Contributions au développement de méta modèles pour la simulation et le recalage en dynamique d'ensemble

Contributions to the development of surrogate models for the simulationand calibration of global aeroengine dynamics

• Auteur / Autrice : Francesco D'Alessandro
• Direction : Gaël Chevallier, Scott Cogan
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 07/09/2023
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et microtechniques (Besançon ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : FEMTO-ST : Franche-Comté Electronique Mécanique Thermique et Optique - Sciences et Technologies (Besançon) - Franche-Comté Électronique Mécanique- Thermique et Optique - Sciences et Technologies / FEMTO-ST
• Partenaire(s) de recherche : Etablissement de préparation : Université de Franche-Comté (1971-....)
• Jury : Président / Présidente : Pierre-Alain Boucard
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hugo Festjens, Tariq Benamara, Caroline Sainvitu
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fabrice Thouverez, Etienne Balmès

Mots clés

Mots clés contrôlés

Avions -- Propulsion par réaction

Mots clés libres

Réduction de modèles

Méta-Modélisation

HBM

Dynamique des rotors

Moteurs aéronautiques

Dynamiques des rotors non lineaires

Vitesses critiques

RBNN

POD

Model reduction

Surrogate modelling

HbBM

Rotordynamics

Aeroengines

Nonlinear rotordynamics

Résumé

Les ingénieurs utilisent aujourd’hui des modèles numériques dans toutes les phases de vie d’un propulseur aéronautique, de la conception a l’exploitation, pour identifier leur réponse dynamique. Ces jumeaux numériques ont vocation à être utilisés dans des plans d’expériences (DoE) de grande taille, il est donc nécessaire d’évaluer rapidement le comportement dynamique d’un grand nombre de configurations différentes. Ce travail repose aujourd’hui sur l’exploitation directe des modèles Eléments Finis (EF) des machines. Pour être représentatifs du comportement réel, ces modèles numériques doivent intégrer un haut niveau de description géométrique du système, du comportement des matériaux et des liaisons entre les composantes. Certaines liaisons présentent des comportements non-linéaires (contact rotor-stator principalement). Le coût de calcul prohibitif et le nombre élevé des paramètres de conception ne permettent pourtant pas d’évaluer la dynamique de l’ensemble des configurations potentielles. C’est pourquoi aujourd’hui, seule la sensibilité locale à un nombre assez limité de paramètres clefs est évaluée. L’objectif de ce travail de recherche est de fournir des outils d’évaluation rapide de l’espace de conception, à utiliser comme support pour des opérations d’optimisation, recalage et diagnostique.Les travaux se concentrent initialement sur l’accélération des calculs de réponse à balourd, avec prise en compte des non-linéarités aux supports palier, aujourd’hui réalisés par intégration temporelle en balayage lent sur toute la plage de fonctionnement du moteur. Pour cela une méthode de Balance Harmonique (HBM) a été développée et adaptée au cas des machines tournantes.Pour le traitement des modèles EF de taille industrielle, une méthode de réduction de modèle dédiée aux machines tournantes a été développée. Il s’agit d’une réduction sur base de Ritz qui adopte une base de modes de la structure excités au passage des vitesses critiques. Ces bases des vitesses critiques présentent des propriétés dynamiques invariantes avec l’évolution de la vitesse de rotation et permettent une réduction du modèle particulièrement adaptée aux calculs de réponse à balourd. Une comparaison avec les méthodes de réduction classiques est proposée dans ces travaux et l’efficience de cette approche est montrée sur un modèle de taille industrielle. La méthode est adaptée aux cas de systèmes linéaires, non-linéaires et aux simulations en domaine temporel et fréquentiel.Toutefois, ces méthodes de réduction présentent des limites théoriques liées au nombre de modes présents dans la plage de fonctionnement de la machine. Le coût de simulation reste donc élevé par rapport au besoin dans un cas d’étude de type many-query.Dans ces travaux, on propose d’introduire des méthodes data-driven pour dépasser ces limites. Des méta-modèles sont adoptés pour l’approximation directe des réponses à balourd non linéaires d’un ensemble propulsif en une configuration quelconque dans son espace de conception. Plusieurs stratégies de méta-modélisation ont été étudiées et comparées pour identifier celle qui s’adapte le plus au besoin industriel.

Engineers nowadays use numerical models in any phases of the life-cycle of an aeronautical engine, from the design to the exploitation, to identify their dynamical response. These numerical twins are intended to be used in large-scale Designs of Experiments (DoE), so it is necessary to quickly evaluate the dynamical behaviour of a large number of different configurations. This work is based nowadays on the direct exploitation of Finite Element (FE) models of turbomachines. To be realistic and reliable, these numerical models have to represent in detail the geometry of the system, the mechanical behaviour of materials and the mechanical connections between components. Materials, geometries and mechanical connections can introduce nonlinearities to be more representative. The prohibitive computational burden and the high number of design parameters, make unaffordable to perform an exhaustive study of the dynamics of any potential configuration of the turbomachine in the whole design space. For this reason, only the local sensitivity to a rather limited number of key parameters is directly evaluated trough FE simulations. This work seeks to provide numerical tools for rapid evaluation of multiple configurations of an eroengine in its design space to support optimisation, calibration, diagnosis operations or any other sort of many-query study.The work is initially focused on accelerating unbalanced response simulations taking into account nonlinearities due to the rotor/stator interaction, performed nowadays using time marching algorithms over the whole operating frequency range of the engine. An Harmonic Balance (HB) algorithm has been developed and adapted to rotating machines. A model reduction approach dedicated to rotating machines has been developed to deal with industrial size FE models and to reduce the computational effort of numerical simulations. The proposed Ritz-based reduction technique adopts a basis composed by the mode shapes of the structure excited at critical speeds. These bases have invariant dynamical properties, which are particularly interesting for the evaluation of unbalance responses of rotating systems. The efficiency of this model reduction approach is demonstrated on an industrial scale FE model, in time and frequency domains, and in linear and nonlinear frameworks.However, these reduction methods have theoretical limitations related to the amount of modes excited in the operating frequency range of the machine, the majority of them have to be included in the reduction basis in order to produce a reliable reduced order model (ROM). The computational burden is still too important to the meet the industrial exigencies in a many-query framework. In this work, we propose data-based methods to overcome these limitations. Surrogate models are adopted for the approximation of the non-linear unbalanced responses of an aeroengine in any configuration included in its design space. Multiple surrogate modeling strategies have been investigated and compared to identify the one that best suits the industrial exigencies.