FR3044157A1 - Analyse d'une structure mecanique en reponse a un chargement fluide, par essai hybride - Google Patents

Abstract

L'invention concerne l'analyse de comportement d'une structure mécanique en réponse à un chargement fluide, par simulation d'une circulation de fluide en interaction avec la structure. En particulier, un essai hybride met en œuvre au moins un actionneur mécanique (ACT), piloté par un microcontrôleur (MIC) pour produire une vibration choisie de la structure, et au moins un capteur de vibration (CAP) pour mesurer une vibration effective de ladite structure. Le microcontrôleur (MIC) opère alors les étapes : - prévoir un modèle d'interaction du fluide avec la structure, - commander le microcontrôleur pour activer l'actionneur et interpréter des mesures de vibration reçues du capteur, en affinant une consigne d'activation de l'actionneur, en fonction : • d'une part, desdites mesures de vibration reçues du capteur, et • d'autre part, en fonction dudit modèle d'interaction du fluide avec la structure, - affiner successivement ladite consigne d'activation de l'actionneur au moins pour déterminer des conditions d'interaction du fluide avec la structure menant dans certaines configurations jusqu'à des chocs dans la structure.

Description

Analyse d’une structure mécanique en réponse à un chargement fluide, par essai hybride

La présente invention concerne l’analyse de comportement d’une structure mécanique en réponse à un chargement fluide, par simulation d’une circulation de fluide en interaction avec la structure.

Lorsque les structures mécaniques sont soumises à des charges fluides, elles peuvent entrer en vibration et dans certains cas heurter des obstacles, ce qui occasionne leurs endommagements prématurés. Cette usure peut par exemple entraîner une baisse de rendement d’une machine, mais aussi initier une rupture soudaine d’un ou plusieurs éléments pouvant mener à des accidents graves.

Il est donc important, dès la conception, de prendre en compte les couplages fluide/structure afin d’évaluer les phénomènes d’usure qu’ils occasionnent et ainsi anticiper les dommages encourus dans des conditions de fonctionnement dégradées déterminées (conditions que l'on cherche bien entendu à éviter).

De telles situations peuvent par exemple exister sur des échangeurs de chaleur, notamment dans les générateurs de vapeur de centrales nucléaires, exploités par la demanderesse.

En effet, les générateurs de vapeur forment un ensemble complexe (fluide et structure) qui, dans certaines conditions d’exploitation dégradées, comme par exemple le colmatage des plaques entretoises comme décrit en détail ci-après, peuvent être le siège de vibrations des tubes de générateurs de vapeur. Dans ces conditions, les tubes heurtent les entretoises entraînant des usures prématurées des tubes dans les zones de contact. Ces endommagements rapides peuvent conduire à des opérations de maintenance pénalisantes pour l'exploitant.

Dans le domaine des centrales électronucléaires de type REP selon l'acronyme "Réacteur à Eau sous Pression", il est bien connu que la chaleur produite dans le cœur du réacteur est transmise au moyen d'un circuit fermé dit « circuit primaire » dans lequel circule de l'eau, à un « circuit secondaire » via un générateur de vapeur. L'eau du circuit secondaire est transformée en vapeur. Cette vapeur alimente ensuite les turbines qui entraînent Γalternateur pour la production d'électricité. Un exemple de générateur de vapeur est illustré sur la figure 1 commentée ci-après. Une centrale électronucléaire de type REP comporte généralement trois ou quatre générateurs de vapeur.

En référence à la figure 1, un générateur de vapeur comporte une cavité 1 logeant le circuit primaire comportant des tubes 2 par lesquels circule un fluide 3 chauffé par un réacteur (non représenté). Les tubes 2 forment ainsi une source de chaleur permettant de mettre à l’état de vapeur 7 de l’eau 4 circulant dans le circuit secondaire (illustré par les flèches de la figure 1). La vapeur générée entraîne des turbines couplées à un alternateur (non représentés) pour la production d’électricité. L'échange thermique entre le circuit primaire et le circuit secondaire se fait donc à travers les tubes 2, en forme de U inversé. Dans leur partie droite, les tubes sont guidés par des plaques entretoises 5, et dans la partie haute (zone courbée des tubes en U inversé de la figure 1), les tubes sont maintenus par des barres antivibratoires 6.

Plus particulièrement, les plaques entretoises 5 comportent des trous 50 (figure 2) en forme de croix dits trous « quadrifoliés » au travers desquels passent les tubes 2 cylindriques.

