Meta-models of repeated dissipative joints for damping design phase

Developing tools to predict dissipation in mechanical assemblies starting from the design process is a subject of increasing interest. Design phases imply numerous computations resulting from the use of families of models with varying properties. Model reduction is thus a critical tool to make such design studies affordable. Existing model reduction methods make computation of models with detailed non-linear parts accessible although costly although allowing the generation of a small size model for the linear part. One is, thus, interested in introducing meta-models of the behavior in the non-linear part by determining a basis of principal joint deformations. In this work, one seeks to validate the ability to predict macro-forces associated with the principal deformation shapes. Taking the case of aeronautic structures as cylindrical ones with multiple joints, one seeks to validate the construction of a meta-model associated to the joint. The ability to use such a meta-model to predict damping associated with viscoelastic behavior in a specifically designed bolted joint will be illustrated

Reduced joint models for damping design of multi-jointed structures

− Design of damping in multi-jointed structures is studied here. − Dissipation sources are viscoelastic behavior and contact/friction at joints interfaces. − Reduction on meta-models of nonlinear joints models is investigated. − Experimental characterization of nonlinear forces

Conception et validation d’une liaison boulonnée dissipative

On présente ici une méthodologie de conception d’une liaison boulonnée dissipative ainsi que sa validation par une étude expérimentale. Un premier calcul statique permet de caractériser la zone de compression induite à l’interface par le serrage. Cette zone contribue seule à la tenue statique de la liaison et est conservée en liaison métallique. On justifie ensuite l’intérêt d’introduire une couche de matériau viscoélastique dans le reste de la surface de contact. La réalisation expérimentale permet de montrer des augmentations d’amortissement d’un facteur supérieur à trois pour les modes globaux et illustre les difficulités liées aux défauts de forme des surface de contact. On montre enfin comment les performances peuvent être optimisées numériquement

Intégration de modèles de jonctions dissipatives dans la conception vibratoire de structures amorties

Dissipation in mechanical systems plays an important role in limiting vibrationlevels. The present work deals with maximizing damping induced by junctions and treatsjunctions integrated into an overall structure. After introducing the physical models used inrepresenting viscoelastic behavior, a first example introduces the concept of coupling. Coupling,estimated by preliminary calculations of elastic natural frequencies sensitivity, ensures thatjunctions sufficiently contribute to the global behavior to induce damping. To study this couplingas well as obtain accurate damping predictions by complex modes calculation, model reductionmethods, adapted to parameterized problems, are needed and different strategies are detailedand validated. A structure representing aeronautic construction is then used to illustrate theproposed damping design process. The study highlights the functional importance of thecohesive zone under the bolt and the possibility of using the residual flexibility of the joint tointroduce a viscoelastic layer enabling high damping. Experimental modal tests confirm thevalidity of the design and the predicted trends, but also show the influence of manufacturingdefects which limit the induced damping. The manuscript finally addresses the need forrepresentative models of detailed joints in overall models. Although model reduction is possibleand desirable, the construction of meta-models representing the main forces transmitted by thejoints is useful in modeling and necessary for the operation of elementary tests. Generalstrategies for defining principal deformations and loads are introduced and their validity isillustrated.La dissipation dans les systèmes mécaniques joue un rôle important dans la limitation des niveaux de vibrations qui peuvent causer des difficultés allant de l'inconfort jusqu'à la ruine des structures. L'amortissement intrinsèque des matériaux utilisés pour la fabrication de structures aéronautiques étant très faible, les jonctions représentent une des sources principales de dissipation. Dans le cadre du projet FUI MAIAS (Maitrise des Amortissements Induits dans les ASsemblages), les travaux présentés ici portent sur la maximisation de l'amortissement induit. Une grande partie des travaux de littérature s'intéressent à l'étude de jonctions élémentaires. On cherche donc ici à étudier la conception de jonctions dissipatives intégrées dans une structure globale. Pour limiter les applications, on se restreint plus particulièrement aux jonctions boulonnées rencontrées en construction aéronautique et à l'utilisation de matériaux viscoélastiques pour générer la dissipation.Une notion de couplage pour la mesure de la capacité des liaisons à dissiper est introduite pour s'assurer de leurs contributions au comportement vibratoire. En utilisant le couplage en tant que mesure de sensibilité des jonctions aux propriétés des matériaux viscoélastiques, en plus de l'étude de la tenue fonctionnelle d'une liaison boulonnée, une approche de conception de jonction boulonnée dissipative est alors développée. Une étude expérimentale est ensuite effectuée pour la valider. Lors de la compagne d‘essais, des défauts de forme ont été détectés dans la structure. L'influence de ces défauts, susceptibles d'exister dans les structures réelles, sur l'amortissement est alors décrite. L'intégration pour un grand nombre de modèles physiques, détaillés au voisinage des jonctions, dans un modèle d'ensemble est généralement une problématique. Une représentation simplifiée s'avère être alors nécessaire. Une réduction de modèle peut être alors appliquée sur la partie linéaire du système. Cependant, pour les non-linéarités localisées au niveau des jonctions, une construction de méta-modèle caractérisant les efforts transmis dans les liaisons est alors proposée. Différentes stratégies de construction de méta-modèle, reproduisant les déformations et les efforts principaux de liaisons, sont proposées et étudiées en supposant des liaisons à comportement viscoélastique. Un modèle cylindrique à dix jonctions boulonnées, plus représentatif de l'architecture réelle des structures aéronautiques est étudié pour illustrer le cas des liaisons répétées dont le chargement réel de chacune est beaucoup plus complexe que les structures simples couramment étudiées

