensions exécutées à chaque itération lors de la résolution non-linéaire. éanmoins, ce calcul montre que la méthode fréquentielle est capable

Õ ž! Õ Équilibrage harmonique généralisé 5 de résoudre ce type de problème. Les deux solutions, temporelle et fréquentielle, sont quasiment indiscernables comme illustré sur les figures 2(a) et 2(b). 4. Phénomène d interaction modale rotor/stator L intégration temporelle fait apparaître [LG 04], sous certaines conditions portant notamment sur la vitesse de rotation du moteur, qu un échange d énergie, par l intermédiaire de contacts structuraux, associé à un comportement oscillant apériodique s instaure entre le carter et la roue aubagée même si toute sollicitation extérieure a disparu. Ce phénomène apparaît lorsque la condition de coïncidence vibratoire est satisfaite, condition qui sera retenue par la suite : 0eÑ iò(ó où 0CÑ ž, 0 Õ, Ó et iò représentent respectivement les fréquences de réponse de la roue aubagée et du carter, la fréquence de rotation de la roue aubagée et le nombre de modes à diamètres considérés. Ô0CÕ La figure 3 illustre le comportement de notre système pour Ò. Le petit carré noir Ø suit artificiellement la propagation du mode tournant avance sur le carter alors que l aube noire indique la progression du mode tournant rétrograde sur la roue aubagée. On y remarque que quand le mode avance du carter a effectué un tour complet (une durée de Ò Ù s est alors écoulée), l aube noire n est pas revenue à sa position initiale, ce qui résume le caractère apériodique de l ensemble.! Ö [10] PSfrag replacements ÚRÛ ÚJÛiÜ ÝTÞŒß&à/á Ú Û ÜÞ ß ÚRÛOÜ ÞŒß&à/á ÚJÛiÜâ ÞŒß&à/á ÚRÛOÜ ÝTÞŒß Ú Û Ü ãuätþ ß à á ÚRÛOÜä ÞŒß Figure 3. Évolution de l ensemble roue aubagée - carter sur trois périodes Ù ans l optique de s affranchir, à la fois de l influence des conditions initiales et de la taille du pas de temps, lesquelles sont inhérentes à une résolution temporelle et particulièrement problématiques dans ce cas présent, une résolution multi-fréquentielle s impose, ce qui nécessite des modifications étant donné que le système est autonome. 5. Cas des systèmes autonomes ans le cas de systèmes autonomes, la méthode de l équilibrage harmonique généralisée évoquée précédemment doit être adaptée. n effet, la force d excitation extérieure étant nulle, la solution nulle est triviale mais d intérêt limité. Afin de trouver une

P ] L ; 6 1 re soumission à Colloque ational en Calcul des Structures de Giens. solution non nulle, il suffit d inclure les fréquences dans les inconnues du problème en imposant les phases correspondantes à ces fréquences afin que la formulation soit bien posée. Ceci revient à modifier l équation [8] de la façon suivante : L(å!# o ž C ] å 0. GO_ æ.kçè. [11] où les notations sont celles utilisées pour l équation [8] avec, en plus : ç.! é š GO_ 0 š -. - š -. j L Le vecteur est construit de la même façon qu auparavant à ceci près que les composantes en première harmonique en sinus, en nombre égal aux fréquences sans dénominateur commun, sont imposées. Toutes les fréquences du système doivent être déterminées lors de la recherche d une solution non nulle. La convergence est obtenue dès lors que le vecteur résidu composé des å et des å 0. s annule. 6. Conclusions et perspectives La méthode de l équilibrage harmonique généralisé a été adaptée pour la résolution de systèmes fortement non-linéaires. n considérant le cas test de la poutre venant en contact avec un mur, les comparaisons de résultats entre une intégration temporelle et l équilibrage harmonique généralisé sont satisfaisantes et montrent la précision de cette nouvelle méthode. es travaux sont en cours de réalisation pour pouvoir mettre en œuvre cette méthode dans le cas de l interaction modale rotor/stator. 7. Bibliographie [WI 01] WIS. J., VO GROLL G., «The harmonic balance method with arc-length continuation in rotor/stator contact problems», Journal of Sound and Vibration, vol. 241, nê 2, 2001, p. 223-233. [LAU 83] LAU S. L., CHUG Y. K., WU S. Y., «Incremental harmonic balance method with multiple time scales for aperiodic vibration of nonlinear systems», Journal of Applied Mechanics, vol. 50, 1983, p. 871-876. [LG 03] LGRA M., PSUX B., PIRR C., «Amélioration de la prédiction de l interaction rotor/stator dans un moteur d avion», Actes du ë Colloque ational en Calcul des Structures, Giens, juin 2003, ã)ìp. 53-68. [LG 04] LGRA M., PSUX B., PIRR C., «Étude de l interaction modale rotor/stator dans un moteur d avion», Colloque Vibrations, Chocs et Bruit, Lyon, juin 2004. [LG 05] LGRA M., «Modèles de prédiction de l interaction rotor/stator dans un moteur d avion», Thèse de doctorat, École Centrale de antes, 2005. [PUS 04] PUSJAK R. R., OBLAK M. M., «Incremental harmonic balance method with multiple time variables for dynamical systems with cubic non-linearities», International Journal for umerical Methods in ngineering, vol. 59, 2004, p. 255-292. [12]