Comme visible sur la figure 2, illustrant en coupe transversale une plaque entretoise 5 et un tube 2 positionné par cette plaque, chaque trou en forme de croix 50 présente un orifice de passage 51 pour un tube 2 associé. Cet orifice de passage 51 présente une section transversale complémentaire à celle du tube 2 qui le traverse (ici une section transversale circulaire). On relèvera que la section de l’orifice de passage est plus grande que celle du tube afin de laisser un jeu entre le tube et la plaque entretoise, pour assurer un guidage pour le positionnement du tube dans rorifice de passage.

Par ailleurs, chaque trou en forme de croix 50 présente quatre passages foliés PF1-PF4 communiquant avec l’orifice de passage 51 en étant régulièrement répartis dans la direction circonférentielle de cet orifice 51. Ces passages foliés PF1-PF4 permettent la circulation de la vapeur du circuit secondaire le long du tube 2 et à travers la plaque entretoise 5. Les bords de ces passages foliés PF1-PF4 rejoignent l’orifice de passage 51 au niveau de quatre lobes de matière dénommés isthmes 11-14 et définissant des zones de contact et de maintien du tube 2 dans la direction radiale perpendiculaire à la direction longitudinale d’extension du tube.

Ainsi, lorsqu’il est fait référence à des trous 50 en forme de croix dits quadrifoliés, il s’agit de trous 50 présentant un orifice de passage 51 pour le tube 2, quatre passages foliés PF1-PF4, de préférence régulièrement répartis dans la direction circonférentielle de l’orifice 51, et quatre isthmes 11-14 servant au maintien du tube 2 dans une direction radiale du tube.

En variante illustrée à la figure 3, les trous 50’ formés dans les plaques entretoises 5 peuvent également présenter un orifice de passage 51’ pour le tube 2, trois passages foliés PF1’-PF3’, de préférence régulièrement répartis dans la direction circonférentielle de l’orifice 51’, et trois isthmes ΙΓ-Ι3’. On dira alors que les plaques entretoises 5 sont pourvues de trous 50’ dits trifoliés. Plus généralement, les trous formés dans les plaques entretoises 5 et traversés par les tubes 2 peuvent être N-foliés, ceux-ci présentant alors chacun un orifice de passage pour le tube, N passages foliés PF1-PFN, de préférence régulièrement répartis dans la direction circonférentielle de l’orifice de passage pour le tube, et N isthmes Il-IN.

Des détails relatifs à ces trous de passage de tube formés dans les plaques entretoises sont présentés en outre dans le document EP0673714 au nom de la demanderesse.

Or, en fonctionnement, des dépôts de colmatage 35 se forment au niveau des passages foliés PF entre la paroi externe 20 des tubes et les plaques entretoises 5. Il peut s’agir de dépôts (comme par exemple des impuretés, d’éventuels arrachements de matière, magnétite, ou autre) présents dans l’eau du circuit secondaire. Ces dépôts 35 ont pour conséquence de diminuer la section d’écoulement de la vapeur dans le circuit secondaire au niveau des plaques entretoises (PF1, PF2, PF3 et PF4). Dans ces conditions de fonctionnement, à débit de fluide secondaire constant, la vitesse d’écoulement du fluide à travers les passages foliés augmente.

Or, si une structure constituée par les tubes 2 et les plaques 5 sont conçues pour ne pas vibrer à une vitesse nominale donnée, d’utilisation normale du générateur de vapeur, il peut en être tout autrement lorsque la vitesse d’écoulement du fluide augmente, par exemple lors d’un colmatage des passages foliés. Ainsi, à une vitesse d’écoulement plus élevée, il peut advenir des vibrations dans la structure précitée, pouvant occasionner des chocs entre les tubes et les isthmes. Les chocs eux-mêmes peuvent modifier d’une part la géométrie des tubes et les propriétés des matériaux les constituant, et d’autre part changer la dynamique de la structure précitée, de sorte que de nouveaux régimes vibratoires peuvent apparaître.

On comprendra de manière plus générale que le colmatage des passages d’écoulement de fluide accroît les risques d’instabilité menant à des contraintes répétées sur les tubes. Cette situation particulière a pour effet de créer une zone d'usure dans les zones de contact pouvant mener à une dégradation rapide de la structure mécanique d’une part, et d’autre part conduire à une fragilisation des tubes 2 au niveau des isthmes des plaques et favoriser une contamination du circuit secondaire par le circuit primaire, situation pénalisante pour l’exploitant. L’un des buts recherchés est donc la prédiction du comportement vibratoire des structures soumises à des charges fluides. Pour ce faire, l’étude des vibrations dans la structure et des modes associés doit prendre en compte l’ensemble de la structure tubes/plaques présentée ci-avant, mais il est difficile de réaliser des essais sur des générateurs de vapeur grandeur nature car ils forment typiquement des structures mécaniques complexes. Dans certaines conditions dégradées comme par exemple le colmatage des plaques entretoises 5 maintenant le faisceau de tubes 2, de telles structures peuvent être le siège de vibrations des tubes qui frappent alors les entretoises, générant dans les zones de contact des usures prématurées des tubes. Ces usures prématurées peuvent conduire à des opérations de maintenance sur site qui sont toujours pénalisantes pour l'exploitant.

