FR3135782A1

FR3135782A1 - Procédé de contrôle actif des vibrations d’une pièce et système associé

Info

Publication number: FR3135782A1
Application number: FR2204653A
Authority: FR
Inventors: Rafik Hadjria; Oscar D'Almeida; Hakim Maalioune; Nazih Mechbal; Stephan ROCHE
Original assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; CNAM Conservatoire National des Arts et Metiers; Ecole National Superieure dArts et Metiers ENSAM; Safran SA
Current assignee: Centre National de la Recherche Scientifique CNRS; CNAM Conservatoire National des Arts et Metiers; Ecole National Superieure dArts et Metiers ENSAM; Safran SA
Priority date: 2022-05-17
Filing date: 2022-05-17
Publication date: 2023-11-24
Anticipated expiration: 2042-05-17
Also published as: FR3135782B1

Abstract

PROCÉDÉ DE CONTRÔLE ACTIF DES VIBRATIONS D’UNE PIÈCE ET SYSTÈME ASSOCIÉ Un aspect de l’invention concerne un procédé de contrôle actif des vibrations d’une pièce structurelle (110) couplée à une source de vibration (16), comprenant : évaluer un état de santé de la pièce (110) ;déterminer une bande de fréquences des vibrations générées par la source de vibration (16) ;identifier au moins un mode de vibration de la pièce structurelle (110) à atténuer en fonction de son état de santé (K), chaque mode de vibration identifié étant compris dans la bande de fréquences des vibrations générées par la source de vibration (16) ;calculer une loi de commande (U) des transducteurs ; etatténuer, au moyen des transducteurs (31) suivant la loi de commande (U), l’amplitude de chaque mode de vibration identifié. Figure à publier avec l’abrégé : Figure 3

Description

PROCÉDÉ DE CONTRÔLE ACTIF DES VIBRATIONS D’UNE PIÈCE ET SYSTÈME ASSOCIÉ

DOMAINE TECHNIQUE DE L’INVENTION

Le domaine technique de l’invention est celui du contrôle actif des vibrations d’une pièce structurelle d’un ensemble propulsif pour aéronef.

ARRIÈRE-PLAN TECHNOLOGIQUE DE L’INVENTION

Une pièce structurelle d’un ensemble propulsif, telle qu’une entrée d’air d’une nacelle d’ensemble propulsif, peut être soumise à un environnement opérationnel sévère et présenter une fatigue dynamique et/ou un niveau vibratoire élevé pendant son utilisation.

Afin de réduire le risque de défaillance, l’identification d’une plage de fonctionnement dans un environnement opérationnel donné ou un surdimensionnement de la pièce structurelle peut être prévu. Un agenda de maintenance peut également être défini, cet agenda comprenant des inspections de la pièce, voire le remplacement de cette dernière lorsqu’elle présente un endommagement significatif.

Afin de réduire le rythme de remplacement des pièces structurelles et également réduire le surdimensionnement desdites pièces, il est connu de mettre en œuvre un procédé de contrôle des vibrations d’une pièce mécanique, comprenant l’ajout d’un dispositif d’amortissement passif appelé « shunt ». Un shunt comprend une pluralité de transducteurs piézoélectriques distribués sur la pièce structurelle. Les électrodes de chaque transducteur piézoélectrique sont connectées à un circuit électrique résonant, par exemple de type RL, accordé à une fréquence de résonance de la pièce structurelle. Le shunt permet ainsi de réduire l’amplitude de vibration de ladite pièce à la fréquence de résonance ciblée. Lorsque la pièce présente plusieurs fréquences de résonance à atténuer, il suffit de mettre en œuvre plusieurs circuits électriques résonants, chacun des circuits étant accordé à une des fréquences de résonance de la pièce.

En revanche, lorsque la pièce subit un endommagement, ses fréquences de résonance peuvent se décaler et s’éloigner des fréquences ciblées par le shunt, réduisant sa capacité d’amortissement.

Afin de prendre en compte un endommagement de la pièce structurelle, l’article [« Damage Tolerant Active Control : Concept and State of Art » N. Mechbal et E. G. O. Nobrega, 8^èmesymposiumIFAC sur « Fault Detection, Supervision, and Safety of Technical Processes (SAFEPROCESS) », p.63-71, 2012] décrit un procédé de contrôle actif des vibrations tolérant à l’endommagement, également appelé « damage tolerant active control » en anglais. Un ensemble de transducteurs sont répartis sur une pièce. Les transducteurs sont pilotés par un contrôleur mettant en œuvre une loi de commande. Lorsqu’un dommage est détecté, la loi de commande du contrôleur est reconfigurée pour tenir compte du dommage détecté, de manière à réduire l’intensité des vibrations au niveau du dommage. L’évolution du dommage est ainsi ralentie, voire stoppée. La loi de commande du contrôleur peut être reconfigurée pour prendre en compte de nouvelles informations relatives au dommage détecté.

