Étude numérique de la robustesse des méthodes TPA et CB-TPA pour l’évaluation du bruit de structure dans les aéronefs induit par les systèmes vibrants

Rolland, Valentin (2020). Étude numérique de la robustesse des méthodes TPA et CB-TPA pour l’évaluation du bruit de structure dans les aéronefs induit par les systèmes vibrants. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Les avions sont équipés de systèmes responsables de vibrations se propageant au sein de la structure jusqu’aux panneaux intérieurs produisant du bruit dans la cabine. Ce bruit est appelé le bruit de structure (engl, Structure Borne Noise SBN), et est une des composantes principales du niveau sonore dans la cabine affectant le confort de tous les usagers. Le SBN résulte de l’assemblage d’une source de vibration sur une structure réceptrice généralement développées indépendamment : la structure réceptrice par l’avionneur et la source de vibration par un fournisseur. L’assemblage des deux composantes engendre un fort niveau de SBN dans la cabine si elles n’ont pas été développées en tenant compte de leur assemblage. Il est donc primordial de mettre en place une méthodologie robuste permettant (i) à l'avionneur d'émettre des spécifications pertinentes vers le fournisseur et lui donner les moyens de les vérifier (ii) caractériser les composantes de manière indépendante, (iii) prédire le SBN généré par l’assemblage à partir des caractéristiques des sous-structures découplées et (iv) modifier les composantes afin de réduire le SBN. Les méthodes d’analyse par chemins de transferts basées sur les composantes (engl, Component Based Transfer Path Analysis, CB-TPA) sont envisagées, car basées sur des propriétés passives des composantes (mobilités) et des propriétés actives intrinsèques de la source. D’autres méthodes, les TPA par inversion des forces (engl, TPA Inverse Force Synthesis, TPA-IFS) permettent de prédire le SBN à partir des propriétés passives de la structure réceptrice seule (mobilités) et des vitesses opérationnelles générées par la source sur l’assemblage. Les TPA-IFS sont régulièrement utilisées et bien qu’inadaptées aux contraintes de conception en aéronautiques (car nécessitant des mesures sur l’assemblage), elles seront comparées à titre indicatif aux méthodes CB-TPA. Les méthodes TPA et CB-TPA sont adaptées au contrôle du SBN mais sont encore peu appliquées dans l’industrie à cause d’erreurs expérimentales affectant significativement la justesse du SBN prédit. Deux types d’erreurs associés à la caractérisation des mobilités des sous-structures sont étudiés: (i) une erreur de type modèle liée au nombre de degrés de liberté considéré (engl. Degrees of Freedom, (DoFs)) et (ii) une erreur de type opérateur liée aux impacts « imparfaits » de marteau. Un modèle numérique a été développé afin d’évaluer l’impact de ces deux types d’erreurs sur la robustesse des méthodes TPA et CB-TPA pour diverses complexités d’assemblages et d’excitations vibratoires. Les résultats montrent que la translation selon l’axe normal au contact permet de parfaitement prédire les vitesses en un point cible de la structure réceptrice dans la direction normale dans le cas d’assemblage et de comportement vibratoire simples (assemblage de poutre et excitation interne normale pure). Dans les cas plus complexes (i.e., source qui génère des moments internes et plaque et source avec un comportement modal fort), les prédictions sont globalement satisfaisantes mais des écarts localisés en fréquence peuvent être observés et aboutir à de grandes erreurs de prédictions de SBN pour des sources tonales (pompes hydrauliques). Pour des prédictions exactes, les méthodes TPA-IFS nécessitent les termes d’amplitude élevé de la mobilité de la structure réceptrice et les CB-TPA ceux des mobilités des deux sous-structures (lorsque le ratio de mobilité est proche de 1). Les erreurs opérateurs s’avèrent être moins critiques que les erreurs de type modèle. Les mobilités de faibles amplitudes n’améliorent pas les prédictions et augmentent l’effet des erreurs opérateurs. L’identification de ces dernières pour les retirer des calculs est nécessaire pour l’obtention de prédictions robustes.

Titre traduit

Numerical study of the TPA and CB-TPA methods’ robustness for the assessment of the structure-borne noise in an aircraft cabin due to vibrating equipment

Résumé traduit

Aircrafts are equipped with many vibrating systems. These vibrations propagate from the structure of the devices to the cabin interior panels and thus generating noise. This noise, called Structure Borne Noise (SBN), contribute significantly to the global sound level in the cabin affecting the comfort of passengers and crew members. The SBN results from the assembly of a vibration source on a receiving structure generally developed independently: the receiving structure by the aircraft manufacturer and the vibration source by a supplier. The assembly of both components lead to high level of SBN in the cabin if they are not properly developed, taking into account their assembly. It is therefore essential to use a robust methodology allowing (i) the aircraft manufacturer to deliver relevant specifications to the supplier and give him the means to verify them (ii) characterize the components independently, (iii) predict the SBN generated by the assembly from the characteristics of the decoupled substructures and (iv) modify the components in order to reduce the SBN. Component Based Transfer Path Analysis (CB-TPA) are well suited because they are based on passive properties of the components (mobilities) and intrinsic active properties of the source. Other methods, TPA Inverse Force Synthesis (IFS) allow predicting SBN from the passive properties of the receiving structure (mobilities) and the operational speeds generated by the source on assembly. TPA-IFS are regularly used and although unsuitable to design constraints in aeronautics (because they require measurements on the assembly), they will be used to validate CB-TPA methods. The TPA and CB-TPA methods are suitable for controlling SBN but are widespread in the industry due to experimental errors significantly affecting the accuracy of predicted SBN. Two types of errors associated with the characterization of the mobility of substructures are studied in this work: (i) the model error related to the number of degrees of freedom considered (DoFs) and (ii) the operator error related to “incorrect” hammer impacts. A numerical model has been developed to assess the impact of these two types of errors on the robustness of the TPA and CB-TPA methods for various complexities of assemblies and vibrational excitations. The results show that the translation along the axis normal to the contact allows for perfectly predicting the velocity at a target point on the receiving structure in the normal direction in the case of simple assembly and vibratory behavior (beam assembly and pure normal internal excitation). In the more complex cases (i. e., source which générâtes internal moments and plate and source with a high modal behavior), the predictions are globally in good agreement with the reference but localized errors in frequency can be observed and can lead to large discrepancies in the predictions of SBN for tonal sources (such has hydraulic pumps). For exact predictions, the TPA-IFS methods require the terms of high amplitude of the mobility of the receiving structure and the CB-TPA those of the mobilities of the two substructures (when the mobility ratio is close to 1). Operator errors appear to be less critical than model errors. Mobility at low amplitudes does not improve predictions and increases the effect of operator errors. For obtaining robust predictions, it is necessary to identify and remove the operator errors from calculations.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Mémoire présenté à l’École de technologie supérieure comme exigence partielle à l’obtention de la maîtrise en génie mécanique". Comprend des références bibliographiques (pages 119-125).
Mots-clés libres:	bruit de structure (SBN), CB-TPA, TPA, mobilité, propagation d’incertitude
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Doutres, Olivier
Codirecteur:	Codirecteur Dupont, Thomas
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	11 févr. 2025 20:40
Dernière modification:	11 févr. 2025 20:40
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2535

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