Contribution à la modélisation énergétique des hélicoptères en vue de la maîtrise de leurs comportements dynamiques

Contribution to rotorcraft energetic modeling for dynamic behavior analysis and control

• Auteur / Autrice : Zeineb Chikhaoui-Gomand
• Direction : Pierre-Jean Barre, Julien Gomand, François Malburet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique
• Date : Soutenance le 18/12/2013
• Etablissement(s) : Paris, ENSAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire des sciences de l'information et des systèmes (Marseille)
• Jury : Président / Présidente : Didier Guédra-Degeorges
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Julien Gomand, François Malburet, Pierre-Jean Barre
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Geneviève Dauphin-Tanguy, Didier Rémond

Mots clés

Mots clés contrôlés

Énergie mécanique

Rotors (hélicoptères) -- Aérodynamique

Mots clés libres

Multibond graph (MBG)

Hélicoptère

Bond graph (BG)

Représentation Energétique Macroscopique

Représentation multiniveau

Comportement dynamique

Multibond graph (MBG)

Bond graph (BG)

Energetic Macroscopic Representation

Energetic modeling

Multilevel representation

Dynamic behaviour

Résumé

Les hélicoptères sont le siège de comportements dynamiques difficiles à maîtriser et récurrents en phase de conception. Ces comportements sont essentiellement liés à des couplages mal maîtrisés entre certains sous-systèmes. Un état de l'art sur les pratiques de modélisation existantes met en évidence un manque de prise en compte des interactions énergétiques entre sous-systèmes, rendant difficile l'analyse et la maîtrise de ces phénomènes et conduisant à des solutions ponctuelles, sans capitalisation possible des méthodes mises en œuvre. Ces travaux offrent une introduction à une approche de représentation multiphysique et multiniveau, complémentaire aux approches existantes, offrant une vision énergétique et structurelle pour la maîtrise de la dynamique des systèmes tels que les hélicoptères. Une réflexion sur les outils de représentation existants a conduit au choix du bond graph (BG), du multibond graph (MBG) et de la Représentation Energétique Macroscopique (REM) en tant qu'outils complémentaires pour la modélisation et la commande des systèmes multiphysiques multicorps. Une analyse énergétique d'hélicoptère a conduit à la proposition d'une description macroscopique basée sur le MBG à mots, complétée par deux autres niveaux détaillant le modèle MBG du sous-système rotor-fuselage. Les hypothèses de modélisation sont choisies de manière à reproduire les conditions d'apparition du phénomène de résonance air, phénomène de couplage connu sur les hélicoptères. Cette étude met en évidence le potentiel des représentations énergétiques en application aux hélicoptères et ouvre de nombreuses perspectives, tant pour l'analyse des appareils existants que pour la conception d'aéronefs innovants.

Rotorcraft are complex systems and are thus sources of recurring (i.e. for many new design projects) and poorly understood problems. Considering a specific phenomenon, implying interactions between many subsystems, the analysis of the system from a global but "sufficiently" detailed point of view becomes necessary. Current global modeling methodologies are mainly based on a subsystem-by-subsystem approach and the knowledge of their interactions is insufficient. This work proposes an introduction to a multiphysic and multilevel representation, complementary to existing modeling approaches, offering an energetic and structural view to support analysis and control of rotorcraft. A first study leads to the choice of, the bond graph (BG), the multibond graph (MBG) and the Energetic Macroscopic Representation (EMR) as complementary multiphysic tools for the modeling and control of multiphysic and multibody systems. Then, an energetic analysis of helicopter dynamics is presented and a global energetic and macroscopic representation, using the word bond graph, is proposed. After that, the MBG is used for rotor-fuselage modeling in order to reproduce the air resonance phenomenon. This work shows the potential of energetic representations on rotorcraft and opens many perspectives, not only for the analysis of the existing rotorcraft, but also for the design of innovative rotorcraft.