Toutefois, l’obtention de la loi de commande peut nécessiter des moyens de calculs conséquents et un temps de calcul important, non compatible avec les contraintes d’un système embarqué d’un aéronef.

Il existe donc un besoin d’un procédé de contrôle actif des vibrations d’une pièce structurelle d’un ensemble propulsif pour aéronef, qui soit tolérant à la présence d’un dommage et qui puisse être rapidement déployé.

Un aspect de l’invention concerne un procédé de contrôle actif des vibrations d’une pièce structurelle d’un ensemble propulsif pour aéronef, l’ensemble propulsif comprenant une source de vibration, couplée à la pièce structurelle, une pluralité de transducteurs étant répartie sur la pièce structurelle, le procédé comprenant des étapes suivantes :

évaluer un état de santé de la pièce structurelle au moyen d’une partie au moins des transducteurs, l’état de santé de la pièce structurelle comprenant une cartographie d’une propriété mécanique de ladite pièce structurelle ;
déterminer une bande de fréquences des vibrations générées par la source de vibration à partir d’un mode de fonctionnement de l’ensemble propulsif ;
identifier au moins un mode de vibration de la pièce structurelle à atténuer en fonction de son état de santé, chaque mode de vibration identifié étant compris dans la bande de fréquences des vibrations générées par la source de vibration ;
calculer une loi de commande d’une partie au moins des transducteurs pour atténuer au moins un mode de vibration ciblé parmi ledit au moins un mode de vibration identifié ; et
atténuer, au moyen des transducteurs suivant la loi de commande, l’amplitude de chaque mode de vibration ciblé lorsque la pièce structurelle est mise en vibration par la source de vibration.

Par ensemble propulsif, on entend un ensemble comprenant une turbomachine et une nacelle supportant l’ensemble propulsif.

Le procédé permet d’atténuer au moins un mode de vibration de la pièce structurelle lorsque cette dernière est mise en vibration par la source de vibrations. L’évaluation de l’état de santé prend en compte la présence ou non d’un endommagement de la pièce structurelle, par ses répercussions sur les propriétés structurelles de la pièce. Le calcul de la loi de commande, prenant en compte l’état de santé de la pièce structurelle, adapte l’atténuation d’un mode de vibration à la présence ou non d’un endommagement et également à une évolution de sa sévérité.

La détermination de la bande de fréquence des vibrations générées par la source de vibration à partir d’un mode de fonctionnement de l’ensemble propulsif et le recoupement de cette bande de fréquence avec les modes de vibration identifiés permettent de simplifier le calcul de la loi de commande des transducteurs. Elle peut donc être obtenue plus rapidement, ce qui permet notamment au procédé d’être mis en œuvre dans de nombreuses situations de vol (atterrissage, décollage…).

Outre les caractéristiques qui viennent d’être évoquées dans le paragraphe précédent, le procédé selon l’invention peut présenter une ou plusieurs caractéristiques complémentaires parmi les suivantes, considérées individuellement ou selon toutes les combinaisons techniquement possibles :

la pièce structurelle comprend un endommagement et dans lequel :
- l’évaluation de l’état de santé de la pièce structurelle comprend également la détermination d’une portion de la pièce structurelle comprenant cet endommagement ;
- au moins un mode de vibration ciblé est un mode de vibration de la portion de la pièce structurelle comprenant l’endommagement ;
la source de vibration comprend une soufflante, un corps basse pression et un corps haute pression, et dans lequel la bande de fréquences des vibrations générées par la source de vibration est fonction de la vitesse de rotation d’éléments tournants de la soufflante, du corps basse pression et du corps haute pression ;
le calcul de la loi de commande est réalisé à partir d’un modèle géométrique de la pièce structurelle ;
le calcul de la loi de commande comprend une estimation d’une perturbation opérationnelle, indépendante des vibrations générées par la source de vibration, par exemple un bruit thermique ou un bruit électronique ;
la pluralité de transducteurs comprend des premiers transducteurs et des deuxièmes transducteurs, distincts des premiers transducteurs, les premiers transducteurs étant configurés pour évaluer l’état de santé de la pièce, les deuxièmes transducteurs étant configurés pour atténuer l’amplitude de chaque mode de vibration ciblé en suivant la loi de commande ;
les premiers transducteurs comprennent chacun un matériau céramique piézoélectrique et les deuxièmes transducteurs comprennent chacun un empilement de matériaux composites piézoélectriques ;
la pièce structurelle est une pièce fixe de l’ensemble propulsif, telle qu’une entrée d’air ou un diffuseur, ou une pièce tournante de l’ensemble propulsif, telle qu’une aube de soufflante ou une pale de rotor pour hélicoptère.

