Dynamique non-linéaire des systèmes multi-rotors : Etudes numérique et expérimentale

par Mikhail Guskov

Thèse de doctorat en Mécanique

Sous la direction de Fabrice Thouverez.


  • Résumé

    Le développement des machines suit une logique liée aux performances, ce qui entraîne des niveaux de sollicitations toujours plus proches des limites matériaux. Cette tendance a pour effet de favoriser l'apparition de comportements vibratoires non-linéaires. Cette thèse a donc pour objectif d'étudier la dynamique non-linéaire des structures et tout particulièrement celle correspondant à des moteurs d'avion multi-rotor. Deux axes ont été développés en parallèle, le premier qui correspond aux aspects théoriques et le deuxième de nature expérimentale. En ce qui concerne les développements théoriques, nous nous sommes intéressés au cas des non-linéarités fortes conjuguées avec une richesse multi-fréquentielle des excitations. Dans ce cadre, nous avons étudié des modèles de roulements adaptés à la simulation en dynamique d'ensemble qui inclut les caractéristiques propres du contact ainsi que la présence des jeux. Al'aide de ces modèles, nous avons pu simuler les réponses vibratoires d'un système bi-rotor nonlineaire, notamment en contra-rotation. Afin de réaliser une étude pertinente de ce système nous avons développé un code qui généralise l'estimation des réponses au cas quasi-périodique et qui permet aussi de statuer sur la stabilité de ces régimes. Aussi, nous avons mis au point un banc d'essai bi-rotor représentatif du comportementdynamique d'un moteur réel. Après une phase de conception et de mise en oeuvre du banc,différents types de tests de caractérisation ont été réalisés. Nous avons tout d'abord analysé les réponses vibratoires en co- et contra-rotation. Puis dans une deuxième phase, une configuration surcritique de l'arbre Basse Pression a été testée. L'ensemble de ces essais a permis de mettre en valeur les spécificités dynamiques des moteurs bi-rotor tant du point vue des régimes vibratoires (régimes périodiques, quasi-périodique, modes directs et rétrogrades) que des effets non-linéaires (distorsion des pics, présence de surharmoniques d'ordre deux).

  • Titre traduit

    Non linear dynamics of multiple shaft systems. Theorical and experimental studies


  • Résumé

    Modern trends in the progress of the machine design are to increase performances while reducing mass. This causes augmented loads in machine parts while the compliances grow as well. The resulting dynamical responses occur at accrued levels, putting forward nonlinear phenomena. The aim of this thesis is to study nonlinear structural dynamics, especially in view of application to multi-shaft aircraft engines rotordynamics. This problematics is investigated by theory and experiment. As for the theoretical development, we adress the dynamical response of strongly nonlinear systems under multi-frequency excitations. To this aim, the models of roller bearings are studied and implemented from the point of view of application to rotordynamics computations. In particular, these models take radial clearance and nonlinear contact stigness into account. In order to deal with multiple unbalance excitations which are present in multi-shaft rotor systems, we have elaborated a generalized harmonic balance approach so as to predict the resulting quasi-periodic motions. This work has been applied to a dual shaft test rig with an intershaft bearing built during this study. Methods of stability evaluation are also considered in view of extensions to quasi-periodic motions. In the experimental part of the work, we have designed and studied a dual shaft test rig with an intershaft bearing. The overall modal analysis of this rig matches a real aircraft engine's rotordynamical behavior. After the design and construction of the rig, several operational configurations have been tested. Firstly, we have studied the unbalance response of the machine under the nominal co-rotating conditions in order to validate the design approach and estimate the residual unbalance of the machine. Secondly, the counter-rotating operation has been tested. Finally, an additional mass has been mounted on one of the shafts. This has allowed to lower one of the modes into the operational range of the machine. The overall test results have enabled the observations of dynamical phenomena typical for the dual shaft dynamics both from the rotordynamical and nonlinear points of view : forward and backward whirls, quasi-periodic precession motion, resonance peaks distorsion and superharmonic response.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (173 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : 82 références

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