DYSCO : DYnamique Structures Systèmes et Contrôle

Responsable : Philippe Lorong (PU)

Membres permanents : Etienne Balmes (PU Past), Jean-Philippe Bianchi (Ing. SDT), Monique Blanc (Prag), Gérard Coffignal (PU émérite), Marion De Roquefeuil (Prag), Jérôme Duchemin (Prag), Chirstophe Gengembre (AI cnrs), Jacques Gros la Faige (Tech.), Mikhaïl Guskov (MdC), Lounes Illoul (Ing.), Nazih Mechbal (MdC), Eric Monteiro (MdC), Nicolas Ranc (MdC 50%), Marc Rebillat (MdC), Guillaume Vermot des Roches (Ing SDT)  

Doctorants :  Juan Miguel Alvarez-Palacio, Elodie Arlaud, Zaïd Boussatine, Heloi Genari, Artem Gerasimenko, Meriem Ghrib, Abderrachid HamraniI, Emmanuel Lizé, Guillaume Martin, Olivier Vo-Van, Shaobo Yang

ATER : Farid Kadri

 


Le groupe DYnamique Structures Systèmes et Contrôle tire sa cohérence du partage de savoirs faire en modélisation numérique pour les structures, les systèmes et les procédés. Un accent est mis sur les aspects dynamiques (vibrations notamment), sur les phénomènes non-linéaires, sur la commande et la surveillance. Toutes les thématiques du groupe ont en commun la notion de structure et celle de modèle numérique.

Dans la plupart des études, la confrontation avec des applications réelles est présente. Cette confrontation constitue, pour certaines applications,  un axe de développement de méthodologies innovantes. Les structures étudiées sont variées et vont, pour les procédés, d'une pièce en cours de cisaillage à l'ensemble d'une machine-outil ou encore à un dispositif de forage, pour la commande ou la surveillance d'une interface tactile à des structures dites intelligentes et pour les vibrations d'un frein, à une turbomachine complète.

Les méthodes numériques développées concernent la commande et/ou la surveillance des structures et des systèmes, le comportement de la matière sous déformations sévères, la réduction de modèles en dynamique et les techniques d'approximation associées, le comportement de systèmes non linéaires (prise en compte du frottement, interaction outil/matière en usinage...), et l'analyse expérimentale (notamment l'analyse modale).

Actuellement, le savoir-faire en vibration est principalement pérennisé dans les librairies OpenFEM et SDT. Quant à celui relatif à l'usinage et à la CNEM, il est pérennisé dans la plate-forme Nessy. Des connexions Nessy/SDT voient actuellement le jour dans le domaine de la modélisation de composants des systèmes usinant (pieces avec leur attachement, broches avec outils montés). La collaboration forte avec la société SDTools permet de réaliser des projets finalisés avec des composants importants relevant plus du développement que de la recherche.

Le groupe est impliqué dans 3 master recherche : MAGIS, SAR et DSMSC

Principales thématiques

Modélisation de l'amortissement en vibration

Pilote : Etienne Balmes

Autres contributeurs : Jean-Philippe Bianchi, Mikhaïl Guskov

Sur cette thématique on a cherché à étendre les méthodes de conception et validation de structures amorties, abordé les problématiques de mise en œuvre de la conception pour des modèles de structures à plusieurs millions de DDL et continué à contribuer à la conception et à la validation de prototypes. En 2009 : projet ASTECH CALME sur l'amortissement dans les turbomachines, conception d'amortissement de pale pour l'ONERA, amortissement dans les vilebrequins avec PSA, projet d'élève de conception d'un traitement amortissant pour l'usinage avec la SNECMA. La thèse de Thibaud Thénint (CIFRE EDF) aborde les questions de dissipation par effets non-linéaires dans les systèmes à jeux.

Les prochaines années continueront d'apporter un approfondissement des outils, avec des critères de placement et dimensionnement sur les composants, des extensions à des physiques plus complexes (effets gyroscopiques, prise en compte des effets thermoélastiques, gestions de paliers non-linéaires, dissipation dans les liaisons en contact frottant, ...) sont en cours de développement pour des applications liées à l'usinage, au crissement, à la simulation de moteurs automobiles, à la stabilité des tubes d'échangeur de vapeur, ....

