OMA analysis of a launcher under operational conditions with time-varying properties

The objective of the paper is the investigation of the capability of Operational Modal Analysis approaches to deal with time-varying system in the low-frequency domain. Specifically, the problem of the identification of the dynamic properties of a launch-vehicle, working under actual operative conditions, is studied. Two OMA methods are considered: the Frequency Domain Decomposition and the Hilbert Transform Method. It is demonstrated that both OMA approaches allow the time-tracking of modal parameters, namely, natural frequencies, damping ratios and mode shapes, from the response accelerations only recorded during actual flight tests of a launcher characterized by a large mass variation due to fuel burning typical of the first phase of the flight

Caractérisation du comportement vibroacoustique des panneaux composites par la méthode des éléments finis ondulatoire

Les caractéristiques de dispersion des panneaux plats, composites sont prévues par une méthode des éléments finis ondulatoire.Les matrices de masse et de raideur sont calculées par une modélisation éléments finis classique et sont insérés dans un problème aux valeurs propres polynômial, dont les solutions correspondent aux nombres d'onde de la structure.La densité modale et l'efficacité de rayonnement de la structure sont estimées en utilisant les caractéristiques de propagation.La réponse vibroacoustique à large bande du panneau est calculée dans le cadre d'une analyse statistique énergétiqu

Prediction of the vibroacoustic response of aerospace composite structures in a broadband frequency range

