CENTRALE LYON - Doctorat : « Modes non-linéaires pour des structures tournantes »

Contexte de recherche _____________________________________________
Présentation de l’Ecole / du département / du laboratoire

Créée en 1857, l’École Centrale de Lyon figure parmi le top 10 des écoles d'ingénieurs en France. Elle forme plus de 3 000 élèves de 50 nationalités différentes sur ses campus d'Écully et de Saint-Étienne (ENISE, école interne) : ingénieurs généralistes, ingénieurs de spécialités, masters et doctorants. Avec le Groupe des Écoles Centrale, elle dispose de 3 implantations à l’international. La formation dispensée bénéficie de l’excellence de la recherche des 6 laboratoires labellisés CNRS présents sur ses campus, des 2 laboratoires à l’international, des 6 réseaux de recherche internationaux et des 10 laboratoires communs avec des entreprises. Sa recherche d’excellence et son enseignement de très haut niveau lui permettent de nouer des accords de doubles diplômes avec des universités prestigieuses et des partenariats de pointe avec de nombreuses entreprises. Autour des thématiques de sobriété, d’énergie, d’environnement et de décarbonation, Centrale Lyon entend répondre aux problématiques des acteurs socio-économiques sur les grandes transitions.

Dans ce contexte la chaire industrielle DyVA cofinancée par l’ANR et le groupe SAFRAN, a pour objectif de répondre aux enjeux environnementaux concernant le secteur de l’aéronautique impliquant une réduction drastique de ses émissions de CO2 à moyen et long terme avec un objectif de bas carbone en 2035 et de neutralité à l’échéance de 2050. Ainsi sur des programmes technologiques comme le RISE, lancé par SAFRAN, il sera nécessaire d’être en capacité d’analyser avec précision les nouveaux points de fonctionnement obtenus et leurs impacts sur la dynamique du moteur et la durée de vie. En effet, ce projet adresse un grand nombre de technologies en rupture vis-à-vis des architectures conventionnelles telles qu’un open-fan, un open-OGV et une turbine et un booster rapides.

Le projet DyVA s’inscrit donc pleinement dans ce contexte et ambitionne d’élaborer les outils numériques avancés à même de répondre à l’enjeu de prédiction vibratoire des nouvelles motorisations aéronautiques. Les développements envisagés se concentreront sur la simulation et la modélisation du comportement dynamique non-linéaire et des incertitudes afin d’offrir une connaissance approfondie de la dynamique sous-jacente du système et d’en maîtriser la physique, la simulation et l’ensemble des différents points de fonctionnement possibles. Ces résultats seront mis en corrélation avec des essais expérimentaux fournissant ainsi des mesures souvent peu présentes dans la littérature bien qu’indispensables pour une bonne compréhension de la physique.

Présentation de la ou les thématiques :

Ce travail de recherche est consacré à l'étude expérimentale des effets non-linéaires sur les caractéristiques modales des structures. Ce point est devenu important compte tenu de l’évolution des designs des roues aubagée à des fins d’efficacité énergétique.

Description de la ou les missions / les activités

Les vibrations des systèmes mécaniques sont caractérisées par leur modes propres (pulsations et modes propres), ainsi que par leur amortissement. Dans un contexte linéaire, ces quantités sont constantes par rapport à l’amplitude vibratoire du système. Dans le cadre non-linéaire, cette propriété intrinsèque n’est plus vérifiée : la fréquence de résonance et l’amortissement varient en fonction du niveau d’énergie : on parle alors de modes non-linéaires.

Déterminer expérimentalement ces caractéristiques peut donc s’avérer complexes. Une première approche, schématisée en Figure 1, consiste à faire des calculs de réponse forcées successives puis de faire de l’identification [1]. Cette approche est cependant longue et onéreuse.

La méthode de la PLL [2] s’affranchit de ces calculs successifs et vient calculer directement le mode non-linéaire. Cette méthode est néanmoins intrusive puisqu’elle injecte de l’énergie au système pour maintenir la phase constante. Utiliser cette méthode dans le contexte d’une roue aubagée est très complexe du fait de la densité modale de ce type de système (voir Figure 2).

L’objectif de la thèse est donc d’adapter une méthode de continuation expérimentale (PLL ou CBC) pour des structures aubagées non-linéaires. Afin d’accroitre progressivement les difficultés, différentes configurations seront étudiées. Tout d’abord une roue aubagée fixe sans non-linéarité, avec du désaccordage intentionnel pour isoler un mode de vibration sera étudiée. Une non-linéarité numérique maîtrisée sera ensuite ajoutée au problème. Le désaccordage intentionnel sera ensuite atténué pour enrichir la densité modale. Finalement le système sera mis en rotation pour suivre l’évolution du mode non-linéaire en fonction de la vitesse de rotation.

Références

[1] D. Laxalde, C. Gibert, et F. Thouverez, « Experimental and numerical investigations of friction rings damping of blisks », in Turbo expo: power for land, sea, and air, 2008, p. 469‑479

[2] G. Abeloos et al., « A consistency analysis of phase-locked-loop testing and control-based continuation for a geometrically nonlinear frictional system », Mech. Syst. Signal Process., vol. 170, p. 108820, mai 2022,