Pour évaluer ces phénomènes, des moyens d'essais et de mesure existent mais restent lourds et onéreux. Traditionnellement, les expérimentations sont réalisées dans des veines d'essais en eau-vapeur, ces veines étant des compartiments pouvant accueillir les structures ou sous-structures sur lesquelles les essais sont effectués. On connaît par exemple les souffleries comme type de veine pour les essais d'aérodynamisme, mais il s'avère difficile de réaliser des travaux expérimentaux dans ces veines eau-vapeur en raison des moyens considérables pour leurs mises en œuvre. Typiquement, des essais sur les tubes de générateur de vapeur nécessitent de disposer d'une chaudière pour la production de vapeur, d'appareils sous pression, d'une instrumentation spécifique, de délais de réalisation des essais, d'une mobilisation de ressource, etc. Les difficultés de modélisation de l’usure des tubes lors des départs en instabilité et les moyens expérimentaux lourds et coûteux nécessaires à la réalisation d’essais à grande échelle rendent difficile l’évaluation de l’usure des tubes.

La présente invention vient améliorer cette situation. L’invention propose à cet effet un procédé d’analyse de comportement d’une structure mécanique (expérimentale) en réponse à un chargement fluide, par simulation d’une circulation de fluide en interaction avec la structure. En particulier, le procédé comporte un essai dit « hybride » mettant en œuvre : - au moins un actionneur mécanique, piloté par un microcontrôleur pour produire une vibration choisie de la structure, et - au moins un capteur de vibration pour mesurer une vibration effective de ladite structure.

Le procédé comporte alors les étapes : - prévoir un modèle (numérique, dans le sens « issu de moyens informatiques ») d’interaction du fluide avec la structure, - commander le microcontrôleur pour activer l’actionneur et interpréter des mesures de vibration reçues du capteur, en affinant une consigne d’activation de l’actionneur, en fonction : • d’une part, desdites mesures de vibration reçues du capteur, et • d’autre part, en fonction dudit modèle d’interaction du fluide avec la structure, - affiner successivement ladite consigne d’activation de l’actionneur au moins pour déterminer des conditions d’interaction du fluide avec la structure menant jusqu’à des chocs dans la structure.

On entend par « choc » par exemple un contact discontinu entre au moins deux éléments de la structure.

Ainsi, l’invention propose d’allier modélisation et expérimentation pour mesurer plus facilement et à moindre coût des variables physiques (efforts de contact entre les tubes et les plaques entretoises d’un échangeur de chaleur par exemple), ces variables physiques étant difficiles à évaluer avec les techniques purement numériques ou purement expérimentales.

Dans une réalisation, le procédé comporte en outre une étape : - analyser le comportement de la structure, en outre après une apparition de chocs dans la structure.

Une telle réalisation permet d’étudier en outre le comportement de la structure après l’apparition de chocs, et notamment d’étudier par exemple les déformations plastiques et géométriques pour en déduire son usure.

Avantageusement, le capteur de vibration est choisi de sorte que les vibrations effectives reçues du capteur sont mesurées et utilisées en temps quasi-réel.

On entend par les termes « temps quasi-réel » le fait que la réception des informations du capteur et la commande des actionneurs s’effectue presque instantanément, moyennant simplement des délais de réception/interprétation des mesures reçues des capteurs, et de calcul de consignes pour les actionneurs.

Dans une réalisation, l’étape d’affiner successivement la consigne d’action de l’actionneur est menée en fonction d’un paramètre d’écoulement du fluide, comme par exemple une vitesse d’écoulement du fluide.

Dans une réalisation, le procédé comporte en outre une étape d’établissement d’un profil de pôles de la structure (pour l’étude des vibrations) en fonction dudit paramètre d’écoulement du fluide.

En particulier, l’étape d’établissement du profil peut être suivie d’une étape de détermination d’au moins une paire de pôles à partie réelle positive, caractérisant une instabilité de la structure susceptible d’entraîner des chocs dans la structure. Cette réalisation est décrite en détails ultérieurement en référence à la figure 7 notamment.