Integration of dissipative joints models in the vibratory design of damped structures

La dissipation dans les systèmes mécaniques joue un rôle important dans la limitation des niveaux de vibrations qui peuvent causer des difficultés allant de l'inconfort jusqu'à la ruine des structures. L'amortissement intrinsèque des matériaux utilisés pour la fabrication de structures aéronautiques étant très faible, les jonctions représentent une des sources principales de dissipation. Dans le cadre du projet FUI MAIAS (Maitrise des Amortissements Induits dans les ASsemblages), les travaux présentés ici portent sur la maximisation de l'amortissement induit. Une grande partie des travaux de littérature s'intéressent à l'étude de jonctions élémentaires. On cherche donc ici à étudier la conception de jonctions dissipatives intégrées dans une structure globale. Pour limiter les applications, on se restreint plus particulièrement aux jonctions boulonnées rencontrées en construction aéronautique et à l'utilisation de matériaux viscoélastiques pour générer la dissipation.Une notion de couplage pour la mesure de la capacité des liaisons à dissiper est introduite pour s'assurer de leurs contributions au comportement vibratoire. En utilisant le couplage en tant que mesure de sensibilité des jonctions aux propriétés des matériaux viscoélastiques, en plus de l'étude de la tenue fonctionnelle d'une liaison boulonnée, une approche de conception de jonction boulonnée dissipative est alors développée. Une étude expérimentale est ensuite effectuée pour la valider. Lors de la compagne d‘essais, des défauts de forme ont été détectés dans la structure. L'influence de ces défauts, susceptibles d'exister dans les structures réelles, sur l'amortissement est alors décrite. L'intégration pour un grand nombre de modèles physiques, détaillés au voisinage des jonctions, dans un modèle d'ensemble est généralement une problématique. Une représentation simplifiée s'avère être alors nécessaire. Une réduction de modèle peut être alors appliquée sur la partie linéaire du système. Cependant, pour les non-linéarités localisées au niveau des jonctions, une construction de méta-modèle caractérisant les efforts transmis dans les liaisons est alors proposée. Différentes stratégies de construction de méta-modèle, reproduisant les déformations et les efforts principaux de liaisons, sont proposées et étudiées en supposant des liaisons à comportement viscoélastique. Un modèle cylindrique à dix jonctions boulonnées, plus représentatif de l'architecture réelle des structures aéronautiques est étudié pour illustrer le cas des liaisons répétées dont le chargement réel de chacune est beaucoup plus complexe que les structures simples couramment étudiées.Dissipation in mechanical systems plays an important role in limiting vibrationlevels. The present work deals with maximizing damping induced by junctions and treatsjunctions integrated into an overall structure. After introducing the physical models used inrepresenting viscoelastic behavior, a first example introduces the concept of coupling. Coupling,estimated by preliminary calculations of elastic natural frequencies sensitivity, ensures thatjunctions sufficiently contribute to the global behavior to induce damping. To study this couplingas well as obtain accurate damping predictions by complex modes calculation, model reductionmethods, adapted to parameterized problems, are needed and different strategies are detailedand validated. A structure representing aeronautic construction is then used to illustrate theproposed damping design process. The study highlights the functional importance of thecohesive zone under the bolt and the possibility of using the residual flexibility of the joint tointroduce a viscoelastic layer enabling high damping. Experimental modal tests confirm thevalidity of the design and the predicted trends, but also show the influence of manufacturingdefects which limit the induced damping. The manuscript finally addresses the need forrepresentative models of detailed joints in overall models. Although model reduction is possibleand desirable, the construction of meta-models representing the main forces transmitted by thejoints is useful in modeling and necessary for the operation of elementary tests. Generalstrategies for defining principal deformations and loads are introduced and their validity isillustrated

