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Auteur(s)
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Paul-Eric DUPUIS : Docteur de l'École nationale supérieure de l'aéronautique et de l'espace - Responsable du département Essais mécaniques à la société Intespace
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Les vibrations font partie intégrante de notre univers. Le moindre mouvement entraîne des vibrations d'amplitude et de durée variables, depuis l'oscillation lente d'un pont suspendu excité par le vent jusqu'au choc engendré à l'atterrissage par un avion, en passant par le bruit des moteurs de nos voitures. Cet environnement vibratoire est ressenti par l'ensemble des équipements que nous utilisons dans la vie courante et peut engendrer des dysfonctionnements allant jusqu'à la destruction du matériel en question.
C'est ainsi qu'est né le besoin de certifier les structures au travers d'une série d'essais représentatifs de l'environnement vibratoire rencontré par un produit au long de son cycle de vie. La grande diversité des situations rencontrées engendre un large éventail d'essais de nature très différente, ce qui oblige l'opérateur d'un essai de vibrations à utiliser un matériel de mesure tout aussi diversifié.
Le but de cet article est de permettre au néophyte de comprendre quels sont les éléments importants à prendre en compte dans le choix du matériel de mesure, puis, à partir des résultats obtenus, comment les exploiter en évitant les pièges d'une mauvaise interprétation.
Pour cela, après un bref rappel de quelques principes de dynamique des structures, les différents types d'essais de vibrations sont évoqués de manière à mettre en évidence leurs spécificités tant dans les paramètres de mesure que dans le traitement des résultats.
Les différents constituants d'une chaîne d'acquisition sont ensuite détaillés car il est nécessaire de comprendre les avantages et les inconvénients des divers matériels pour faire un choix adapté. L'interprétation des résultats de mesure est une étape indispensable car on ne peut exploiter que ce que l'on sait interpréter.
À titre d'information, la chronologie d'un essai de vibrations est retracée, ce qui permet de restituer chaque étape dans un cadre concret.
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Les différents types d’essais de vibrations
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1. Quelques rappels de dynamique des structures
Avant d'entrer dans le vif des essais dynamiques, il semble intéressant de rappeler, même rapidement, quelques bases de la théorie. Pour une description plus approfondie des équations en général et des paramètres effectifs en particulier, le lecteur voudra bien se reporter aux références [1] et [2] dont le paragraphe suivant n'est qu'une synthèse pratique rappelant les éléments essentiels.
Parmi les manières de modéliser le comportement dynamique d'une structure, l'approche par superposition modale est actuellement l'une des plus utilisées. La structure étudiée est représentée comme la superposition de modèles simples à un degré de liberté.
1.1 Le système à un degré de liberté
Si l'on considère une masse m fixée à un ressort de raideur k, lui-même encastré au sol, ce système n'a qu'un degré de liberté de déplacement (dans l'axe du ressort) et possède une fréquence de résonance f 0 qui est donnée par l'équation classique :
avec
Cela signifie que, si la base encastrée du ressort est excitée à cette fréquence, la masse aura, en théorie, un mouvement d'amplitude infiniment grande. Dans la pratique, afin de tenir compte de l'énergie dissipée lors du mouvement, il est nécessaire d’ajouter au modèle masse-ressort un troisième élément qui est un amortisseur (coefficient d’amortissement c).
L'ensemble, schématisé à la figure 1 a , donne le modèle le plus simple permettant de représenter le comportement dynamique d'une structure. L'amortissement relatif est donné...
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Quelques rappels de dynamique des structures
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - IMBERT (J.-F.) - Analyse des structures par éléments finis - , 3e édition, Cepadues (1991).
-
(2) - GIRARD (A.) - Dynamique des structures. Techniques d’analyse et d’essais B 5 150 - . Techniques de l’Ingénieur, traité Génie mécanique (1997).
-
(3) - GIRARD (A.), DUPUIS (P.-E.), BUGEAT (L.-P.) - Improved schock characterization - . European Conference on Spacecraft Structures, Materials and Mechanical Testing, Braunsghweig, Allemagne (4-6 novembre 1998).
-
(4) - DUPUIS (P.-E.) - Recalage et optimisation de modèles éléments finis en dynamique avec amortissement - . Thèse de doctorat de l’École nationale supérieure de l’aéronautique et de l’espace, Toulouse (juin 1992).
-
(5) - BENDAT (J.-S.), PIERSOL (A.G.) - Random Data : analysis and measurement procedures - . John Wiley & Sons (1971).
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NORMES
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Normes fondamentales. Vocabulaire international des termes fondamentaux et généraux de métrologie - NF X 07-001 - 12.1994
-
Relations clients - fournisseurs. Qualité des essais. Lignes directives pour demander et organiser des essais. - NF X 50-142 - 12.1990
-
Recueils de normes françaises « Chocs et vibrations mécaniques » 3 e éd. - NF X 50-142 - 1987
-
Recueils de normes françaises « Essais et analyses. Maîtriser la conception et la réalisation ». - NF X 50-142 - 1998
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Annexe : Traitement du signal. - GAM-EG-13 - 11.1995
ANNEXES
Les caractéristiques de quelques capteurs commerciaux courants sont données dans les tableaux 2, 3 et 4.
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