Dans un mode de réalisation possible, la structure mécanique comporte en particulier un élément mobile dans un élément de guidage, cet élément de guidage autorisant un jeu entre l’élément mobile et l’élément de guidage.

Une telle réalisation peut avantageusement s’appliquer au cas où la structure mécanique comporte un échangeur de chaleur comprenant un ou plusieurs tubes (mobiles) guidés par une ou plusieurs plaques entretoises (en tant qu’éléments de guidage), et les chocs dans la structure comportent alors au moins des chocs entre un tube et une plaque.

Dans cette réalisation, l’essai hybride peut mettre en œuvre en outre au moins un capteur permettant l’évaluation de contacts entre un tube au moins, et une ou plusieurs plaques. L’essai hybride peut comporter en outre la simulation d’un passage de fluide au moins dans des ouvertures foliées aménagées dans les plaques entretoises et accueillant chacune un tube.

La structure mécanique précitée peut être alors relative à un générateur de vapeur d’une centrale de production d’énergie électrique, avec en particulier un échange de chaleur entre un circuit primaire incluant lesdits tubes et un circuit secondaire avec un passage de fluide du circuit secondaire dans les ouvertures foliées.

La présente invention vise aussi un programme informatique comportant des instructions pour la mise en œuvre du procédé ci-avant, lorsque ce programme est exécuté par un processeur. Elle vise aussi un support informatique stockant non-transitoirement de telles instructions de programme informatique. Par exemple, la figure 6 commentée plus loin peut être un ordinogramme possible d’un tel programme. La figure 8 illustre toutefois un ordinogramme plus général présentant les principales étapes d’un procédé au sens de l’invention, sur lequel : l’étape SI consiste à piloter un actionneur pour produire une vibration choisie de la structure mécanique à étudier, l’étape S2 consiste à mesurer une vibration effective de cette structure, l’étape S3 consiste parallèlement ou préalablement à élaborer un modèle d’interaction du fluide avec la structure, l’étape S4 vise à affiner l’activation de l’actionneur, en fonction : • des mesures de vibration reçues du capteur, et • du modèle d’interaction du fluide avec la structure, jusqu’à déterminer des conditions d’interaction de fluide avec la structure menant à des chocs dans la structure à l’étape S5. L’invention vise aussi une installation d’analyse de comportement d’une structure mécanique en réponse à un chargement fluide, par simulation d’une circulation de fluide en interaction avec la structure.

En particulier, l’installation comporte, comme illustré sur la figure 9 : - au moins un actionneur mécanique (ACT), piloté par un microcontrôleur (MIC) pour produire une vibration choisie de la structure, et - au moins un capteur de vibration (CAP) pour mesurer une vibration effective de ladite structure.

Le microcontrôleur comporte alors un circuit informatique (CTI, incluant typiquement un processeur PROC et une mémoire de travail MEM stockant notamment les instructions du programme informatique précité), agencé pour : - élaborer un modèle numérique d’interaction du fluide avec la structure, - activer l’actionneur et interpréter des mesures de vibration reçues du capteur, en affinant une consigne d’activation de l’actionneur, en fonction : • d’une part, desdites mesures de vibration reçues du capteur, et • d’autre part, en fonction dudit modèle d’interaction du fluide avec la structure, - affiner successivement ladite consigne d’activation de l’actionneur au moins pour déterminer des conditions d’interaction du fluide avec la structure menant jusqu’à des chocs dans la structure.

Le microcontrôleur (MIC) peut comporter en outre une interface de sortie (OUT) pour contrôler l’actionneur (ACT) et une interface d’entrée (IN) pour recevoir les données du capteur (CAP), reliées au processeur (PROC). D’autres caractéristiques et avantages de l’invention apparaîtront à l’examen de la description détaillée ci-après, et des dessins annexés sur lesquels : la figure 1 illustre schématiquement un générateur de vapeur en coupe ; la figure 2 illustre un passage quadrifolié en coupe d’une plaque entretoise d’un générateur de vapeur ; la figure 3 illustre un passage trifolié en coupe d’une plaque entretoise d’un générateur de vapeur, dans un exemple de réalisation alternatif de la figure 2 ; - la figure 4 est un schéma de principe illustrant un essai dit « hybride » ; - la figure 5 est un schéma de principe illustrant un essai hybride appliquée au cas d’une structure mécanique de type générateur de vapeur ; la figure 6 illustre un exemple de réalisation des étapes d’un procédé au sens de l’invention, dans une application à l’étude d’un générateur de vapeur ; la figure 7 présente de manière générique l’évolution des pôles d’une structure excitée par un chargement fluide (trait pointillé), et la carte des pôles (trait continu) reproduite sur un tube de générateur de vapeur non immergé selon des tests réalisés par un procédé du type illustré sur la figure 6 ; la figure 8 illustre très schématiquement les étapes principales d’un exemple de procédé au sens de l’invention, la figure 9 illustre très schématiquement une installation pour la mise en œuvre du procédé.

