analyse dynamique de structure
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Analyse dynamique de structures

Analyse dynamique de structures

Analyse modale expérimentale, déformée opérationnelle et par éléments finis

Les vibrations constatées sur une machine ou sur une structure sont le fruit d’efforts internes ou externes excitant un comportement dynamique de structure caractérisé par les paramètres masse, raideur et amortissement. En fonction de la valeur de ces paramètres, la structure va présenter des modes propres qui, s’ils sont excités, généreront des déformations avec davantage d’amplitudes.

Ce phénomène est à l’origine de la majorité des dégradations par fatigue constatées mais permet aussi de réaliser des solutions de découplage ou d’absorption dynamique de vibrations.

Différents types d’analyses permettent de connaître le comportement vibratoire d’une machine ou structure suite à des excitations dynamique. Parmi elles, on trouve l’analyse modale expérimentale ou par éléments finis et l’analyse de la déformée opérationnelle.

L’analyse modale 

Elle a a pour principe de déduire des matrices vibratoires les paramètres caractérisant les modes propres : fréquences de résonance avec leurs déformées de structure associées ainsi que les masses et raideurs participatives aux modes propres.

Elle consiste à établir une base modale incomplète (fréquences propres, déformées propres) qui s’effectue en utilisant des méthodes de lissage exploitant les fonctions de transfert acquises sur la base d’un modèle mathématique approprié tenant compte du type d’excitation, du couplage des modes, et de l’importance de la structure.

L’analyse modale expérimentale

Elle repose sur une technique qui est celle de l’acquisition des fonctions de transfert (interspectres) entre les efforts générés par une excitation extérieure pilotée et mesurée et la réponse vibratoire de la structure dans les 3 directions sur les points d’un maillage représentatif de la structure étudiée. Les moyens d’excitation sont généralement le marteau ou la masse de choc ou bien un pot vibrant en utilisant des capteurs de force. Cette approche expérimentale permet donc de caractériser une structure existante et permet aussi d’apporter des informations de recalage pour un modèle numérique.

L’analyse modale par éléments finis

Elle a pour principe d’édifier un modèle numérique d’une structure ou d’une pièce par discrétisation à partir de plans ou d’un modèle 3D. Nous définissons ensuite les matériaux, les masses rapportées et surtout les conditions aux limites définies par des hypothèses ou des résultats de mesures. Le solveur construit alors la base modale de la structure représentant un système à n degré de liberté. Cette approche numérique peut être utilisée au stade du projet pour évaluer le comportement dynamique d’une structure ou alors en curatif pour dimensionner des modifications sur une structure existante. Dans ce dernier cas, il est possible de recaler les valeurs de paramètres du modèle par rapport aux résultats d’analyse modale expérimentale.

L’analyse modale permet donc de caractériser le comportement dynamique d’une structure et les applications sont multiples :

  • Validation d’un design de structure ou de pièce par rapport à des fréquences d’excitation définies au stade projet ou pour un prototype ou une tête de série.
  • Définition et dimensionnement de modifications visant à décaler la ou les fréquences de résonance de structure par rapport aux fréquences d’excitation dans le cadre de dégradations répétées ou de valeurs de vibrations trop élevées.
  • Définition et validation d’une solution de découplage.
  • Évaluation de la réponse vibratoire d’une structure ou d’une pièce par injection d’efforts ou un raccordement de structure.
  • Validation de travaux de maintenance influençant les raideurs de montage (fixation d’un palier, paniers de développantes alternateur, …).
  • Études de rayonnement de bruit de machines ou de pièces.
  • Caractérisation de vieillissement de structure.

Déformée opérationnelle

La mesure de déformée opérationnelle a pour but d’identifier la déformée spatiale d’une structure soumise à ses fréquences d’excitation réelles. Cette technique consiste à réaliser des mesures de fonction de transfert entre les réponses vibratoires mesurées dans les 3 directions suivant un maillage représentatif de la structure et un point de référence fixe. Elle est généralement mise en œuvre lorsqu’il n’est pas possible d’arrêter l’installation pour réaliser une analyse modale expérimentale ou lorsque la structure de grande taille et/ou de masse ne peut être excitée par des moyens d’excitation conventionnels du type marteau ou masse.

Les intérêts:

L’analyse de la déformée d’une structure sous excitation réelle permet de

  • visualiser dans l’espace les mouvements de l’installation en 3 dimensions même pour des fréquences d’excitation basses.
  • repérer les points les plus vibrants et les points d’inflexion pour lesquels on a le plus de contraintes.
  • De vérifier par comparaison l’efficacité apportée par une modification de structure ou de conditions de fonctionnement de l’installation.
  • De dissocier une réponse forcée de la structure d’une réponse de mode propre si nous avons les résultats d’analyse modale : action sur la source d’excitation dans le premier cas, action sur la structure dans le deuxième cas.

Pour chaque type d’analyse, il est nécessaire de définir une démarche méthodologique spécifique qui sera adaptée au cas à traiter.

Les matériels utilisés pour effectuer ces analyses sont commercialisés par dB Vib Instrumentation.

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