Essais & Simulations 144

DOSSIER hydraulique 6

DOSSIER hydraulique 6 axes de l’Equipex PHARE (ANR-10-EQPX-43), moyen d’essai vibratoire unique dans la recherche publique, dont s’est doté le LaMCoS, offrant une force de 62kN en dynamique sur une plage fréquentielle de 0 à 250Hz (figure 1). Pour les ensembles mécaniques, la plupart des normes spécifient une succession d’essais mono-axiaux qui ont deux inconvénients majeurs. Dans leurs conditions opérationnelles, les équipements embarqués vont subir des sollicitations qui sont par nature multi-axiales. Or la qualification des équipements en mono-axe ne permet pas d’observer l’influence des couplages entre les axes et risque ainsi de cacher des endommagements pouvant se produire dans les conditions réelles de vie du produit. C’est notamment le cas des pièces avec jeux ou des équipements emportant du fluide. Aussi, les qualifications avec des sollicitations mono-axiales conduisent à augmenter les critères de sécurité dans le dimensionnement des structures. En effet, les contraintes maximales à appliquer sur chaque axe sont surestimées par rapport aux contraintes vues réellement par la structure en opération, afin de compenser la perte de couplage entre les axes. Ceci entraîne un surdimensionnement des structures pouvant être critique Les essais vibratoires multi-axiaux présentent donc un intérêt majeur : le LabCom AdViTAM s’est appuyé sur l’excitateur hydraulique 6 axes de l’Equipex Phare afin de mener des campagnes d’essais multi-axiales. dans les domaines avec un objectif de masse (aéronautique ou spatial notamment). Les essais vibratoires multi-axiaux présentent donc un intérêt majeur : le LabCom AdViTAM s’est appuyé sur l’excitateur hydraulique 6 axes de l’Equipex Phare afin de mener des campagnes d’essais multi-axiales. EXEMPLE D’APPLICATION SUR ROTOR EMBARQUÉ Un des objectifs étant d’allier des possibilités de simulation dynamique des équipements embarqués au potentiel d’essais offert par l’excitateur 6 axes, un banc d’essai de rotor monté sur palier hydrodynamique a été conçu. Présenté à la figure 2, il est composé d’un arbre en acier, de deux disques, de deux paliers hydrodynamiques, d’un accouplement flexible et d’un moteur électrique à courant continu. Le moteur et les paliers hydrodynamiques sont montés sur une plaque considérée infiniment rigide et le tout rigidement arrimé sur la face supérieure de l’excitateur. Pour avoir accès à la dynamique de l’arbre, le rotor est instrumenté avec plusieurs types de capteurs. On s’intéressera dans la suite aux deux plans de mesures radiales composés chacun de deux capteurs de proximité à courant de Foucault pour tracer les orbites de l’arbre. Figure 2 : Rotor monté sur l’excitateur hydraulique 6-axes 30 I ESSAIS & SIMULATIONS • N°144 • février-mars-avril 2021

DOSSIER Dans sa version linéarisée, le modèle a été validé par des essais en base mobile. La simulation numérique de la dynamique du rotor a ainsi pu être démontrée en termes d’orbites et de spectres complets. Afin d’établir des comparaisons calcul/mesure, ce banc d’essais a été modélisé tout d’abord dans une version linéarisée autour de la position d’équilibre statique (pour des sollicitations par la base à des niveaux d’accélération raisonnables), puis par l’intégration de lois non linéaires pour la corrélation dans des cas d’essais dits aggravés où les niveaux de sollicitations par la base sont augmentés progressivement. Dans sa version linéarisée, le modèle a été validé par des essais en base mobile avec des mouvements de translations et rotations multi-axiales de type harmonique, aléatoire et sinus balayé. La simulation numérique de la dynamique du rotor a pu être démontrée en termes d’orbites et de spectres complets. Une augmentation de la sévérité des excitations par la base a ensuite été appliquée afin de valider le modèle dans sa version non-linéaire, allant jusqu’à la mise en évidence de modes de défaillance. Les partenaires se sont tout particulièrement intéressés au phénomène de touche rotor-stator. Une bague de touche a ainsi été ajoutée au banc d’essai pour caractériser le contact, à 500 microns de l’arbre. La figure 3 présente une comparaison calcul-mesure des orbites en réponse à un balourd (positionné sur les disques) à une vitesse de 1700 tr/ min et à une excitation par la base de type sinus (à 14Hz) en translation horizontale. Cet essai a généré un contact unilatéral effectivement visible sur les orbites expérimentales et numériques fort similaires. Figure 3 : Comparaison simulation (rouge) – essais (bleu) des orbites obtenues pour un cas d’essai avec contact unilatéral. pu être observées numériquement sur les orbites de l’arbre et sur des spectres fréquentiels complets. Expérimentalement, une caméra rapide a été utilisée afin de visualiser d’une part la casse de l’accouplement (figure 4) et d’autre part l’inversion du sens de précession en plaçant la caméra en bout d’arbre. Ces travaux ont permis de progresser dans la prévision du comportement dynamique des rotors embarqués soumis à des sollicitations sévères de la base et dans la conduite et l’analyse d’essais spécifiques pour la fiabilisation des équipements. Dans le cas d’un système industriel, l’application des essais aggravés et multi-axiaux est rendue d’autant plus intéressante par le grand nombre de modes de défaillance pouvant se manifester. Conformément à l’essence même d’AdViTAM, les outils numériques et expérimentaux développés permettent potentiellement de modéliser et tester toute structure industrielle ● Des essais de type choc par la base en translation combinée verticale et horizontale ont également été réalisés, avec une augmentation progressive du niveau d’accélération, jusqu’à l’obtention d’un contact rotor-stator pour un choc de niveau 3g. Le contact a généré une inversion du sens de précession de l’arbre, passant d’une précession directe à une précession inverse, conduisant à freiner l’arbre et provoquant la destruction de l’accouplement moteur. Les instabilités et l’inversion du sens de précession ont Figure 4 : Observation de la casse de l’accouplement ©AdobeStock ESSAIS & SIMULATIONS • N°144 • février-mars-avril 2021 I31