Un grand pas en avant pour l’analyse vibratoire en ingénierie des structures
En ingénierie, les vibrations sont courantes dans les structures flexibles. Dans la plupart des cas, elles ne sont pas souhaitables car elles gaspillent de l’énergie, sont à l’origine de fatigue et de bruits indésirables. Toutes les vibrations sont par nature non linéaires, ce qui signifie que la réponse vibratoire n’est pas proportionnelle à la force d’excitation. Néanmoins, les phénomènes non linéaires sont généralement négligés dans l’industrie puisque les scientifiques ne disposent pas d’une méthodologie ou d’un logiciel spécifique pour les traiter correctement. Ils privilégient donc souvent les approches linéaires parce qu’elles permettent de faire en sorte que le comportement du système reste simple, prévisible et facile à gérer.
Des phénomènes non linéaires sans équivalent linéaire
Les approches linéaires ont incontestablement contribué au développement de techniques et d’outils permettant de résoudre des problèmes d’ingénierie complexes. Toutefois, «la tendance consistant à favoriser des structures plus légères, plus flexibles, respectueuses de l’environnement et moins coûteuses incite les ingénieurs à proposer des conceptions innovantes et, surtout, à réduire les marges de sécurité», explique Gaëtan Kerschen, professeur d’ingénierie aérospatiale au département d’ingénierie mécanique et aéronautique de l’Université de Liège, en Belgique. Or, de telles structures ont tendance à présenter un comportement non linéaire lorsqu’elles sont étirées ou mises en rotation. «Le frottement inégal entre les différents éléments d’un bloc-batterie dans une voiture électrique ou entre les aubes et le carter d’un réacteur dans un aéronef peut produire une dynamique (des vibrations) de nature fortement non linéaire», ajoute M. Kerschen. La non-linéarité peut généralement donner lieu à des phénomènes dynamiques complexes, notamment des interactions modales, des bifurcations ou du chaos. Par conséquent, toute tentative consistant à vouloir appliquer les techniques linéaires traditionnelles pour saisir leur dynamique est vouée à l’échec.
Surmonter les principaux obstacles à une conception sûre en ingénierie des structures
Capitalisant sur le succès d’un autre projet visant à développer le premier logiciel capable de quantifier avec précision l’impact des vibrations non linéaires sur les structures d’ingénierie, le projet NI2D, financé par l’UE, contribue à la commercialisation de cette technologie nouvellement développée. «Notre logiciel aide les ingénieurs d’essais et de simulations à évaluer l’importance des phénomènes non linéaires se produisant dans les structures en analysant les données d’essai classiques de manière innovante», explique M. Kerschen. Les ingénieurs peuvent identifier la source des vibrations non linéaires et créer de nouveaux modèles décrivant ce comportement à des fins de conception. Il poursuit: «La non-linéarité passe alors du statut de phénomène inconnu et potentiellement dangereux à celui d’événement dynamique bien compris, prévisible et acceptable. Cela permet aux ingénieurs de faire évoluer leurs conceptions vers de nouveaux sommets et de surmonter les préoccupations ayant trait au domaine des vibrations non linéaires.» Une caractéristique unique de NI2D est sa capacité à incorporer à la fois des séries temporelles et des modélisations par éléments finis. Par rapport aux logiciels commerciaux existants, il permet également de mettre à jour les modèles non linéaires et prend en compte l’analyse modale (étude des propriétés dynamiques des systèmes dans le domaine fréquentiel). Combinant des réponses temporelles non linéaires, des modes de vibration, des fréquences de résonance et des bifurcations, il offre une vision claire et immédiate de l’impact des non-linéarités sur les propriétés dynamiques de la structure à des fins de prévision et de conception.
De nombreux avantages
Les non-linéarités peuvent compromettre l’intégrité structurelle et les performances des produits. Le risque principal est que le développement du produit soit interrompu lorsque les exigences en matière de certification ne sont pas satisfaites (par exemple dans le cas des satellites). En ce qui concerne les composants des aéronefs et des voitures, l’usure accélérée causée par les non-linéarités est à l’origine d’une augmentation des coûts de maintenance et a un impact négatif sur l’environnement. NI2D offre la possibilité d’évaluer l’impact des non-linéarités dès la phase initiale de conception, en proposant aux entreprises des modèles haute fidélité décrivant les connexions non linéaires à l’intérieur de leurs structures. Par ailleurs, NI2D raccourcit considérablement la durée de la campagne d’essais ainsi que le délai de mise sur le marché du produit. M. Kerschen conclut: «Intégrant un riche ensemble d’interactions non linéaires, NI2D accélère la validation de nouvelles conceptions prometteuses, en s’affranchissant du besoin de revenir à des conceptions plus conservatrices.»
Mots‑clés
NI2D, ingénierie des structures, vibrations non linéaires, analyse vibratoire, voiture, aéronef, satellite
