Bibliographie & annexes
Présentation
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RÉSUMÉ
Toute fluctuation de charge, de débit, de vitesse, toute irrégularité de mouvement des pièces d'une installation peut constituer une source d'excitation vibratoire de la structure. Ces perturbations sont susceptibles d'avoir des conséquences plus ou moins importantes sur la sûreté de fonctionnement du bâti, sa tranquillité de marche, sa durée de vie. Dans le cas de constructions industrielles, cela peut également troubler la régularité de la production ainsi que la santé des opérateurs concernés. Pour maîtriser réellement ces vibrations, qu'elles interviennent depuis la phase de projet jusqu'à l'exploitation de la structure, il est nécessaire de connaître les paramètres à prendre en compte ainsi que les modèles de représentation. Ainsi, il est possible d'effectuer des actions correctives soit pour supprimer des vibrations non souhaitées, soit pour remédier à la dégradation de la structure. Cet article présente les techniques à appliquer, ainsi que des cas pratiques pour comprendre les méthodes en situation réelle.
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Bernard GARNIER : Ingénieur civil de l'École nationale des ponts et chaussées - Consultant, BlueSolutions
INTRODUCTION
Le présent article présente des stratégies de maîtrise des vibrations, à différentes étapes du développement et de la vie d'une installation ou d'un produit industriel. Cinq qualités, techniques et humaines, peuvent être affectées en cas de problème de vibrations dans un contexte industriel ; ce sont :
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la sûreté ou au moins la sécurité de fonctionnement ;
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la tranquillité de marche ;
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la régularité de la production ;
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la durée de vie de la structure et de ses composants ;
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l'endurance et la santé des opérateurs au poste de travail.
Ces qualités, qui doivent pouvoir être quantifiées, sont à prendre en compte dès le projet, lors de la mise au point et durant l'exploitation de la structure, jusqu'à sa révision ou sa mise en réforme. Du bilan complet de fonctionnement d'une structure, il est possible d'estimer la part technique et le coût correspondant imputable aux effets vibratoires indésirables.
Des exemples d'interventions concrètes pour maîtriser les vibrations sont présentés aux paragraphes 3 à 5. Ils pourraient être beaucoup plus nombreux, car les vibrations sont omniprésentes. En effet, toute fluctuation de charge, de débit, de vitesse, toute irrégularité de mouvement des pièces d'une installation constituent une source d'excitation vibratoire des structures avoisinantes, d'autant plus riche et intense que cette fluctuation est rapide. Des chocs brefs peuvent, eux, exciter toutes les fréquences propres d'une structure.
Les réponses structurales, utiles à connaître, dépendent de la situation des fréquences propres dans le spectre, mais :
-
d'une part, les paramètres descriptifs d'une structure ne sont pas toujours faciles à dénombrer : évalués par excès, ils font état de modes physiquement inexistants ; évalués par défaut, ils omettent l'existence de modes moins manifestes relatifs à des paramètres cachés ;
-
d'autre part, le modèle représentatif, faisant presque toujours l'hypothèse d'une structure linéaire, reste d'une fidélité incertaine, à déterminer, cas par cas, dans le cas de non-linéarités, faibles ou fortes, mais souvent présentes.
De telles difficultés rencontrées en pratique sont décrites ici, ainsi que les solutions mises en œuvre.
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Conclusion
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5. Étude de cas 3 : amélioration d’un découplage antivibratile
Ce troisième exemple est emprunté au domaine ferroviaire. Nous avons été appelés par la RATP pour remédier à des ruptures fréquentes affectant les supports des capteurs magnétiques de signalisation implantés en porte-à-faux sur les bogies de matériels roulants ; il est à noter que cette rupture intervenait malgré l’effet filtrant attendu des découplages mécaniques (anneaux d’élastomère) interposés entre le corps du bogie et la poutre porte-capteurs (figure 15).
Il convenait d’abord de caractériser l’ambiance vibratoire présente sur le corps de bogie dans les conditions normales d’opération. Le spectre de ces vibrations est apparu beaucoup plus timbré que l’on ne l’aurait attendu, en raison probablement d’une réponse modale du corps de bogie aux chocs de roulement (figure 16).
Parallèlement, nous avons procédé à l’analyse dynamique des poutres porte-capteurs en conditions libres (puisqu’elles sont découplées mécaniquement dans leur contexte d'emploi, elles peuvent être caractérisées indépendamment de leur environnement).
Compte tenu de ces deux données, il est apparu nécessaire de modifier les éléments de découplage proprement dits, qui déterminent le transfert effectif entre les vibrations des bogies et les poutres. On a préconisé une nouvelle suspension et vérifié par un calcul de synthèse que la réponse vibratoire de la poudre serait, cette fois, très en deçà de ses limites de résistance en fatigue.
Les essais finals l’ont confirmé. Il est intéressant de signaler que l’on s’est servi du modèle par éléments finis pour déduire, des accélérations mesurées, les niveaux de contraintes mécaniques dans les éléments trop difficiles à instrumenter en jauges de contraintes (figure 17).
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Étude de cas 3 : amélioration d’un découplage antivibratile
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - BOISSEAU (J.F.) - Amortisseur de vibrations réglable - Rech. Aérosp. n° 2 (mars-avril 1970).
-
(2) - DUPERRAY (B.) - Contrôles passifs et actifs de la vibration des structures mécaniques - Entretiens Science et Défense 90, tome I, p. 422, DGA, Dunod (1990).
-
(3) - MARCELIN (J.) - Optimisation des vibrations des structures mécaniques - Cépadues (2003).
-
(4) - MALBURET (F.), KRYSINSKI (T.) - Contrôle des vibrations mécaniques - Hermès Lavoisier (2003).
-
(5) - MOREL (J.) - Vibrations des machines et diagnostic de leur état mécanique - Eyrolles (1991).
-
(6) - VENIZELOS (G.) - Vibrations des structures - Ellipses (2002).
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DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
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Isolation antivibratoire et antichoc – Définitions. Principes physiques
-
Vibrations des structures industrielles – Notions de physique des vibrations
-
Vibrations des structures industrielles – Outils de modélisation, de prédiction et d'interprétation
-
Vibrations des structures industrielles – Outils et méthodes d'analyse expérimentale
ANNEXES
Publications de l'ONERA (Office national d'études et de recherche aérospatiales) sur le site de l'ONERA http://www.onera.fr/synindex/controle-des-vibrations.html
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