Pendant sa mission, un lanceur est soumis à des excitations large bande, sévères, aérodynamiques, de provenances diverses, qui peuvent mettre en danger la survivabilité de la charge utile et de l équipement électronique du véhicule, et par conséquent le succès de la mission. Les structures aérospatiales sont généralement caractérisées par l utilisation de matériaux composites exotiques des configurations et des épaisseurs variantes, ainsi que par leurs géométries largement complexes. Il est donc d une importance cruciale pour l industrie aérospatiale moderne, le développement d outils analytiques et numériques qui peuvent prédire avec précision la réponse vibroacoustique des structures larges, composites de différentes géométries et soumis à une combinaison des excitations aéroacoustiques. Récemment, un grand nombre de recherches ont été menées sur la modélisation des caractéristiques de propagation des ondes au sein des structures composites. Dans cette étude, la méthode des éléments finis ondulatoires (WFEM) est utilisée afin de prédire les caractéristiques de dispersion des ondes dans des structures composites orthotropes de géométries variables, nommément des plaques plates, des panneaux simplement courbés, des panneaux doublement courbés et des coques cylindriques. Ces caractéristiques sont initialement utilisées pour prédire la densité modale et le facteur de perte par couplage des structures connectées au milieu acoustique. Par la suite, la perte de transmission (TL) à large bande des structures modélisées dans le cadre d une analyse statistique énergétique (SEA) dans un contexte ondulatoire est calculée. Principalement en raison de la complexité géométrique importante de structures, l utilisation des éléments finis (FE) au sein de l industrie aérospatiale est souvent inévitable. L utilisation de ces modèles est limitée principalement à cause du temps de calcul exigé, même pour les calculs dans la bande basses fréquences. Au cours des dernières années, beaucoup de chercheurs travaillent sur la réduction de modèles FE, afin de rendre leur application possible pour des systèmes larges. Dans cette étude, l approche de SOAR est adoptée, afin de minimiser le temps de calcul pour un système couplé de type structurel-acoustique, tout en conservant une précision satisfaisante de la prédiction dans un sens large bande. Le système est modélisé sous diverses excitations aéroacoustiques, nommément un champ acoustique diffus et une couche limite turbulente (TBL).La validation expérimentale des outils développés est réalisée sur un ensemble de structures sandwich composites orthotropes. Ces derniers sont utilisés afin de formuler une approche couche équivalente unique (ESL) pour la modélisation de la réponse spatiale du panneau dans le contexte d une approche de matrice de raideur dynamique. L effet de la température de la structure ainsi que du milieu acoustique sur la réponse du système vibroacoustique est examiné et analysé. Par la suite, un modèle de la structure SYLDA, également fait d un matériau sandwich orthotrope, est testé principalement dans le but d enquêter sur la nature de couplage entre ses divers sous-systèmes. La modélisation ESL précédemment développée est utilisé pour un calcul efficace de la réponse de la structure dans la gamme des basses et moyennes fréquences, tandis que pour des fréquences plus élevées, une hybridisation WFEM / FEM pour la modélisation des structures discontinues est utilisé.During its mission, a launch vehicle is subject to broadband, severe, aeroacoustic and structure-borne excitations of various provenances, which can endanger the survivability of the payload and the vehicles electronic equipment, and consequently the success of the mission. Aerospace structures are generally characterized by the use of exotic composite materials of various configurations and thicknesses, as well as by their extensively complex geometries and connections between different subsystems. It is therefore of crucial importance for the modern aerospace industry, the development of analytical and numerical tools that can accurately predict the vibroacoustic response of large, composite structures of various geometries and subject to a combination of aeroacoustic excitations. Recently, a lot of research has been conducted on the modelling of wave propagation characteristics within composite structures. In this study, the Wave Finite Element Method (WFEM) is used in order to predict the wave dispersion characteristics within orthotropic composite structures of various geometries, namely flat panels, singly curved panels, doubly curved panels and cylindrical shells. These characteristics are initially used for predicting the modal density and the coupling loss factor of the structures connected to the acoustic medium. Subsequently the broad-band Transmission Loss (TL) of the modelled structures within a Statistical Energy Analysis (SEA) wave-context approach is calculated. Mainly due to the extensive geometric complexity of structures, the use of Finite Element(FE) modelling within the aerospace industry is frequently inevitable. The use of such models is limited mainly because of the large computation time demanded even for calculations in the low frequency range. During the last years, a lot of researchers focus on the model reduction of large FE models, in order to make their application feasible. In this study, the Second Order ARnoldi (SOAR) reduction approach is adopted, in order to minimize the computation time for a fully coupled composite structural-acoustic system, while at the same time retaining a satisfactory accuracy of the prediction in a broadband sense. The system is modelled under various aeroacoustic excitations, namely a diffused acoustic field and a Turbulent Boundary Layer (TBL) excitation. Experimental validation of the developed tools is conducted on a set of orthotropic sandwich composite structures. Initially, the wave propagation characteristics of a flat panel are measured and the experimental results are compared to the WFEM predictions. The later are used in order to formulate an Equivalent Single Layer (ESL) approach for the modelling of the spatial response of the panel within a dynamic stiffness matrix approach. The effect of the temperature of the structure as well as of the acoustic medium on the vibroacoustic response of the system is examined and analyzed. Subsequently, a model of the SYLDA structure, also made of an orthotropic sandwich material, is tested mainly in order to investigate the coupling nature between its various subsystems. The developed ESL modelling is used for an efficient calculation of the response of the structure in the lower frequency range, while for higher frequencies a hybrid WFEM/FEM formulation for modelling discontinuous structures is used.LYON-Ecole Centrale (690812301) / SudocSudocFranceF

Predicting the broadband response of a layered cone-cylinder-cone shell

The dynamic response of an aerospace layered structure composed of a combination of conical and cylindrical shells is hereby modelled. In the low and the mid-frequency ranges a WFEM derived ESL approach implemented within a FEM is used in order to predict the response of the shell. Furthermore, in the high frequency range the CLF of the connected subsystems are calculated using a WFEM/FEM approach. These CLF are implemented within a SEA approach in order to predict the structural response. The accuracy and robustness of the developed approaches are exhibited by comparisons to experimental measurements on a layered conical-shell-conical configuration

Suivi de valeurs propres par une méthode déterminantale pour l'amortissement de structures spatiales

National audienceSee http://hal.archives-ouvertes.fr/docs/00/59/29/14/ANNEX/r_11ZZ9G9F.pd

Design and test of a friction damper to reduce engine vibrations on a space launcher