Un autre aspect de l’invention concerne un système de contrôle actif des vibrations d’une pièce structurelle d’un ensemble propulsif, ledit système comprenant :

une pluralité de transducteurs configurés pour être répartis sur la pièce structurelle ;
une unité d’acquisition qui, à partir de signaux transmis par une partie au moins des transducteurs, est configurée pour évaluer un état de santé de la pièce structurelle, l’état de santé de la pièce structurelle comprenant une cartographie d’une caractéristique mécanique de ladite pièce structurelle ;
un contrôleur configuré pour :
- déterminer une bande de fréquences des vibrations générées par la source de vibration à partir d’un mode de fonctionnement de l’ensemble propulsif ;
- identifier au moins un mode de vibration de la pièce structurelle à atténuer en fonction de son état de santé, chaque mode de vibration identifié étant compris dans la bande de fréquences des vibrations générées par la source de vibration ; et
- calculer une loi de commande d’une partie au moins des transducteurs pour atténuer au moins un mode de vibration ciblé parmi ledit au moins un mode de vibration identifié ;
une unité de pilotage configurée pour transmettre la loi de commande aux transducteurs afin d’atténuer l’amplitude de chaque mode de vibration ciblé lorsque la pièce structurelle est mise en vibration par la source de vibration.

L’invention et ses différentes applications seront mieux comprises à la lecture de la description qui suit et à l’examen des figures qui l’accompagnent.

BRÈVE DESCRIPTION DES FIGURES

Les figures sont présentées à titre indicatif et nullement limitatif de l’invention.

représente schématiquement un exemple d’un procédé de contrôle actif selon l’invention.

représente schématiquement un premier mode de réalisation d’un système de contrôle actif selon l’invention, mettant en œuvre le procédé de contrôle actif de la .

représente schématiquement un deuxième mode de réalisation d’un système de contrôle actif selon l’invention, mettant en œuvre le procédé de contrôle actif de la .

représente un premier résultat de simulation de contrôle actif de vibrations mettant en œuvre le procédé de contrôle actif selon l’invention.

représente un deuxième résultat de simulation de contrôle actif de vibrations mettant en œuvre le procédé de contrôle actif de la .

représente schématiquement un exemple de représentation d’état.

DESCRIPTION DÉTAILLÉE

Un procédé 9 de contrôle actif des vibrations d’une pièce structurelle 110 d’un ensemble propulsif 1 pour aéronef va maintenant être décrit en référence aux , et . L’ensemble propulsif 1 comprend par exemple une turbomachine 10 et une nacelle 11. L’ensemble propulsif 10 est par exemple un turboréacteur à double flux et double corps, comprenant une soufflante 12, un corps basse pression 13, un corps haute pression 14. La nacelle 11 est disposée autour de l’ensemble propulsif 10 et plus particulièrement autour de la soufflante 12, du corps basse pression 13 et du corps haute pression 14.

Lors du fonctionnement de l’ensemble propulsif 1, la pièce structurelle 110 peut être mise en vibration par une source de vibration 16 dudit ensemble 1. La pièce structurelle 110 telle qu’illustrée par les et est une entrée d’air appartenant à la nacelle de l’ensemble 1. Il peut également s'agir d’un diffuseur du corps basse pression 13 ou du corps haute pression 14. La pièce structurelle 110 peut également être une pièce tournante telle qu’une aube de soufflante ou encore une pale de rotor pour hélicoptère. Il peut également s’agir d’une structure de support de la nacelle au fuselage de l’aéronef. La source de vibration 16 de l’ensemble 1 peut comprendre un écoulement de gaz autour de l’ensemble propulsif 10 ou dans l’ensemble propulsif 10 ou encore des pièces tournantes en mouvement. La pièce structurelle 110, couplée à la source de vibration 16, va vibrer selon ses propres modes de vibration, également appelés modes de résonance. Toutefois, certains modes de vibration, ou certaines amplitudes de vibration, peuvent endommager la pièce structurelle 110 ou propager un endommagement 2 existant.

Le procédé 9 prévoit l’atténuation, également appelée « contrôle actif », d’au moins un mode de vibration de la pièce structurelle 110 au moyen d’une partie au moins d’une pluralité de transducteurs 31, répartis sur la pièce structurelle 110. Le procédé 9 est remarquable en ce que ladite partie au moins de la pluralité de transducteurs 31 suit une loi de commande U dont le calcul prend en compte un état de santé K de la pièce structurelle 110 et un régime de fonctionnement de l’ensemble propulsif 1.

Le procédé 9 de contrôle actif adapte donc l’atténuation des vibrations de la pièce structurelle 110 à la présence ou non d’un endommagement 2. Il peut également adapter l’atténuation des vibrations de manière à ralentir un vieillissement de la pièce 110 ou l’évolution d’un endommagement 2.

