Analyse des interactions fluide-structure en moyennes fréquences sous chargement aérodynamique

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Sous la direction de Mohamed Ichchou
Thèse soutenue le 11 janvier 2010: Ecole centrale de Lyon
L’objectif industriel de cette thèse est d’étudier l’impact de l’environnement moyennes et hautes fréquences sur les lanceurs de missiles et de fusées. Ce champ acoustique est aléatoire et large bande et génère des vibrations à l’intérieur des lanceurs, qui peuvent détériorer les structures et les équipements fragiles, notamment les composants électroniques des équipements embarqués (premiers modes de vibration à 200-500 Hz, situés dans la zone des moyennes fréquences des lanceurs). Il est nécessaire de réaliser un modèle numérique du lanceur, afin de déterminer les niveaux de vibrations se propageant dans les structures internes des lanceurs sur l’ensemble du spectre fréquentiel. Dans le domaine des moyennes fréquences, les méthodes par éléments-finis ou énergétiques — comme la SEA (Analyse Energtique Statistique) — ne sont ni efficaces ni précises. Une nouvelle méthode est alors introduite : la méthode SEA-like. Cette méthode est déterministe et énergétique - pour prendre en compte le caractère aléatoire de l’excitation et les incertitudes des paramètres de la structure - mais s’appuie également sur des analyses basses fréquences, comme l’analyse modale ou par élément fini. Cette méthode est donc valable sur des domaines fréquentielles o`u la méthode SEA ne peut plus être utilisée. Dans une première partie, un système couplé plaque-cavité soumis à une excitation rain-on-theroof est étudié. Ce système a été modélisé avec trois méthodes : la méthode SEA-like basée sur une méthode par couplage modal - qui permet l’étude des échanges énergétiques en interaction fluide-structure dans le domaine des moyennes fréquences - la méthode SEA - qui permet de valider le modèle SEA-like dans le domaine des hautes fréquences, - et enfin une méthode SEA-like basée sur une modélisation par éléments-finis du système couplé et qui permet la validation dans le domaine des moyennes fréquences. Dans une deuxième partie, la méthode SEA-like est étendue à des cas de charges aéroacoustiques. En effet, deux types d’excitations sont fréquemment rencontrées dans le domaine de l’aérospatial et notamment dans l’étude des lanceurs : l’excitation par bruit diffus, qui intervient lors de la première phase de décollage du lanceur et une excitation par couche limite turbulente, qui intervient lors du vol atmosphérique. Ces excitations sont appliqués au système couplé plaque-cavité et modélisés avec la méthode SEA-like. Pour ce faire, les différentes excitations aéroacoustiques sont assimilées à des excitations delta-corrélées équivalentes. Les caractéristiques de l’excitation apparaissent alors dans le vecteur de puissance injectée et la modélisation SEA-like du système proprement dit est indépendante du type d’excitation. La méthode SEA-like est ainsi directement généralisable à différentes excitations. Ces modèles sont validés par comparaison avec des modèles connus d’excitations aéroacoustiques.
-Intéractions fluide-structure
-Aéroacoustique
The objective of this work is the analysis of spatial launchers behaviour in the mid-high frequency domain. The acoustical excitation of such system is random and broadband. Vibrations propagating inside the spatial system can damage embedded electronic components, which first modes are located in the 200-500 Hz frequency range, i.e. the mid-frequency range of spatial launchers. A numerical modeling of spatial systems must be calculated, in order to predict vibrations inside the systems and avoid such damages. The Finite Element Method (FEM) and the Statistical Energy Analysis (SEA) are not accurate or efficient enough in the mid-frequency domain. A new method is thus introduced : the SEA-like method. This method is determinist and energetic — the random excitation and the uncertainties on the geometric description of the system are considered. This method is based on low-frequency modeling, as modal analysis or FEM. Unlike SEA, SEA-like can be used for mid-frequency analysis. First, a panel-cavity coupled system with rain-on-the-roof excitation is considered. This system is modeled with an SEA-like method based on a modal coupling analysis, with an SEA-like method based on FEM (for mid-frequency validation) and with SEA (for high-frequency validation). The modal coupling analysis of the coupled system leads to an analysis of fluid-structure interaction in the mid-frequency domain. The random acoustical field is then considered. Two aerodynamic loads are studied : diffuse field, which is present during lift-off of the launcher, and turbulent boundary layer excitation, which is present during the aerodynamic flight. Modeling of aerodynamic loads with SEA-like is performed by introducing equivalent delta-correlated excitations. Considering the SEA-like equation, the information on the excitation is located in the injected power vector. The modeling of the system becomes independent of the excitation. One SEA-like modeling can thus be applied to several aerodynamic loads.
Source: http://www.theses.fr/2010ECDL0002/document
Publié le : samedi 29 octobre 2011
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Num´ero d’ordre : 2010-02 Ann´ee 2010
`THESE
pr´esent´ee pour obtenir le titre de
´DOCTEUR DE L’ECOLE CENTRALE DE LYON
Sp´ecialit´e : Dynamique des structures
´Ecole Doctorale de M´ecanique de Lyon
par
Marie de ROCHAMBEAU
ANALYSE DES INTERACTIONS FLUIDE-STRUCTURE
´EN MOYENNES FREQUENCES
´SOUS CHARGEMENT AERODYNAMIQUE
Soutenue publiquement le 11 janvier 2010 devant le jury
MM. M. BEN-TAHAR, Professeur, UTC Rapporteur
J.F. DEU, Professeur, CNAM Rapp
M. ICHCHOU, Professeur, ECL Directeur
L. JEZEQUEL , ECL Co-directeur
P. LADEVEZE, Professeur, LMT Cachan Pr´esident
B. TROCLET, Senior expert, EADS Astrium Encadrant  Remerciements
Jevoudraisremerciertoutd’abordmesdirecteursdeth`ese,MohamedIchchouetLouisJ´ez´equel,
et mon encadrant chez EADS Astrium, Bernard Troclet, pour m’avoir propos´e ce travail de th`ese
et encadr´e pendant ces trois ann´ees. Je les remercie´egalement pour leur´ecoute et leur soutien qui
m’ont permis de surmonter les difficult´es rencontr´ees.