International audienceSpace launchers are submitted to complex vibration environments and this can impact the payload it is carrying. Ensuring the protection of the payload therefore requires the addition of a secondary system. In this paper, a rapid design method for the dimensioning of a friction damper is developed, based on the equivalent energy dissipation with that of a viscous damper. A friction damper is designed and a prototype is built. The friction damper is first characterised alone and it is then mounted inside a scale model of a launcher last stage. The friction damper is adequately modelled by a spring in series with a friction element. The damper prototype proves to efficiently damp the rocket engine vibrations, and the design method used for dimensioning the friction damper gives a good approximation for the optimal sliding force of the damper

Étude et modélisation du couplage fluide-structure et des excitations aéroacoustiques dans le domaine des moyennes fréquences

International audienceLa modélisation des interactions fluide-structure est importante dans le domaine de l'aérospatiale, où les lanceurs de missiles et de fusées sont soumis à des excitations aléatoires large-bande. Dans le domaine des moyennes fréquences, cette modélisation ne peut pas se faire par les méthodes traditionnelles de basses fréquences ou hautes fréquences. Une méthode hybride FEM-SEA est développée et appliquée à un système couplé fluide-structure soumis à une excitation delta-corrélée. Une extension à des excitations aéroacoustiques est également étudiée

Analyse vibroacoustique des lanceurs

International audienceThe launch vehicles are subjected at lift-off and during flight ascent to a severe acoustic and aeroacoustic environment. This environment is broadband and random. Electronic equipment and satellites are consequently excited and the induced vibrations must be predicted before flights, in order to be sure that they can endure the induced loads without any damage. It is essential to have numerical vibroacoustic tools in all frequency ranges of concern, in the low, mid and high frequency regimes. This paper presents the general methodology, particularly in mid and high frequency ranges developed at EADS ASTRIUM ST and an industrial validation of this methodology.Les lanceurs sont soumis au décollage et en vol à un environnement acoustique et aéroacoustique. Cet environnement, aléatoire, couvre un large domaine fréquentiel, des basses aux hautes fréquences. Les équipements électroniques et les satellites sont, en conséquence, excités et les vibrations induites doivent être prédites, afin de s'assurer avant vol, qu'ils ne seront pas endommagés. Il est donc important de disposer d'une méthodologie de prévision couvrant tout le domaine fréquentiel. Ce papier présente la méthodologie générale, particulièrement en moyennes et hautes fréquences, développée à EADS ASTRIUM ST, ainsi qu'une validation industrielle

Determinantal method for locally modified structures. Application to the vibration damping of a space launcher.

International audienceIn order to improve the dynamic behaviour of an existing or already designed structure, local modifications can be performed by taking advantage of the relative displacement between two points of the structure. A stiffner, damper or viscoelastic rod may be added and its effect on the initial structure must be assessed. A new formulation is developed, based on the response of the initial structure at the attachment points of the local modification. A determinantal equation results, whose roots are the eigenvalues of the modified structure. The equation is solved numerically with a dedicated algorithm and it is shown that this is faster than performing an eigenvalue problem reanalysis. The method is able to deal with both undamped and damped systems, and can handle several modifications simultaneously. It is applied on the last stage of a space launcher, along with a double modal synthesis method

Modèles d’ordre réduit pour la prédiction du comportement dynamique de liaisons amortissantes en élastomères

International audienceGrâce à leurs propriétés amortissantes, les élastomères sont couramment utilisés dans l’industrie pour attenuer les vibrations, notamment sous forme de liaisons entre pièces mécaniques. La modélisation élément finis de ces liaisons doit prendre en compte les non-linéarités géométriques ainsi que la loi de comportement hyper-visco-élastique du matériau. Ce type de modèle numérique peut s’avérer trop coûteux lorsqu’il s’agit de simuler l’assemblage de structures complexes. L’objectif de ce travail est de proposer des stratégies de réduction de modèles pour la liaison, basées sur des modèles à peu de degrés de liberté construits à partir d’essais numérique