La représente schématiquement les étapes du procédé 9 de contrôle actif. Présenté de manière générale, le procédé 9 comprend notamment :

l’évaluation 91 de l’état de santé K de la pièce structurelle 110 ;
la détermination 92 d’une bande de fréquences des vibrations générées par la source de vibration 16 en fonction d’un mode de fonctionnement de l’ensemble propulsif 1 ;
l’identification 93 d’au moins un mode de vibration de la pièce structurelle 110 à atténuer en fonction de son état de santé K et de ladite bande de fréquences ;
le calcul 94 de la loi de commande U permettant d’atténuer au moins un mode de vibration ciblé parmi le ou les modes de vibration précédemment identifiés ; et
l’atténuation 95 de chaque mode de vibration ciblé lorsque la pièce structurelle 11 est mise en vibration par la source de vibration 16.

La représente schématiquement un premier mode de réalisation d’un système 3 de contrôle actif permettant de mettre en œuvre le procédé 9 de contrôle actif de la . Dans cet exemple, la pièce structurelle 110 est une entrée d’air de l’ensemble propulsif 1, également appelé entrée de nacelle.

Le sytème 3 comprend une pluralité de transducteurs 31. Chaque transducteur 31 peut être configuré pour générer un signal de mesure en fonction d’une amplitude de sa déformation, et ainsi permettre de cartographier une propriété mécanique de la pièce structurelle 110, ou être configuré pour se déformer en fonction d’un signal de commande appliqué à ses bornes et ainsi permettre la génération d’une vibration au sein de la pièce 110. Un transducteur 31 peut être formé à partir d’un matériau céramique piézoélectrique ou d’un empilement de matériaux composites piézoélectriques.

Dans un mode de réalisation préférentiel du système 3, la pluralité de transducteurs 31 comprend des premiers transducteurs et des deuxièmes transducteurs, distincts des premiers transducteurs. Les premiers transducteurs sont configurés pour cartographier une propriété mécanique de la pièce 110. Ils sont dits en mode récepteur ou en mode mesure. Les premiers transducteurs comprennent avantageusement un matériau céramique piézoélectrique, permettant d’atteindre une fréquence de génération/réception ultrasonore.

Les deuxièmes transducteurs sont configurés pour générer une vibration dans la pièce 110. Ils sont dits en mode actionneur ou en mode actif. Ils comprennent avantageusement un empilement de matériaux composites piézoélectriques, permettant de supporter un fort signal de commande.

Dans une variante de réalisation, les transducteurs 31 sont successivement configurés pour cartographier une propriété mécanique de la pièce 110 (mode mesure) et pour générer une vibration dans la pièce 110 (mode actionneur). Autrement dit, ce sont les mêmes transducteurs 31 qui cartographient la pièce 110 (dans un premier temps) et qui génèrent une vibration dans la pièce 110 (dans un deuxième temps).

Les transducteurs 31 sont répartis sur la pièce structurelle 110. Ils peuvent être disposés de manière ordonnée ou aléatoire sur la pièce structurelle 110. Chaque transducteur 31 peut être couplé à une surface de la pièce structurelle 110. Il peut également faire partie intégrante de la pièce structurelle, en ayant par exemple était introduit dans la pièce 110 lors de sa fabrication.

Le système 3 comprend également une unité d’acquisition 32, reliée électriquement à une partie au moins des transducteurs 31, ceux en mode « mesure ». L’unité d’acquisition 32 est configurée pour évaluer (étape 91) l’état de santé K de la pièce structurelle 110, notamment à partir de signaux de mesure transmis par les transducteurs 31.

L’état de santé K comprend une cartographie d’une propriété mécanique de ladite pièce structurelle 110. L’état de santé K permet ainsi de déterminer si la pièce structurelle 110 est saine ou si elle comprend un endommagement, notamment de nature mécanique. En effet, un endommagement mécanique modifie les propriétés mécaniques d’une pièce, tels que son module d’élasticité ou sa densité. À titre d’exemple, une pièce en composite comprenant une partie délaminée, peut présenter un module d’élasticité réduit et/ou une densité réduite au niveau de la partie délaminée. Ainsi, une cartographie de propriétés mécaniques telles que le module d’élasticité et/ou la densité, permet de déterminer si ladite pièce comprend une partie endommagée.

Sans que la pièce structurelle 110 ne soit nécessairement endommagée, elle peut également présenter un vieillissement, se traduisant également par une modification de ses propriétés mécaniques. À titre d’exemple une fois encore, une pièce soumise à une contrainte répétée peut présenter un vieillissement dynamique modifiant par exemple son module d’élasticité. Ainsi, une cartographie d’une propriété mécanique, telle que son module d’élasticité, permet de déterminer l’état de vieillissement de la pièce 110.

L’état de santé K de la pièce structurelle 110 comprend avantageusement une cartographie de l’impédance acoustique de la pièce structurelle 110. L’impédance acoustique d’une pièce mécanique est fonction de son module d’élasticité et de sa densité. Elle permet donc de déterminer si la pièce structurelle 110 présente un endommagement ou un vieillissement. De plus, la cartographie de l’impédance acoustique de la pièce structurelle 110 peut être obtenue par la mise en œuvre d’un contrôle non destructif de la pièce. Par exemple, l’unité d’acquisition 32 peut mettre en œuvre une partie au moins de la pluralité de transducteurs 31 de manière à réaliser un contrôle non destructif de la pièce structurelle 110 et ainsi obtenir son état de santé K.