La présente invention propose une approche d’essai dite « hybride » selon laquelle une partie seulement de la structure est physiquement reproduite et les interactions avec les éléments manquants sont recréées par le biais d’actionneurs pilotés en temps quasi-réel par un microcontrôleur. Ainsi, les variables physiques difficilement mesurables sur une grande structure (ou mal évaluées, voire impossible à estimer par simulations) peuvent être correctement déterminées par la mise en œuvre de l’invention.

Dans le cas d’une structure mécanique où l’élément mobile est tubulaire, tel qu'un échangeur de chaleur, les interactions entre : - la sous-structure expérimentale (incluant les tubes de l'échangeur dans un environnement non immergé, ainsi que des fixations de retenue, telles que les plaques entretoises d’un générateur de vapeur), et la sous-structure numérique (chargement fluide) permettent de caractériser, à coûts réduits, la nature des contacts discontinus entre les tubes et les fixations de retenue telles que les isthmes des plaques entretoises, lors des phases d’instabilités.

La figure 4 illustre le principe des essais hybrides sur une structure mécanique à titre d’exemple. A partir de la structure mécanique complète SC, une sous-structuration vise à considérer : - une sous-structure numérique SN en tant que modèle, d’une part, et - une sous-structure expérimentale SE, complémentaire, d’autre part.

Les sous-structures numériques et expérimentales, ainsi que leurs interactions sont pilotées par le microcontrôleur MIC connecté à: - un ou plusieurs actionneurs mécaniques ACT dans la sous-structure expérimentale SE d’une part, pour y injecter des efforts mécaniques, et - un ou plusieurs capteurs CAP de réactions à ces efforts dans la sous-structure expérimentale SE d’autre part, pour récupérer des mesures de réactions mécaniques dans la sous-structure expérimentale.

La présentation de la figure 4 est donnée ici à titre d’illustration. Dans l’application de l’invention, deux « physiques » distinctes interagissent par le biais du système de contrôle. En effet, les deux sous-structures sont de natures différentes, puisque : - une structure est de type mécanique (tube et fixations de retenue), alors que - l’autre structure est un fluide.

Par ailleurs, les modèles du fluide et du tube sont préalablement construits à partir de mesures, de sorte qu’aucun effort de modélisation numérique (de type éléments finis), supplémentaire, n’est requis pour l’étude du comportement de la structure mécanique.

Il est donc possible de reproduire dans un environnement non immergé et donc « à l’air libre » les couplages qui existent entre un fluide et une structure mécanique. Les instabilités atteintes lorsque la vitesse d’écoulement du fluide a dépassé la vitesse dite « critique » (vitesse à partir de laquelle l’amortissement de la structure devient négatif, ce qui occasionne des chocs) peuvent être ainsi recréées par les actionneurs ACT sans écoulement d’un fluide. Dans le cas d’un échangeur de chaleur tel qu’un générateur de vapeur, les contacts entre les tubes et les plaques entretoises peuvent alors être étudiés afin d’alimenter les modèles d’usure.

La figure 5 illustre une installation pour une application de l’invention à des essais hybrides reproduisant, sur un tube en U inversé tenu par des plaques entretoises et dans un environnement non immergé, les couplages mécaniques existants entre les tubes et un fluide monophasique ou diphasique du circuit secondaire d’un générateur de vapeur, à titre d’exemple de réalisation. L’installation présentée en figure 5 comporte : - un tube 2, en U inversé, encastré à sa base, des plaques entretoises 5 ou un dispositif de contact analogue, - un ou plusieurs capteurs 20 permettant d’évaluer le comportement dynamique de la structure (typiquement des capteurs de déplacement, de vitesse, d’accélération, de déformation, ou autres), et alimentent le microcontrôleur (illustré sur la figure 5 par les blocs 30, 31, 32, 33, 34), - un ou plusieurs capteurs 21 permettant de caractériser les contacts (cellule de force par exemple) et mesurer/quantifier/qualifier notamment les chocs éventuels (occurrence des chocs par exemple) entre le tube 2 et l'entretoise 5, - un ou plusieurs actionneurs 22 reproduisant le chargement fluide sur le tube 2, calculé par le modèle physique que génère à titre illustratif le bloc 32 de la figure 5, - le microcontrôleur (illustré par les blocs 30, 31, 32, 33, 34), pilotant les actionneurs 22 à partir de signaux issus des capteurs 20 et d’un modèle physique (issu du bloc 32) qui considère les couplages entre le fluide et la structure.