Méthodes de réduction en dynamique des structures

Pilote : Etienne Balmes

Autres contributeurs : Jean-Philippe Bianchi, Mikhaïl Guskov

Ce second thème est lié aux techniques d’approximation en dynamique. La thèse d’Adrien Bobillot a permis de formaliser le caractère générique des méthodes d’Itération sur les Résidus. La thèse d'Arnaud Sternchuss a permis d’étendre les concepts à des applications pour les machines tournantes avec prise en compte de modèles multi-étages (simulation des turbomachines), désaccordés et à vitesses variables. Une application assez originale a été mise en œuvre pour la SNCF dans le développement du code DYNAVOIE ; ce code prend en compte un modèle 3D détaillé d’une tranche de voie et utilise une technique de sous structuration périodique pour calculer des tassements de voie liés au passage de train. Des applications au crissement de frein, développées depuis 2006, servent de base à la thèse de Guillaume Vermot des Roches réalisée en collaboration avec Bosch. La thématique sera aussi abordée dans le projet ADEME ACOUFREN (crissement ferroviaire).

Les techniques de réduction de modèle restent un savoir-faire assez unique qui permet d'aborder des problèmes industriels dans tout leur détail géométrique et matériel. Le couplage réduction et calculs périodiques permet d'aborder des gammes de fréquences élevées.

Analyse modale expérimentale

Pilote : Etienne Balmes

Autre contributeur : Jean-Philippe Bianchi

Du côté des essais vibratoires, l’activité s’est concentrée sur les techniques d’exploitation simultanée de données, calculs et essais dans des modèles hybrides. Les travaux de la thèse de Mathieu Corus ont été étendus au cas de modifications dissipatives (thèse de B.Groult). Des essais sur les structures amorties ont été réalisés pour PSA, SNECMA, et l’ONERA avec la validation d’un modèle de panneau en nid d’abeille muni de patchs piézoélectriques (thèse de C.Florens). La compétence dans cette thématique est par ailleurs maintenue par des demandes industrielles assez régulières : ESA-ESTEC (corrélation table vibrante HYDRA), essais de structures amorties, VALEO (non linéarités dans une analyse modale d’optiques). Les réalisations internes du laboratoire portent sur la caractérisation modale des propriétés de structures en cours d'usinage.

Surveillance de l'intégrité des structures

Pilote : Nazih Mechbal

Autre contributeur : Gérard Coffignal

Ces travaux concernent les méthodes de SHM (Structural Health Monitoring) qui identifient l’endommagement dans des systèmes structurels et mécaniques. La définition de l’endommagement est limitée aux changements des propriétés matérielles et/ou géométriques de ces systèmes, y compris les changements de performances et de connectivité du système. Sont développés des algorithmes de détection et de localisation en ligne basés sur des méthodes d'identification expérimentale dites par sous-espace, une prise de décision statistique et des réseaux neuronaux.

Ces travaux s’appuient sur quatre bancs d’essais permettant de moduler le type de matériau (aluminium ou composites) et la complexité des structures (assemblage de formes simples par vis ou formes complexes). Toutes ces structures sont équipées de capteurs et actionneurs piézo-électriques dont le nombre et l'emplacement ont été optimisés.

Ces travaux se poursuivent dans le cadre du pôle de compétitivité Aéronautique en Ile de France ASTECH. En son sein, le projet "Matériaux et Structures Intelligents pour l’Électromagnétisme" (MSIE) vise à évaluer les concepts de nouveaux matériaux ou de structures pouvant permettre la réalisation de structures antennaires. Industriels participant à ce projet : EADS, DASSAULT AVIATION, SATIMO, INEO. Ces travaux font également l’objet d’une collaboration avec l’université UNICAMP à Campinas (Brésil). Le responsable du projet est le professeur Euripedes Nobrega.

Surveillance d'un processus de forage

Pilote : Nazih Mechbal

L'objet de cette étude est la définition et la mise en place d'une procédure de surveillance d'un processus de forage. Il s'agit principalement de prévenir un encrassement éventuel du trépan. En utilisant le modèle d’interaction trépan roche Détounay, nous avons pu montrer que le défaut d’encrassement se traduit par une modification de la pente dans le plan couple appliqué au trépan en fonction de la force de poussée. Les mesures très bruitées nous ont conduit, afin d'identifier la pente, à utiliser des méthodes statistiques de Monte Carlo et plus précisément une méthode d’identification à base de filtres particulaires. C’est une méthode qui génère aléatoirement un nombre élevé de particules, chacune étant représentative de l’état de santé du trépan. L’évolution de chaque particule est faite au moyen de plusieurs filtres de Kalman et le tri des particules est basé sur la méthode Rao Blackwell. L’ensemble fournit des estimations correctes de la pente et la détection de changement de pente est réalisée sans fausse alarme.