Le système 3 comprend également un contrôleur 34. Il s’agit par exemple d’un système électronique autonome dit « système embarqué ». Le contrôleur 34 fait par exemple partie d’un calculateur, appelé « calculateur nacelle », destiné à commander des éléments de la nacelle 11 de l’ensemble propulsif 1. Il est avantageusement connecté à l’unité d’acquisition 32 afin de pouvoir recevoir l’état de santé K de la pièce structurelle 110.

Le contrôleur 34 est configuré pour réaliser une étape de calcul 94 de la loi de commande U d’une partie au moins des transducteurs 31, ceux en mode « actionneur, afin qu’ils d’atténuent un ou plusieurs modes de vibration ciblé de la pièce structurelle 110. Pour cela, le contrôleur 34 est avantageusement configuré pour réaliser, au préalable, une étape de détermination 92 d’une bande de fréquences des vibrations générées par la source de vibration 16.

La source de vibration 16 peut présenter une caractéristique, appelée enveloppe vibratoire, représentant l’amplitude des vibrations que peut générer la source de vibration en fonction de la fréquence desdites vibrations. L’enveloppe vibratoire peut être large, auquel cas elle permet d’exciter plusieurs modes propres de la pièce structurelle 110. Toutefois, le calcul de la loi de commande pourrait nécessiter des moyens de calcul conséquent. En effet, le calcul de la loi de commande peut mettre en œuvre la résolution d’une représentation d’état. En considérant l’intégralité de l’enveloppe vibratoire, la représentation d’état serait d’une grande dimension, par exemple de où est le nombre de modes de vibration de la pièce structurelle 110 excités par l’enveloppe vibratoire. La résolution de la représentation d’état de grande dimension peut entraîner une complexité calculatoire conséquente et/ou un temps de calcul long. Or, il est attendu que le contrôle actif des vibrations d’une pièce structurelle 110 de l’ensemble propulsif 1 d’aéronef puisse être déployé rapidement, par exemple dans un délai inférieur à 1 min. De la sorte, le contrôle actif des vibrations peut s’adapter rapidement aux changements de modes de fonctionnement de l’ensemble propulsif 1. Il est également attendu que les calculs nécessaires au contrôle actif des vibrations puissent être réalisés avec des moyens limités. En effet, les moyens de calcul embarqués sur un aéronef, tel que le contrôleur 34, peuvent être limités, afin de réduire le poids total embarqué et/ou leur consommation énergétique.

La restriction du calcul de la loi de commande à une bande de fréquences issue de l’enveloppe vibratoire permet de réduire le nombre de modes de vibration de la pièce structurelle 110 considéré. Ainsi, la représentation d’état correspondante, permettant le calcul de la loi de commande U, voit sa dimension réduite. La complexité calculatoire et/ou le temps de calcul sont donc réduits.

Afin que la détermination de la bande de fréquences permette une atténuation efficace des vibrations, il est avantageux qu’elle cible en priorité les fréquences pouvant entraîner des vibrations de fortes amplitudes de la pièce structurelle 110. Pour cela, la bande de fréquences peut en priorité inclure des fréquences de l’enveloppe vibratoire, dont l’amplitude associée est élevée.

La détermination de la bande de fréquences peut également être fonction d’un mode de fonctionnement de l’ensemble propulsif 1. En effet, le mode de fonctionnement de l’ensemble propulsif 1 peut varier selon qu’un aéronef, emportant l’ensemble propulsif 1, soit en phase de décollage, de vol croisière ou d’atterrissage. Certaines vibrations de l’enveloppe vibratoire peuvent être inhibée dans certains modes de fonctionnement. Au contraire, dans certains autres modes de fonctionnement, ces vibrations peuvent être maximales. La détermination de la bande de fréquences peut alors être judicieusement choisie de manière à inclure des fréquences pertinentes correspondant à un mode de fonctionnement à un instant donné de l’ensemble propulsif 1.

Dans le procédé 9, le contrôleur 34 identifie , par exemple par le biais d’un calcul de réponse fréquentielle/modale, au moins un mode de vibration de la pièce structurelle 110 à atténuer en fonction de l’état de santé K de la pièce 110. Il s’agit par exemple de chaque mode de vibration pouvant impliquer un vieillissement dynamique de la pièce structurelle 110. Il peut également s’agir d’un mode de vibration dont l’amplitude au niveau d’un dommage 2 atteint un seuil.

Afin de garantir une complexité calculatoire réduite et un temps de calcul limité, chaque mode de vibration identifié est compris dans la bande de fréquences des vibrations générées précédemment déterminée.

Le contrôleur 34 calcule la loi de commande U des transducteurs 31 (en mode actionneur) pour atténuer au moins un mode de vibration dit « ciblé » choisi parmi les modes de vibration précédemment identifiés.

