Modèle dynamique d’un module épicycloïdal d’hélicoptère pour la surveillance de défauts : proposition d’un cadre de modélisation

Dynamic Modeling of a helicopter epicyclic module for defects monitoring : proposal of a modelling framework

• Auteur / Autrice : Raphaël Mignot-Pasty
• Direction : Lionel Roucoules, François Malburet
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique-matériaux
• Date : Soutenance le 25/11/2022
• Etablissement(s) : Paris, HESAM
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences des métiers de l'ingénieur
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LISPEN - LISPEN
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure d'arts et métiers (1780-....)
• Jury : Président / Présidente : David Dureisseix
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Lionel Roucoules, François Malburet, Mohamed El Badaoui, Alain Daidié, Hervé Morel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Mohamed El Badaoui, Alain Daidié

Mots clés

Mots clés contrôlés

Engrenages planétaires

Thèses et écrits académiques

Matériaux -- Propriétés mécaniques

Mots clés libres

Modèle dynamique

Train épicycloïdal

Cadre de modélisation

Fissure

Roulements

Dynamic Modeling

Planetary gear train

Modeling Framework

Crack

Bearing

Résumé

L’étude du comportement vibratoire des ensembles de transmissions est un sujet de première importance pour l’industrie aéronautique, visant notamment à détecter des avaries ou bien des défauts au sein de systèmes considérés comme critiques. La dynamique des engrenages et des roulements en présence de défauts sont des sujets très largement étudiés dans la littérature. Des modèles de complexités grandissantes ont été proposés pour la plupart des sous-systèmes composant les boîtes de transmission de puissance. Les approches plus générales considérant des systèmes complets associant engrenages et roulements restent néanmoins rares. Les présents travaux de thèse s’intéressent à la modélisation du comportement vibratoire d’un module épicycloïdal de Boîte de Transmission Principale d’hélicoptère, en présence de défauts de type fissure propageant dans une jante d’engrenage. Ces défauts, propres aux engrenages à pistes de roulement intégrés présents dans les boites de transmission d’hélicoptères, se situent à l’interface entre les engrenages et les roulements et ne sont pas considérés dans la littérature. Un cadre de modélisation est proposé afin de coupler des modèles hétérogènes de train épicycloïdal, de roulements, de couronne flexible et de défauts en un modèle global. L’objectif du cadre est d’aboutir à un modèle modulaire et évolutif de comportement dynamique d’un module épicycloïdal complet en présence de la fissure. La finalité de la démarche consiste en l’identification et la détection de la signature vibratoire du défaut sur un signal, mesuré en repère fixe par un accéléromètre à l’extérieur de la BTP. Des modèles analytiques de train épicycloïdal à différents niveaux de complexité sont mis en place ; un modèle de roulement à rouleaux sphériques est adapté de la littérature pour correspondre au sous-système roulement à piste intégrée ; et des défauts d’écaillage et de fissure sont modélisés à partir de méthodes analytiques et aux éléments finis. Des fonctions de transfert issues de modèles et d’essais sont proposées pour transformer les résultats prédits en repère tournant vers le repère fixe de l’accéléromètre. Les différentes briques de modélisation sont enfin assemblées à travers le cadre proposé suivant plusieurs configurations, offrant différents compromis entre temps de calcul et fidélité des résultats. L’introduction du défaut au sein du modèle permet finalement d’identifier sa signature vibratoire au sein du spectre des vibrations.

Studying the vibration of gears and bearings transmission systems represents a great interest for the aeronautical industry. Understanding the dynamic behavior of these critical systems should indeed improve the detection capability of defects and therefore improve the safety of the aircrafts. Such topics have been widely considered in the literature. Models with an always-increasing complexity have been proposed for almost every sub-systems composing the gearboxes, but more global approaches that consider the entire system remain quite rare. This PhD research project considers the modeling of a Helicopter Planetary Gearbox to predict its vibrations with a particular defect, namely a gear crack initiated at a bearing race level and propagating through the gear rim. Such a defect has not been much considered in the literature yet, as it is specific to gears with integrated bearing races which are namely used in helicopters gearboxes. A modeling framework is proposed to gather and to couple heterogeneous models of planetary gear trains, bearings, flexible ring gears and defects into a global model. The proposed approach is designed to be modular and scalable in order to be adapted to the level of fidelity required by the user and to be transposed to different gearbox architectures. The final goal of this research is to predict the vibration signature of the gear rim crack, in the frequency spectrum of a signal acquired by an accelerometer fixed on the outside of the gearbox. Analytical models of an epicyclic gear train with an increasing complexity are first proposed; a model of spherical roller bearing is adapted from a literature approach in order to match the particular integrated bearing configuration; analytical and finite element models of spalls and cracks are then proposed. Quasi-static and dynamic transfer functions are constructed based on models and tests to transform the rotating-reference results to the fix-reference of the sensor. All the heterogeneous sub-models are finally combined through the modeling framework into several assembled configurations, in order to propose various trade-offs between the computation time and the fidelity of the representation. The defect signature is finally identified in the vibration spectrum after introducing the crack into the model of planetary gear module.