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Essais & Simulations n°104-105

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Dossier : Essais virtuels

Applications

Applications Industrielles Chocs et vibrations Apport de la simulation lors d’un essai de qualification L’objectif de cette présentation est d’illustrer l’intérêt de mener des simulations numériques en parallèle avec des essais de qualification en vibrations : - avant l’essai, la simulation permet de préparer et d’anticiper au mieux les difficultés liées à ce type d’essai. En particulier, le comportement de l’équipement fixé sur le pot vibrant peut être rendu similaire à celui observé sous avion par la conception d’un outillage souple dédié (servant d’interface entre le lance-missiles et l’excitateur) ; - pendant l’essai, cette approche permet de calculer des informations non disponibles directement par la mesure (efforts, accélérations, contraintes, déplacements…) et permet une meilleure surveillance et un meilleur pilotage de l’essai. Mots-clés Qualification, chocs de catapultage, chocs d’appontage, vibrations, lance-missiles, Meteor, Rafale. La démarche adoptée par Dassault Aviation pour la qualification d’un matériel à l’environnement mécanique (chocs d’appontage et de catapultage sur porte-avions et vibrations en vol) se décompose en 2 phases : - un essai statique pour démontrer la tenue des interfaces et de la structure primaire aux basses fréquences (< 30 Hz) ; - un essai sur excitateur électrodynamique pour démontrer la tenue de la sous-structure et des équipements ainsi que leur bon fonctionnement (entre 10 et 2 000 Hz). Pour cette dernière phase de qualification, des problèmes de représentativité des essais sur pot vibrant se posent (représentativité insuffisante des interfaces, comportement modal différent…), en particulier pour des structures de grandes tailles comme un lance-missiles, exemple retenu dans cet article. Introduction Contexte Lors de l’intégration d’un nouveau moyen d’emport sous avion d’armes (comme DR Figure 2 : essai statique du lance-missiles Meteor. ici le lance-missiles Meteor sous voilure, cf. figure 1), il est nécessaire de qualifier le matériel à son environnement. La détermination de cet environnement se fait par une démarche de personnalisation utilisant des mesures réalisées en vol sous avion et des simulations pour extrapoler aux limites du domaine de vol [1] et [2]. Pour la partie mécanique, cet environnement comprend les efforts et accélérations statiques, vibrations en vol et chocs d’appontage – catapultage. DR Figure 1 : lance-missiles et missile Meteor sur Rafale. La tenue de la structure aux efforts (basses fréquences, inférieures à 30 Hz) vus lors des différentes phases de vol et incluant la partie quasi-statique des chocs d’appontage – catapultage est démontrée lors d’un essai statique sur E SSAIS & S IMULATIONS ● OCTOBRE, NOVEMBRE, DÉCEMBRE 2010 ● PAGE 34

Applications Industrielles portique (figure 2). La structure est alors sollicitée par des vérins. Dans cet article, nous nous intéressons plus spécifiquement à la qualification de ce lance-missiles aux chocs et vibrations et à l’apport d’une approche complémentaire par simulations. La qualification aux chocs et vibrations a pour objectif de démontrer la tenue de la sousstructure et le bon fonctionnement des équipements internes au lance-missiles (contacteurs, boîtiers électroniques divers, mécanismes…), la tenue de la structure étant précédemment démontrée par un essai statique. DR Figure 3 : lance-missiles Meteor. Les dimensions importantes de l’ensemble et le type d’interface (relativement souple) avec l’avion rendent complexe la mise en œuvre d’un tel essai sur excitateur électrodynamique. La problématique est en effet de reproduire un comportement proche de ce que l’on verrait sur avion. Un excitateur ne présente pas la même souplesse qu’une voilure de Rafale, on verra donc comment, grâce à des simulations numériques réalisées avant les essais, il a été possible de concevoir une interface souple, que nous nommons dans la suite “outillage”, permettant d’obtenir sous bâti le même comportement dynamique de l’ensemble que sous avion. Grâce à des simulations numériques réalisées avant les essais, il a été possible d’obtenir sous bâti le même comportement dynamique de l’ensemble que sous avion. Malgré l’outillage, il reste nécessaire d’être très attentif au déroulement des essais de qualification en temps réel. Une instrumentation en jauges d’efforts demande un étalonnage souvent com- “ plexe et coûteux à mettre en œuvre, voire même impossible à réaliser techniquement sur des pièces massives. Nous verrons dans la seconde partie de cet article comment la simulation a permis de contrôler l’essai en temps réel, avec uniquement des accéléromètres, et d’accéder à des informations non disponibles directement par la mesure. Description du lance-missiles et de l’instrumentation Ce paragraphe présente brièvement le lance-missiles afin d’appréhender toute la problématique de l’essai liée à la définition même du matériel à tester. Ce lance-missiles est un emport fixé sur Rafale permettant le tir sur rail du missile air-air Meteor. Contrairement à un équipement de petite taille fixé rigidement et équilibré sur ses appuis, ce lance-missiles, comme la plupart des emports sous avion, est fixé en porte-à-faux sur avion à l’aide de 2 attaches seulement (figure 3). La longueur de l’ensemble lance-missiles + missile est d’environ 3,70 m pour une masse de 230 kg. DR Figure 4 : processus itératif de conception de l’interface. Lors des essais en vol sur avion (campagnes de chocs d’appontage – catapultage sur le porte-avions Charlesde-Gaulle, mesures lors des différentes phases de vol), le lance-missiles a été instrumenté en accéléromètres exploitables jusqu’à ” 2 000 Hz aux emplacements les plus critiques (équipements, mécanismes…) pour ce qui est de la qualification aux chocs et vibrations. L’exploitation de ces accéléromètres et la réalisation de simulations pour compléter les mesures ont permis de définir une spécification personnalisée en différents points du lancemissiles. Apport de la simulation pour optimiser la représentativité de l’essai Conception de l’outillage d’interface Un des risques des essais sur excitateur électrodynamique réside dans la difficulté à disposer d’une interface représentative. En effet, un bâti d’essai peut être considéré comme infiniment rigide (au moins jusqu’à 400 Hz). Cette rigidité a des conséquences gênantes dans le cas qui nous intéresse : - les premiers modes de l’ensemble sur le bâti sont plus hauts en fréquences que sur avion (raideur d’ancrage supérieure à celle de l’avion) ; - les déformées modales peuvent être différentes ; - la répartition des efforts peut être E SSAIS & S IMULATIONS ● OCTOBRE, NOVEMBRE, DÉCEMBRE 2010 ● PAGE 35

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