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RÉSUMÉ
Après l’introduction de quelques grandeurs physiques nécessaires à l’approche, cet article expose un certain nombre de méthodes de modélisation des phénomènes vibratoires des structures industrielles, qui viennent soit prédire, soit étayer une approche expérimentale qui reste malgré tout incontournable. Ainsi, pour guider le concepteur, l'installateur et l'exploitant, un ensemble d’outils existent, qu’ils soient conceptuels (méthodes), ou matériels (moyens d'analyse et d'essais). Ces approches qualitatives et quantitatives conduisent à plusieurs schémas de représentation des phénomènes vibratoires : calculs par éléments finis, méthodes énergétiques, schématisation masses-ressorts.
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Bernard GARNIER : Ingénieur civil de l'École nationale des ponts et chaussées - Directeur technique opérations à la société THALES Underwater Systems
INTRODUCTION
Le présent article fait le choix délibéré d'exposer d'abord un certain nombre de méthodes de modélisation et prédiction des phénomènes vibratoires (§ 1 à ), avant de décrire les approches expérimentales, considérant qu'aujourd'hui la pratique de l'ingénieur se doit de privilégier le prédictif au curatif. La maturité des approches décrites est telle que tout problème convenablement posé, moyennant l'introduction des quelques grandeurs physiques nécessaires, peut trouver sa solution par calcul, l'essai n'étant bien souvent effectué qu'à titre de contrôle, ou encore substitué au calcul parce que plus économique. Inversement, un essai seul ne permet pas en général d'interpréter les observations, souvent fort complexes, de l'état vibratoire d'une structure industrielle, et une modélisation doit l'accompagner et le soutenir, prédire le cas échéant l'effet de modifications et guider ainsi le concepteur, l'installateur et l'exploitant.
Mais, dans le cas où un doute subsiste entre prévision et réalité, le résultat expérimental, s'il peut être atteint et n'est pas contestable, ne peut que s'imposer à l'ingénieur. C'est donc l'objet du paragraphe 7 et de l'article Capteurs industriels de vibration [R 6 193] que de présenter l'ensemble des moyens de mesure et d'essai offerts par le marché, puis, dans le fascicule [R 6 192] Vibrations des structures industrielles. Outils et méthodes d'analyse expérimentale, les techniques de traitement du signal et de l'information et quelques critères.
On décrit ci-après un ensemble d'« outils », qu'il s'agisse d'outils conceptuels, donc de méthodes, ou d'outils matériels, donc de moyens d'analyse et d'essais, sachant que l'ingénieur, appelé en général à titre curatif, doit non seulement constater un désordre bien précis (diagnostic), mais aussi spécifier des solutions correctives : il lui faut alors faire appel à des schémas de représentation des phénomènes vibratoires qui lui permettront, qualitativement ou quantitativement, d'identifier les phénomènes physiques à maîtriser et d'évaluer l'efficacité des solutions techniques correspondantes, avant toute modification.
Les paramètres en jeu sont en effet nombreux : cela interdit de rechercher des palliatifs à force d'essais qui se révèlent infructueux, comme l'attestent encore trop souvent les retards et les surcoûts finalement considérables de la mise au point de certains prototypes, lorsqu'une analyse dynamique appropriée n'est pas conduite en temps opportun.
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Visualisation directe des vibrations
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6. Approche par maquettage à échelle réduite
Malgré les progrès de la simulation numérique, l'expérimentation reste indispensable dans de nombreuses situations, sans pour autant qu'on puisse la pratiquer sur la structure réelle : la solution est alors de constituer un objet simplifié, éventuellement à une échelle plus commode ou conduisant à une réalisation plus économique, ou à partir de matériaux meilleur marché et plus faciles à mettre en œuvre. On demandera alors exclusivement à cet objet simplifié, ou « maquette », de présenter les mêmes propriétés dynamiques que son homologue réel.
c'est ainsi que des raisons de sécurité évidentes conduisent à étudier la dynamique de propulseurs à poudre avec des maquettes en matériaux inertes dynamiquement semblables. De même, des raisons de disponibilité et d'indépendance vis-à-vis des contraintes opérationnelles conduisent à étudier la dynamique des structures navales sur des maquettes ou tronçons parfois à l'échelle 1, plutôt que sur des unités en service à la Marine. Les structures réelles ne font l'objet que des quelques tests dits de « référence », pour garantir la pertinence des travaux conduits sur les maquettes.
