Isolation et amortissement non linéaire
Application à un adaptateur de charge utile de lanceur spatial Ariane

VIBRO-ACOUSTIQUE / DYNAMIQUE   |  Publié le 07 Avril 2022

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Projet INCAS : Simulation de dispositifs d'amortissement non-linéaires pour améliorer le confort de charges utiles

Dans les domaines de l'aéronautique et du spatial, le besoin d'atténuation des ambiances vibratoires d'équipements embarqués sur lanceur et sur moteur d’hélicoptère est crucial. Des progrès dans la prise en compte de l'amortissement lors des simulations numériques de prédiction du comportement dynamique auront un effet décisif sur la conception des équipements de vol (allègement, réduction des surdimensionnements, accélération du processus de conception et réduction des coûts de développement...).

Le projet INCAS s'inscrit dans ce cadre, avec pour objectif de développer des solutions d'isolation et d'amortissement innovantes pour les systèmes mécaniques complexes, ainsi que des outils logiciels pour la simulation de leur comportement dynamique. Des modèles numériques non-linéaires ont ainsi été conçus, caractérisés, et validés pour modéliser précisément, grâce à l'outil PERMAS, le comportement non-linéaire des dispositifs amortissants étudiés, à base de câbles ou d'élastomères.

Un panel complémentaire de partenaires a pris part à ce projet aux objectifs ambitieux. Ainsi Ariane Group et Safran Helicopter Engines y ont pris part en tant qu'utilisateurs finaux des solutions conçues et testées durant ce projet. Parmi les autres partenaires, avec lesquels INTES a travaillé en étroite collaboration, citons les fabricants de dispositifs amortissants Socitec (dispositif à câbles) et EFJM (dispositif à élastomère), l'entreprise en charge de la gestion de projet (AVNIR Engineering) ou encore Airbus Defence and Space qui a apporté son expertise relative au confort de charge utile et aux solutions préexistantes.

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Application à un adaptateur de charge utile de lanceur spatial Ariane

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Dispositif d'amortissement à élastomère (EFJM)

Dispositif d'amortissement à câble

(frottement sec, SOCITEC)

Modèles éléments finis et caractérisation

Pour la modélisation des dispositifs PID sous PERMAS, un modèle macroscopique à deux nœuds est utilisé (élément CONTROL6), comme illustré ci-dessous, auquel est associé la loi de comportement non-linéaire adéquate. Dans le cadre de ce projet, une méthode innovante a été mise en place pour la modélisation de cette non-linéarité. La particularité de la non-linéarité du PID à élastomère réside dans le fait que celle ci est dépendante de la fréquence d'excitation et caractérisée uniquement à partir d’essais unitaires. La difficulté pour la conception d’un tel modèle non-linéaire est donc de disposer d’une méthode de caractérisation adaptable à de nouveaux designs pour lesquels de nouveaux essais de caractérisation seraient effectués.

Le principe adopté consiste à utiliser des suites rhéologiques (comme des modèles de Maxwell Généralisé) incluant des effets non-linéaires. Ces éléments rhéologiques sont associés de sorte à faire correspondre le comportement des dispositifs d'amortissement avec les résultats des essais de caractérisation et à permettre une extrapolation de ce comportement pour les couples (précharge statique, sollicitation dynamique) pour lesquels aucune caractérisation n'a été effectuée.

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Corrélations Essais/Calculs

À partir de simulations effectuées en amont grâce au logiciel éléments finis PERMAS, qui ont permis de définir les excitations à appliquer pour atteindre les charges souhaitées, des essais ont été réalisées à l’échelle 1 à l'Institut Technologique FCBA à Bordeaux (France, 33). Ces essais ont permis de tester l’apport des différentes technologies étudiées au cours du projet sur le confort de la charge utile. Mais ils ont aussi permis une valorisation étendue des modèles éléments finis PERMAS et des outils numériques mis en place au cours du projet en fournissant une masse considérable de résultats balayant une large gamme de types de chargements : transitoires, harmoniques ou aléatoires, avec des excitations bi-axe. L’ensemble de ces données a permis de juger des performances des modèles mis en place selon le type de chargement.

Décollage / Onde de souffle 

(mono-sinus)

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Comparaisons entre résultats d'essais et de simulations (PERMAS) pour le cas de charge relatif au "Décollage"

Oscillations de pression des boosters

(harmonique)

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Comparaison entre résultats d'essais et de simulation (PERMAS) pour le cas de charge relatif aux "Oscillations de pression"

Essais bi-axe (échelle 1) : adaptateur de charge utile de lanceur spatiale Ariane