La loi de commande U est calculée de sorte qu’une partie au moins des transducteurs 31 répartis sur la pièce structurelle 110, par exemple les deuxième transducteurs, puisse générer au moins une vibration au sein de ladite pièce 110, permettant d’atténuer chaque mode de vibration ciblé, lorsque ladite pièce 110 est mise en vibration par la source de vibration 16. Chaque vibration générée par ces transducteurs 31 présente par exemple une fréquence et une amplitude sensiblement égales à la fréquence et à l’amplitude d’un mode de vibration ciblé à atténuer. En revanche, chaque vibration générée par les transducteurs 31 présente avantageusement une phase opposée à la phase de dudit mode de vibration ciblé. De la sorte, les interactions destructives au sein de la pièce 110 réduisent l’amplitude totale de vibration de ladite pièce 110 à la fréquence de chaque mode de vibration ciblé. La loi de commande U peut donc être calculée 94 de manière à générer au moins une vibration dans la pièce 110 interagissant de manière destructive avec chaque de mode de vibration ciblé.

Le calcul 94 de la loi de commande U prend avantageusement en compte l’état de santé K de la pièce structurelle 1 et la bande de fréquences déterminée. Pour cela, une définition d’une représentation d’état du système et la résolution de cette représentation d’état peuvent être nécessaire. Un exemple de représentation d’état, illustré par la , connu en automatisme, peut être formulé comme suit :

où est par exemple le champ de déplacement ou champ de déformation de la pièce structurelle 110. est la vitesse associée aux modes propres de la pièce structurelle 110. est une observable, par exemple un signal de mesure reçu des transducteurs 31 en mode mesure. est la loi de commande, à envoyer aux transducteurs 31 en mode actionneurs.

est une matrice d’état. Elle prend en compte l’état de santé K de la pièce structurelle 110 et/ou ses propriétés mécaniques. Elle peut également prendre en compte des caractéristiques du circuit électromécanique comprenant la pluralité de transducteurs 31, tel qu’une un coefficient de couplage électromécanique ou une matrice de capacitance dudit circuit électromécanique. est une matrice de commande. est une matrice d’observation. est une matrice d’action. La détermination des matrices précitées peut être réalisée numériquement, par exemple au moyen d’une méthode de résolution par éléments finis.

Une autre représentation d’état peut être formulée comme suit :

où est un vecteur de perturbations opérationnelles, lesdites perturbations opérationnelles étant indépendantes des vibrations générées par la source de vibration 16. Il s’agit par exemple d’un bruit thermique ou d’un bruit électronique. Sa prise en compte dans la représentation d’état permet d’améliorer la robustesse du contrôle actif des vibration. et et sont des matrices de commande et d’action permettant d’inclure les perturbations opérationnelles dans la représentation d’état.

Une variable d’état supplémentaire , appelée vecteur de performance, peut être introduite pour prendre en compte l’état de santé K de la pièce structurelle 110 et plus particulièrement la présence de dommages ainsi que les caractéristiques du dommage (type de dommage, position et dimensions du dommage). et et sont des matrices d’observation et d’action permettant d’inclure les le vecteur performance dans la représentation d’état.

Le calcul 94 de la loi de commande U est avantageusement réalisé à partir d’un modèle géométrique de la pièce structurelle. Le modèle géométrique de ladite pièce 110 est par exemple utilisé pour établir une représentation d’état, et notamment la matrice d’état .

Le système 3 comprend également une unité de pilotage 33. L’unité de pilotage 33 est configurée pour actionner les deuxièmes transducteurs 31 suivant la loi de commande U précédemment calculée 94. De la sorte, les deuxième transducteurs 31 génèrent au moins une vibration suivant la loi de commande, permettant d’atténuer 95 l’amplitude de chaque mode de vibration ciblé lorsque la pièce structurelle 110 est mise en vibration par la source de vibration 16. L’unité de pilotage 33 est par exemple configurée pour transmettre une tension de commande aux deuxièmes transducteurs 31, en mode actionneurs.

L’unité de pilotage 33 peut également avantageusement mesurée l’observable . L’observable est par exemple obtenue au moyen de capteurs piézoélectriques ou de fibre optique à réseau de Bragg. Elle permet par exemple de mettre en œuvre une boucle de contre-réaction fermée.

Lorsque la pièce structurelle 110 comprend un endommagement 2, l’évaluation de l’état de santé K de la pièce structurelle 110 comprend avantageusement la détermination d’une portion 111 de la pièce structurelle 110 comprenant cet endommagement 2. Par exemple, la portion 111 entoure par exemple l’endommagement 2. La portion 111 est avantageusement définie par sa position au sein de la pièce 110, ainsi que ses dimensions.