Les signaux issus des capteurs sont conditionnés par le bloc 30 (à titre d’interface d’entrée), puis retraités afin d’être exploités par le modèle physique (bloc 31). Le modèle physique (interactions fluide-structure) est alors ensuite utilisé par le bloc 32 pour générer des signaux de commande des actionneurs (bloc 33). Les actionneurs permettent d’appliquer sur le tube 2 les efforts qui seraient créés par le fluide sur la structure (bloc 34).

Dans les configurations pour lesquelles les forces fluides rendent le tube instable (amortissement négatif), les contacts entre le tube et les plaques entretoises peuvent être étudiés par l’intermédiaire de capteurs 21 prévus à cet effet. Il peut par exemple s’agir de capteurs de force, de pression, de vitesse relative entre le tube et la plaque entretoise, etc.

Par exemple, le microcontrôleur peut effectuer une opération d’asservissement par rétroaction avec un bouclage de type : Structure => Capteur => Microcontrôleur => Actionneur => Structure. Le microcontrôleur comporte en outre un bloc 34 pour transformer ensuite les signaux calculés par le bloc 33 en consignes de commande des actionneurs (transformation des signaux de commande en signaux de puissance qui permettront l’application des forces d’action via les actionneurs).

Les actionneurs 22 sont ainsi pilotés dans le but de reproduire la dynamique du tube soumis à un chargement fluide.

Le modèle de couplage issu du bloc 32 est construit à partir de résultats expérimentaux. Dans la pratique, le pilotage par le biais d’un microcontrôleur numérique s’effectue de manière « discrète » (non continue dans le temps) avec un temps de retard qui peut dépendre des capacités du microcontrôleur (temps « quasi- réel » selon la définition donnée précédemment), pour une mise à jour des signaux de commande. Pour des applications dynamiques, le rafraîchissement des signaux de commande doit être le plus court possible.

Plus particulièrement, en référence à la figure 5 : - le bloc 30 de conditionnement des signaux électriques bruts issus des différents capteurs 20 et 21 transforme une grandeur mesurée en une grandeur physique exploitable par les autres blocs du microcontrôleur (par exemple, les charges générées par des accéléromètres piézoélectriques peuvent être transformées en une tension proportionnelle à l’accélération : ces tensions peuvent également être filtrées pour des raisons pratiques ; le bloc 31 transforme ces signaux issus du bloc 30 en une grandeur physique exploitable utile au bloc 32. Le bloc 31 comprend séquentiellement une numérisation des signaux, puis une série d’opérations ayant pour but de construire des variables physiques qui alimentent le modèle physique du bloc 32; le bloc 32 contient un modèle physique du tube couplé au fluide. Les variables physiques issues du bloc 31 alimentent le modèle de la sous-structure numérique. Il s’agit d’un modèle du fluide qui a par exemple, comme paramètres d’entrée, le comportement vibratoire du tube, la vitesse d’écoulement du fluide et des paramètres qui caractérisent le tube, le fluide et leurs interactions. Ce modèle détermine alors quelles sont les forces générées par le fluide sur le tube ; - le bloc 33 transforme les variables physiques de type force fluide à appliquer sur la structure expérimentale en signaux de commande qui alimentent les actionneurs 22 ; le bloc de commande 34 transforme les signaux de commande en signaux de puissance alimentant les actionneurs 22.

La figure 6 présente plus en détail les interactions entre un microcontrôleur (commandé par un utilisateur), la sous-structure numérique et la sous-structure expérimentale. Les interactions sont gérées en temps « quasi-réel » par le microcontrôleur.

Dans un premier temps, une identification (étape 86) de l’élément mobile la structure mécanique (matérialisée par le tube instrumenté à l’étape 87) est réalisée après la mesure des fonctions de transfert (étape 85) entre les tensions aux bornes des actionneurs et les signaux issus des capteurs. Cette identification a pour but de : construire un modèle expérimental de la structure (étape 83) déterminer des filtres spatiaux (88, 91) des capteurs et des actionneurs. Les filtres dits « spatiaux» ont pour rôle d’extraire l’état modal de la structure (88) ou de transformer par exemple une «force modale» en «forces locales» (91). Pour l’application décrite ici à titre d’exemple, une stratégie de contrôle modal par filtrage spatial est choisie mais d’autres techniques de contrôle peuvent être employées.

