Dynamique d’équipements avec des non linéarités de liaisons localisées : Application aux systèmes optiques d’éclairage

par Abdelhak Hmid

Thèse de doctorat en Mécanique

Sous la direction de Régis Dufour.

Le président du jury était Luigi Garibaldi.

Le jury était composé de Régis Dufour, Luigi Garibaldi, Jean-Luc Dion, Guilhem Michon, Lionel Manin, Christine Roucoules.

Les rapporteurs étaient Jean-Luc Dion, Guilhem Michon.


  • Résumé

    La thèse concerne la prévision du comportement dynamique non linéaire d’équipements optique. Les travaux de recherche menés se concentrent sur la simulation des phénomènes vibratoires en jeu, afin de prévoir la réponse harmonique de l’équipement. Ces travaux ouvrent ainsi la voie à des préconisations d’évolutions dans la conception mécanique du projecteur pour augmenter sa durabilité et le confort de vision. En effet les essais pratiqués montrent que de forts niveaux de vibrations endommagent les composants du projecteur et détériorent la stabilité du faisceau d’éclairage. Afin d’éviter de telles nuisances, la conception du projecteur doit être adaptée grâce à un modèle mécanique qui intègre des comportements non linéaires causés essentiellement par les liaisons pour prévoir le mieux possible les niveaux de vibrations du projecteur embarqué. L’état de l’art est réalisé sur les comportements dynamiques non linéaires, les modèles et méthodes de résolution associés, puis les estimateurs existants de quantification des non linéarités. Les essais d’analyse modale réalisés mettent en évidence la présence de phénomènes non linéaires dus à de multiples causes (jeux-butées, frottements, stick-slip, …) localisées dans les liaisons réflecteur-boitier. Les caractérisations expérimentales menées sur les liaisons, délivrent des boucles efforts-déflexion qui montrent différents types de comportement non linéaire, aident au choix des modèles les plus pertinents et au calage de leurs paramètres. Les limites de validité des modèles de calculs linéaires sont déterminées par des critères formulés empiriquement. Les modèles non linéaires de liaison sélectionnés sont intégrés dans un modèle réduit à un puis à deux degrés de liberté d’un projecteur. La réprésentativité du modèle est évaluée sur la base des analyses modales mesurées du projecteur. Les équations décrivent le comportement dynamique de projecteur et les non linéarités sous l’hypothèse de régime stationnaire. La méthode de balance harmonique associée à une technique de continuation par longueur d’arc résout rapidement les équations et détermine avec précision les réponses dynamiques établies. L’étude est complétée par l’analyse de stabilité selon la théorie de Floquet qui met en évidence la présence des branches de solutions stables ou instables. Enfin des réponses harmoniques sont calculées avec un modèle aux éléments finis du projecteur complet. Les calculs sont basés sur l’identification des modes qui reposent sur la répartition des masses dans la structure, la nature des liaisons. Des études d’influence sont réalisées. Les paramètres étudiés sont les raideurs et précontraintes de contact, le coefficient de frottement, l’amortissement introduit. Leurs impacts sur les niveaux des vibrations sont quantifiés ce qui amène au recalage du modèle éléments finis pour améliorer les résultats modaux du projecteur automobile et sa réponse harmonique forcée.

  • Titre traduit

    Dynamics of equipment with nonlinearities of localized joints : Application to optical lighting systems


  • Résumé

    The thesis deals with the prediction of nonlinear dynamic behavior of automotive headlamps. The attention is focused on building models to estimate the vibration behavior of lighting system to enhance its durability and comfort of vision. Vibration tests show that high levels of vibration damage projector components and degrade the stability of the illuminating beam. To avoid these issus, headlamps design must be adapted to include nonlinear phenomena provided from the joints connecting the reflector and housing subsets. The state of the art is performed on the non-linear dynamic behavior, models and methods and existing estimators quantifying nonlinearities. The modal tests performed demonstrate the presence of non-linear phenomena (clearance, friction, stick-slip, …) located in reflector-housing joints. Experimental investigations carried out on joints show different types of nonlinear behavior and help to identify the most important contact parameters (stiffness and damping). The limits of validity of the linear models are determined by empirically formulated criteria. Selected nonlinear models are integrated in a 1D-model reduced to one then two degrees of freedom of a projector. The representativeness of the model is evaluated basing of modal measurement of headlamp. The Harmonic Balance Method was used to calculate the periodic response. The algorithm calculates also the stability of the periodic solutions found, using Floquet theory, and follows stable or instable branches versus varying system parameters via the arc-length continuation technique. Finally, harmonic responses are predicted with a finite element model of the entire headlamp. The calculations are based on the identification of modes that are based on the weight distribution in the structures and joints proprities. Sensibility studies are carried out on stiffness and preloaded contact, coefficient of friction and damping. Impacts on the vibration levels were quantified that leads to update the finite element model and improve modal and harmonic results of headlamp.

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