Afin de ralentir, voire stopper, l’évolution de l’endommagement 2 provoqué par la vibration de la portion 111, le procédé 9 peut prévoir qu’au moins un mode de vibration parmi chaque mode de vibration ciblé, c’est à dire à atténuer, est un mode de vibration de la portion 111 de la pièce structurelle 110 comprenant ledit endommagement 2. Pour cela, l’identification 93 des modes de vibration de la pièce 110 à atténuer peut prioriser au moins un mode de vibration de ladite portion 111.

La représente un deuxième mode de réalisation du système 3 de contrôle actif mettant en œuvre le procédé 9 de contrôle actif. La permet notamment d’illustrer un exemple de source de vibration 16.

L’ensemble propulsif 1 comprend une nacelle 11, une turbomachine 10 comprenant une soufflante 12, un corps basse pression 13 et un corps haute pression 14. La nacelle 11 de l’ensemble propulsif 1 est disposée autour de la soufflante 12, du corps basse pression 13 et un corps haute pression 14. Elle présente, sur la gauche de la figure, une entrée d’air, également appelé entrée de nacelle.

Dans cet exemple, la source de vibration 16 peut comprendre :

la soufflante 12 ;
le corps basse pression 13 ; et
le corps haute pression 14.

En effet, les éléments précités peuvent générer des vibrations de fortes amplitudes dans l’ensemble propulsif 1, notamment en ce qu’ils comprennent des éléments tournants. La soufflante 12 comprend notamment par exemple une pluralité d’aubes, distribuées radialement. La rotation de la pluralité d’aubes peut être caractérisée par une vitesse de rotation FP, ou vitesse angulaire, appelée « fan passing » en anglais. Les corps basse et haute pression 13, 14 comprennent également chacun au moins un élément tournant, tel qu’un rotor de compresseur ou de turbine. La rotation d’un élément tournant du corps basse ou haute pression 13, 14 peut également être caractérisée par sa vitesse de rotation, également appelée régime, notée N1 pour le corps basse pression et N2 pour le corps haute pression.

Les vitesses de rotation FP, N1, N2 des éléments tournants de la soufflante 12 et des corps basse et haute pression 13, 14 sont alors avantageusement représentatives du mode de fonctionnement de l’ensemble propulsif 1. Aussi, la détermination 92 de la bande de fréquences des vibrations générées par la source de vibration 16 est avantageusement réalisée à partir desdites vitesses de rotation FP, N1, N2. Les vitesses de rotation FP, N1, N2 sont par exemple envoyé au contrôleur 34 par un calculateur moteur 15 ou FADEC pour « Full Automatic Digital Engine Control » en anglais.

La pièce structurelle 110 correspond également à l’entrée d’air, dans cette figure. Les transducteurs 31 sont de préférence disposés sur une surface radialement intérieure de la pièce structurelle 110.

Les vitesses de rotation N1, N2 et FP dépendent du type d’ensemble propulsif 1 à laquelle la pièce structurelle 110 appartient.

La représente un résultat de simulation du contrôle actif des vibrations d’une pièce structurelle. Il s’agit d’une plaque soumise à une vibration mécanique présentant une plage de fréquence comprise entre 0,2 Hz 240 Hz. Une pluralité d’actionneurs piézoélectriques est disposée sur une surface de la pièce. La représente une observable en fonction du temps . L’observable est en l’occurrence une tension mesurée aux bornes d’un capteur piézoélectrique, en PZT, distinct de la pluralité de transducteurs, en mode mesure.

Selon un premier scénario, noté « Scénario 1 » sur la figure, la pluralité de transducteurs est activée selon une première loi de commande, ne prenant pas en compte l’état de santé de la pièce ou une bande de fréquence des vibrations générées. Selon ce premier scénario, l’amplitude de vibration de la pièce varie en fonction du temps agissant dans la plage de fréquences 85Hz à 550 Hz. La tension maximale aux bornes du capteur piézoélectrique dépasse 0,1 V.

Selon un deuxième scénario, noté « Scénario 2 » sur la figure, la pluralité de transducteurs est activée selon une deuxième loi de commande, prenant en compte l’état de santé de la pièce et la bande de fréquence des vibrations générées. La loi de commande prend également en compte l’observable de manière à réaliser une contre-réaction en boucle fermée. La contre-réaction (c’est à dire la prise en compte de ) est déclenchée à partir d’un instant .

Selon ce deuxième scénario, après déclenchement de la contre-réaction, l’amplitude de vibration de la pièce est réduite et est constante. La tension mesurée aux bornes du capteur piézoélectrique est inférieure à 0.02 V.

La représente l’amplitude en décibel et la phase en radians de l’observable simulée selon les premier et deuxième scénarii de la . L’amplitude de l’observable présente deux pics et la phase présente deux pics de résonance à 85 rad/s et 550 rad/s, correspondant à deux modes propres de la pièce. Le procédé de contrôle actif des vibrations permet de réduire l’amplitude de vibration du premier mode de -40 dB et l’amplitude de vibration du deuxième mode de -13 dB.