Je remercie ´egalement MM. Jean-Fran¸cois Deu et Mabrouk Ben-Tahar pour avoir bien voulu
rapporter mon m´emoire de th`ese, et M. Pierre Ladev`eze qui a pr´esid´e mon jury.
Je voudrais ensuite remercier Olivier Bareille, S´ebastien Besset et Gilles Robert pour leur
disponibilit´e et leur patience pour r´epondre a` mes — innombrables — questions. Un grand merci
´egalement a` Bastien Hiverniau, dont j’ai repris les travaux de th`ese et qui a beaucoup apport´e `a
mes travaux, que ce soit par son rapport de th`ese tr`es clair ou ses conseils avis´es.
Un grand merci `a l’´equipe D2S, pour les sorties au stade — que ce soit foot ou rugby — pour
les barbecues et les ’Waffle Day’, et sans qui le Buffet International n’aurait jamais vu le jour. Je
remercie tout particuli`erement Isabelle pour sa gentillesse et ses encouragements.
Finalement, je tiens `a remercier ma famille, et tout particuli`erement mes parents et ma soeur,
qui ont su me soutenir et m’encourager pendant ces trois ann´ees.
iR´esum´e
L’objectifindustrieldecetteth`eseestd’´etudierl’impactdel’environnementmoyennesethautes
fr´equences sur les lanceurs de missiles et de fus´ees. Ce champ acoustique est al´eatoire et large
bande et g´en`ere des vibrations `a l’int´erieur des lanceurs, qui peuvent d´et´eriorer les structures
et les ´equipements fragiles, notamment les composants ´electroniques des ´equipements embarqu´es
(premiers modes de vibration a` 200-500 Hz, situ´es dans la zone des moyennes fr´equences des
lanceurs). Il est n´ecessaire de r´ealiser un mod`ele num´erique du lanceur, afin de d´eterminer les
niveaux de vibrations se propageant dans les structures internes des lanceurs sur l’ensemble du
spectre fr´equentiel.
Dans le domaine des moyennes fr´equences, les m´ethodes par ´el´ements-finis ou ´energ´etiques —
´comme la SEA (Analyse Energ´etique Statistique) — ne sont ni efficaces ni pr´ecises. Une nouvelle
m´ethode est alors introduite : la m´ethode SEA-like. Cette m´ethode est d´eterministe et´energ´etique
-pourprendreencomptelecaract`ereal´eatoiredel’excitationetlesincertitudesdesparam`etresde
la structure - mais s’appuie´egalement sur des analyses basses fr´equences, comme l’analyse modale
ou par´el´ement fini. Cette m´ethode est donc valable sur des domaines fr´equentielles ou` la m´ethode
SEA ne peut plus ˆetre utilis´ee.
Dansunepremi`erepartie,unsyst`emecoupl´eplaque-cavit´esoumis`auneexcitationrain-on-the-
roof est´etudi´e.Cesyst`emea´et´emod´elis´eavectroism´ethodes:lam´ethodeSEA-likebas´eesurune
m´ethode par couplage modal - qui permet l’´etude des ´echanges ´energ´etiques en interaction fluide-
structure dans le domaine des moyennes fr´equences - la m´ethode SEA - qui permet de valider le
mod`eleSEA-likedans ledomainedeshautesfr´equences,- etenfinune m´ethodeSEA-likebas´eesur
une mod´elisation par´el´ements-finis du syst`eme coupl´e et qui permet la validation dans le domaine
des moyennes fr´equences.
Dans une deuxi`eme partie, la m´ethode SEA-like est ´etendue `a des cas de charges a´eroacous-
tiques. En effet, deux types d’excitations sont fr´equemment rencontr´ees dans le domaine de l’a´ero-
spatial et notamment dans l’´etude des lanceurs : l’excitation par bruit diffus, qui intervient lors de
la premi`ere phase de d´ecollage du lanceur et une excitation par couche limite turbulente, qui in-
tervient lors du vol atmosph´erique. Ces excitations sont appliqu´es au syst`eme coupl´e plaque-cavit´e
et mod´elis´es avec la m´ethode SEA-like. Pour ce faire, les diff´erentes excitations a´eroacoustiques
sont assimil´ees a` des excitations delta-corr´el´ees ´equivalentes. Les caract´eristiques de l’excitation
apparaissent alors dans le vecteur de puissance inject´ee et la mod´elisation SEA-like du syst`eme
proprement dit est ind´ependante du type d’excitation. La m´ethode SEA-like est ainsi directement
g´en´eralisable `a diff´erentes excitations. Ces mod`eles sont valid´es par comparaison avec des mod`eles
connus d’excitations a´eroacoustiques.
Mots cl´es : Moyennes fr´equences, Interactions fluide-structure, Excitations al´eatoires large
bande, Excitation par couche limite turbulente, Bruit diffus, SEA, SEA-like, Excitation rain-on-
the-roof
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