En fonction d’au moins un paramètre tel que la vitesse d’écoulement du fluide (80) (ou encore d’autres paramètres tels que la pression, ou autres), défini par l’utilisateur, les interactions (82) entre le modèle de la structure (83) et le modèle du fluide (81) sont calculées. Les forces ainsi générées par le fluide sur le tube peuvent être recrées par le biais du contrôleur (84) de la sous-structure numérique du tube (83) et peuvent être appliquées à la sous-structure expérimentale (87) en temps quasi-réel.

Une action par le biais d’actionneurs (92), proportionnelle à une accélération, a pour effet de modifier la « masse apparente » de la structure. La notion de « masse apparente » permet d’indiquer que la structure se comporte comme si elle avait été modifiée par l’ajout ou le retrait de masse. De même, des actions proportionnelles à une vitesse ou à un déplacement permettent de modifier l’amortissement et la raideur de la structure.

Les éléments permettant la réalisation du contrôle sont chargés sur le microcontrôleur en temps quasi-réel. Il s’agit des filtres spatiaux des capteurs et des actionneurs (respectivement 88 et 91) ainsi que des filtres de contrôle (90).

Grâce au fonctionnement du microcontrôleur en quasi temps quasi-réel, les états modaux sont estimés ou observés (89), puis modifiés par des filtres de contrôle numérique (90) calculés lors du réglage du contrôleur (84). La sortie des filtres est une commande modale. Puis, les commandes modales sont retransformées en commandes locales par les filtres spatiaux des actionneurs (91). Les efforts équivalents à ceux qui auraient été générés par le fluide sont exercés par les actionneurs (92) sur la sous-structure expérimentale (87).

Lors des phases d’instabilité dues à une vitesse d’écoulement (80) supérieure à la vitesse critique (vitesse à partir de laquelle le tube entre en instabilité occasionnant des chocs), le tube vient en contact avec les plaques entretoises (87). Ainsi, des chocs (94) peuvent être étudiés, afin d’alimenter ensuite un modèle d’usure.

Typiquement dans l’exemple d’application, lors du colmatage des plaques entretoises, le premier mode de flexion « hors plan » est celui qui entre le premier en instabilité. La figure 7 est la carte des pôles du premier mode de flexion hors plan. Afin d’alléger la lecture, seule la partie imaginaire positive de la paire de pôles est présentée. L’évolution du lieu des pôles (fréquences et amortissements propres) du premier mode de flexion hors plan, lorsque la vitesse de fluide augmente jusqu’à atteindre la vitesse critique (pôles à partie réelle positive) est présentée en traits pointillés. L’évolution du lieu des pôles du premier mode de l’élément mobile de la structure non immergée lorsque l’asservissement est mis en œuvre est présenté en traits continus. L’écart entre les deux courbes est dû principalement à l’erreur d’identification de la dynamique de l’élément mobile de la structure contrôlée (erreur sur l’identification des fonctions de transfert entre les actionneurs et les capteurs lorsque la structure est contrôlée).

Cet exemple montre qu’il est possible de recréer expérimentalement sur un tube non immergé, les couplages fluide-élastiques et ainsi recréer les instabilités qui donnent lieu aux chocs entre le tube et les plaques entretoises.

De manière générale, des grandeurs physiques comme les forces, les contraintes, les champs de pression, les déformations, etc. peuvent être évaluées expérimentalement.

De manière plus générale, bien entendu, la présente invention ne se limite pas aux formes de réalisation décrites ci-avant à titre d’exemple ; elle s’étend à d’autres variantes.

En fonction de la finalité des essais, les techniques de contrôle employées ne sont pas restreintes à l’approche présentée ci-avant. Les modèles employés pour décrire le fluide, la structure et les interactions peuvent être de tous types (éléments finis, analytique, expérimental, etc). De même, l’approche de contrôle n’est pas nécessairement une approche de contrôle par rétroaction modale utilisant des filtres spatiaux.

La stratégie de contrôle par rétroaction employée ci-avant est dite « modale » car les actions exercées sont focalisées sur les modes. Il est ainsi possible d’affecter uniquement la dynamique d’un mode sans modifier le comportement global de la structure. Il existe d’autres techniques de contrôle modal. Elles n’utilisent pas de filtres spatiaux mais un modèle de la structure pour reconstruire l’état modal. D’autres approches de contrôle « non modale » peuvent être employées, par exemple de simples boucles d’asservissement par rétroaction locale. Le contrôle dit « par anticipation » n’est pas non plus à exclure.