6.1 Lois de similitude
La plupart des phénomènes vibratoires sont indépendants de la pesanteur (exception faite des oscillations pendulaires, de la houle ou du ballottement des fluides dans des réservoirs), et la similitude géométrique est a priori l'approche qui garantit le mieux l'identité des comportements entre la structure réelle et la maquette en matière de vibrations et de bruit. Nous donnons au tableau 2 les facteurs de similitude à appliquer sur les diverses grandeurs vibratoires en fonction du facteur de similitude géométrique.
Cette approche suppose de conserver les mêmes matériaux que ceux de la structure réelle. Toutefois, seuls le module d'Young E, la masse volumique ρ et le coefficient de Poisson ν importent en fait ; on peut alors, sauf pour des travaux de vérification de la tenue ultime au séisme ou en fatigue, utiliser des nuances d'alliages plus communes (en particulier, de moindre limite élastique).
À cette condition, des objets géométriquement homothétiques se correspondent par des lois de similitude en général bien vérifiées...
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Approche par maquettage à échelle réduite
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - GARNIER (B.) - Isolation antivibratoire et antichoc – Définitions, Principes physiques - [B 5 140]. Base documentaire Bruit et vibrations (1994).
-
(2) - PLUSQUELLEC (J.) - Vibrations - [A 410]. Base documentaire Physique - Chimie (1991).
-
(3) - SOIZE (C.) - Méthodes d'études des problèmes classiques de dynamiques stochastiques - [A 1 346]. Base documentaire Archives Matériaux (1988).
-
(4) - GARNIER (B.) - Vibrations des structures industrielles. Notions de physique des vibrations - [R 6 190]. Base documentaire Mesures mécaniques et dimensionnelles (2009).
ANNEXES
STRUCOME 88 - * - Congrès international. Calcul des structures, CAO et mesures, Paris, Hermès, 2 vol. : vol. 1, p. 568, nov. 1988.
STRUCOME 88 - * - Congrès international, Paris, Hermès, 2 vol. : vol. 1, p. 291, nov. 1988.
STRUCOME 88 - * - Congrès international, Paris, Hermès, 2 vol. : vol. 2, p. 841, nov. 1988.
STRUCOME 88 - * - Congrès international, Paris, Hermès, 2 vol. : vol. 2, p. 833, nov. 1988.
Mécanique, Matériaux, Électricité. - Journal du GAMI (groupement pour l‘avancement de la mécanqiue industrielle), ISMCM Saint-Ouen, no 415, p. 65.
Mécanique, Matériaux, Électricité. - Journal du GAMI, ISMCM Saint-Ouen, no 424, p. 7.
Mécanique, Matériaux, Électricité. - Journal du GAMI, ISMCM Saint-Ouen, no 424, p. 30.
DUVAL (P.) - Iceberg contre plate-forme offshore. - Le courrier du CNRS, no 71, p. 79, été 1988.
ROCARD (Y.) - L'instabilité en mécanique. - Masson (1954).
GOYDER (H.G.D.), WHITE (R.G.) - Vibrational power flow from machines into built-up structures. - Journal of Sound and Vibrations (JSV), 68 (1) (1980).
LESUEUR (C.) et al - Rayonnement acoustique des structures. - Éditions Eyrolles, Collection DER-EDF (1988).
LYON (R.H.) - Statistical energy analysis of dynamical systems. - MIT Press, Cambridge (USA) (1975).
BERANEK (L.) - Noise and vibration control. - McGraw-Hill [1971 ; revised edition, (Institute of...
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