Claims

Procédé (9) de contrôle actif des vibrations d’une pièce structurelle (110) d’un ensemble propulsif (1) pour aéronef, l’ensemble propulsif (1) comprenant une source de vibration (16), couplée à la pièce structurelle (110), une pluralité de transducteurs (31) étant répartie sur la pièce structurelle (110), le procédé (9) comprenant des étapes suivantes :
évaluer (91) un état de santé (K) de la pièce structurelle (110) au moyen d’une partie au moins des transducteurs (31), l’état de santé de la pièce structurelle (110) comprenant une cartographie d’une propriété mécanique de ladite pièce structurelle (110) ;

déterminer (92) une bande de fréquences des vibrations générées par la source de vibration (16) à partir d’un mode de fonctionnement de l’ensemble propulsif (1) ;

identifier (93) au moins un mode de vibration de la pièce structurelle (110) à atténuer en fonction de son état de santé (K), chaque mode de vibration identifié étant compris dans la bande de fréquences des vibrations générées par la source de vibration (16) ;

calculer (94) une loi de commande (U) d’une partie au moins des transducteurs pour atténuer au moins un mode de vibration ciblé parmi ledit au moins un mode de vibration identifié ; et

atténuer (95), au moyen des transducteurs (31) suivant la loi de commande (U), l’amplitude de chaque mode de vibration ciblé lorsque la pièce structurelle (11) est mise en vibration par la source de vibration (16).
Procédé (9) selon la revendication précédente, dans lequel la pièce structurelle (110) comprend un endommagement (2) et dans lequel :
l’évaluation de l’état de santé (K) de la pièce structurelle (110) comprend également la détermination d’une portion (111) de la pièce structurelle (110) comprenant cet endommagement (2) ;

au moins un mode de vibration ciblé est un mode de vibration de la portion (111) de la pièce structurelle (110) comprenant l’endommagement (2).
Procédé (9) selon la revendication précédente, dans lequel la source de vibration 16 comprend une soufflante (12), un corps basse pression (13) et un corps haute pression (14), et dans lequel la bande de fréquences des vibrations générées par la source de vibration (16) est fonction de la vitesse de rotation (FP, N1, N2) d’éléments tournants de la soufflante, du corps basse pression et du corps haute pression.
Procédé (9) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le calcul de la loi de commande est réalisé à partir d’un modèle géométrique de la pièce structurelle.
Procédé (9) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le calcul de la loi de commande comprend une estimation d’une perturbation opérationnelle, indépendante des vibrations générées par la source de vibration (16), par exemple un bruit thermique ou un bruit électronique.
Procédé (9) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel la pluralité de transducteurs comprend des premiers transducteurs et des deuxièmes transducteurs, distincts des premiers transducteurs, les premiers transducteurs étant configurés pour évaluer l’état de santé de la pièce, les deuxièmes transducteurs étant configurés pour atténuer l’amplitude de chaque mode de vibration ciblé en suivant la loi de commande (U).
Procédé (9) selon la revendication précédente, dans lequel les premiers transducteurs comprennent chacun un matériau céramique piézoélectrique et les deuxièmes transducteurs comprennent chacun un empilement de matériaux composites piézoélectriques.
Procédé (9) selon la revendication précédente, dans lequel la pièce structurelle (110) est une pièce fixe de l’ensemble propulsif, telle qu’une entrée d’air ou un diffuseur, ou une pièce tournante de l’ensemble propulsif (1), telle qu’une aube de soufflante ou une pale de rotor pour hélicoptère.
Système (3) de contrôle actif des vibrations d’une pièce structurelle (110) d’un ensemble propulsif (1) pour aéronef, ledit système (3) comprenant :
une pluralité de transducteurs (31) configurés pour être répartis sur la pièce structurelle (110) ;

une unité d’acquisition (32) qui, à partir de signaux transmis par une partie au moins des transducteurs (31), est configurée pour évaluer un état de santé de la pièce structurelle, l’état de santé de la pièce structurelle (110) comprenant une cartographie d’une caractéristique mécanique de ladite pièce structurelle (110) ;

un contrôleur (34) configuré pour :

déterminer une bande de fréquences des vibrations générées par la source de vibration (16) à partir d’un mode de fonctionnement de l’ensemble propulsif (1) ;

identifier au moins un mode de vibration de la pièce structurelle (110) à atténuer en fonction de son état de santé (K), chaque mode de vibration identifié étant compris dans la bande de fréquences des vibrations générées par la source de vibration (16) ; et

calculer une loi de commande (U) d’une partie au moins des transducteurs pour atténuer au moins un mode de vibration ciblé parmi ledit au moins un mode de vibration identifié ;

une unité de pilotage configurée pour transmettre la loi de commande (U) aux transducteurs (31) afin d’atténuer l’amplitude de chaque mode de vibration ciblé lorsque la pièce structurelle (11) est mise en vibration par la source de vibration (16).