Claims (14)

1. Revendications

   1. Procédé d’analyse de comportement d’une structure mécanique en réponse à un chargement fluide, par simulation d’une circulation de fluide en interaction avec la structure, le procédé étant caractérisé en ce qu’il comporte un essai hybride mettant en œuvre : - au moins un actionneur mécanique (87), piloté par un microcontrôleur (MIC) pour produire une vibration choisie de la structure (91,92), et - au moins un capteur de vibration pour mesurer une vibration effective (89) de ladite structure, et en ce que le procédé comporte les étapes : - prévoir un modèle d’interaction du fluide avec la structure (81,82,83), - commander le microcontrôleur pour activer l’actionneur et interpréter des mesures de vibration reçues du capteur, en affinant une consigne d’activation de l’actionneur, en fonction : • d’une part, desdites mesures de vibration reçues du capteur, et • d’autre part, en fonction dudit modèle d’interaction du fluide avec la structure, - affiner successivement ladite consigne d’activation de l’actionneur (92) au moins pour déterminer des conditions d’interaction du fluide avec la structure menant jusqu’à des chocs dans la structure (93,94).
2. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu’il comporte en outre une étape : - analyser le comportement de la structure, en outre après une apparition de chocs dans la structure (93,87).
3. 3. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les vibrations effectives reçues du capteur sont mesurées et utilisées en temps quasi-réel.
4. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l’étape d’affiner successivement la consigne d’action de l’actionneur est menée en fonction d’un paramètre d’écoulement du fluide (80).
5. 5. Procédé selon la revendication 4, caractérisé en ce que le paramètre d’écoulement du fluide est une vitesse d’écoulement (80).
6. 6. Procédé selon l'une des revendications 4 et 5, caractérisé en ce qu’il comporte en outre une étape d’établissement d’un profil de pôles de la structure en fonction dudit paramètre d’écoulement du fluide.
7. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que l’étape d’établissement dudit profil est suivie d’une étape de détermination d’au moins une paire de pôle à partie réelle positive, caractérisant une instabilité de la structure susceptible d’entraîner des chocs dans la structure.
8. 8. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la structure mécanique comporte un élément mobile (2) dans un élément de guidage (51) autorisant un jeu entre l’élément mobile et l’élément de guidage.
9. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que la structure mécanique comporte un échangeur de chaleur comprenant un ou plusieurs tubes (2) guidés par une ou plusieurs plaques entretoises, et en ce que lesdits chocs dans la structure comportent au moins des chocs entre un tube et une plaque.
10. 10. Procédé selon la revendication 9, caractérisé en ce que ledit essai hybride comporte la simulation d’un passage de fluide au moins dans des ouvertures foliées aménagées dans les plaques entretoises et accueillant chacune un tube.
11. 11. Procédé selon l’une des revendications 9 et 10, caractérisé en ce que ladite structure mécanique est relative à un générateur de vapeur d’une centrale de production d’énergie électrique, avec un échange de chaleur entre un circuit primaire incluant lesdits tubes et un circuit secondaire avec un passage de fluide du circuit secondaire dans des ouvertures foliées aménagées dans les plaques entretoises.
12. 12. Procédé selon l'une des revendications 9 à 11, caractérisé en ce que l’essai hybride met en œuvre en outre au moins un capteur permettant l’évaluation de contacts entre un tube au moins et une ou plusieurs plaques.
13. 13. Programme informatique caractérisé en ce qu’il comporte des instructions pour la mise en œuvre du procédé selon l’une des revendications 1 à 12, lorsque ce programme est exécuté par un processeur.
14. 14. Installation d’analyse de comportement d’une structure mécanique en réponse à un chargement fluide, par simulation d’une circulation de fluide en interaction avec la structure, Caractérisée en ce que l’installation comporte : - au moins un actionneur mécanique, piloté par un microcontrôleur pour produire une vibration choisie de la structure, et - au moins un capteur de vibration pour mesurer une vibration effective de ladite structure, et en ce que le microcontrôleur comporte un circuit informatique agencé pour : - élaborer un modèle numérique d’interaction du fluide avec la structure, - activer l’actionneur et interpréter des mesures de vibration reçues du capteur, en affinant une consigne d’activation de l’actionneur, en fonction : • d’une part, desdites mesures de vibration reçues du capteur, et • d’autre part, en fonction dudit modèle d’interaction du fluide avec la structure, - affiner successivement ladite consigne d’activation de l’actionneur au moins pour déterminer des conditions d’interaction du fluide avec la structure menant jusqu’à des chocs dans la structure.