Numerical investigation of static behavior of bolted joints

This paper investigates the static behavior of bolted joints and the extent of its control in the design of assembled structures. An analysis method is thus first developed highlighting stresses distribution in the junction to dimension the functional performance area. A description of the joint characteristics is presented. Numerical simulations, comparing the complete and simplified finite element models relevance, are then carried out. The integration of results of this analysis in the design of multiple bolted joints structures in finally presented. Experiments on a testbed, where a viscoelastic material is introduced in joints interfaces to enhance global damping, validate the approach developed

Meta-models of repeated dissipative joints for damping design phase

International audienceDeveloping tools to predict dissipation in mechanical assemblies starting from the design process is a subject of increasing interest. Design phases imply numerous computations resulting from the use of families of models with varying properties. Model reduction is thus a critical tool to make such design studies affordable. Existing model reduction methods make computation of models with detailed non-linear parts accessible although costly although allowing the generation of a small size model for the linear part. One is, thus, interested in introducing meta-models of the behavior in the non-linear part by determining a basis of principal joint deformations. In this work, one seeks to validate the ability to predict macro-forces associated with the principal deformation shapes. Taking the case of aeronautic structures as cylindrical ones with multiple joints, one seeks to validate the construction of a meta-model associated to the joint. The ability to use such a meta-model to predict damping associated with viscoelastic behavior in a specifically designed bolted joint will be illustrated

Conception et validation d'une liaison boulonnée dissipative

On présente ici une méthodologie de conception d'une liaison boulonnée dissipative ainsi que sa validation par une étude expérimentale. Un premier calcul statique permet de caractériser la zone de compression induite à l'interface par le serrage. Cette zone contribue seule à la tenue statique de la liaison et est conservée en liaison métallique. On justifie ensuite l'intérêt d'introduire une couche de matériau viscoélastique dans le reste de la surface de contact. La réalisation expérimentale permet de montrer des augmentations d'amortissement d'un facteur supérieur à trois pour les modes globaux et illustre les difficulités liées aux défauts de forme des surface de contact. On montre enfin comment les performances peuvent être optimisées numériquement

Reduced joint models for damping design of multi-jointed structures

− Design of damping in multi-jointed structures is studied here. − Dissipation sources are viscoelastic behavior and contact/friction at joints interfaces. − Reduction on meta-models of nonlinear joints models is investigated. − Experimental characterization of nonlinear forces