Des campagnes de mesures ont été accomplies sur un banc instrumenté situé à Pau et ce pour différentes roches.

Robotique pour personnes handicapées

Pilote : Nazih Mechbal

Ce travail porte sur la conception d'un robot dit "Pousseur" de fauteuil roulant pour handicapés. Des algorithmes de commande non linéaires, de planification et de navigation autonome ont été appliqués sur le robot. Les approches proposées intègrent des contraintes diverses comme la prise en compte des pathologies des utilisateurs : par exemple une commande dynamique qui gère les efforts sur la colonne vertébrale ou la locomotion sur différents sols.

Ce travail est réalisé en collaboration avec les enseignants de L'ISIR (Institut des Systèmes Intelligents et Robotisés - UPMC Paris 6) et en liaison avec la fondation d'aide aux handicapés HanditechAM. Les étudiants du master « Systèmes Avancés et Robotique » (SAR), dans lequel nous intervenons, participent activement à cette étude.

Interfaces tactiles

Pilote : Nazih Mechbal

Autre contributeur : Philippe Lorong

En liaison avec le CEA (équipe LIST), nous travaillons sur une interface tactile (thèse BDI). Le procédé développé (brevet FR0955065 CNRS/CEA) est un nouveau procédé qui concerne les interfaces homme-machine et plus particulièrement les surfaces tactiles planes ou courbes activables par touchers ainsi que l’interprétation dynamique des touchers en langage basé sur une gestuelle tactile (sémiotique tactile). Le système est fondé sur l'utilisation des figures d'illumination acoustique (excitation de la structure hors résonances). Ces figures permettent (par apprentissage) de localiser un toucher. Cette conception nécessite une étude approfondie de la théorie de la propagation des ondes de Lamb dans les plaques ou coques pour différents matériaux notamment le verre, les plastiques et les métaux. De plus, elle requiert la réalisation de nombreux dispositifs de test : les contraintes d’intégration mécanique nécessitent une modélisation par éléments finis des effets des conditions aux limites ainsi que des moyens de mesures précis.

Simulation numérique des phénomènes dynamiques en usinage

Pilote : Philippe Lorong

Autres contributeurs : Gérard Coffignal, Mikhaïl Guskov, Jérôme Duchemin

Cette thématique à pour but le développement d'une approche globale visant à prédire : i) les vibrations du système pièce/outil/machine en cours d'usinage,  ii) la géométrie fine de la surface usinée (défauts de l'ordre du 1/100 de millimètre). L'originalité majeure de l'approche est la prise en compte de la vibration de pièces flexibles en cours d'usinage. Pour ce faire un modèle géométrique très détaillé de la surface usinée (et permettant d'évaluer l'effort de coupe entre l'outil et la pièce à chaque instant) est lié cinématiquement à un modèle éléments finis de la pièce qui lui est beaucoup plus grossier. L'approche est temporelle et la simulation d'une opération d'usinage complète peut nécessiter plusieurs millions d'incréments en temps.

La modélisation des différentes parties de la machine, en particulier de la broche et des axes (avec loi de commande) fait partie des directions actuelles de développement. Plusieurs campagnes expérimentales sont en cours sur divers centres d'usinage du Centre de Paris. Par ailleurs, une synergie sur la simulation numérique des procédés d'usinage est en cours de mise en place au niveau du réseau formé par les différents centres d'Arts et Métiers ParisTech.

Cisaillage grande vitesse

Pilote : Nicolas Ranc

Principaux contributeurs : Philippe Lorong

L'objet de cette thématique est la compréhension et la modélisation des phénomènes très multi-physiques et très non-linéaires associés au cisaillage grande vitesse (vitesse relative poinçon/matrice de 10 à 20 m/s, vitesse de déformation de l'ordre de 105s-1). Pour ce faire un banc expérimental a été développé au laboratoire en partenariat avec le CETIM. Ce banc permet de mesurer l'évolution temporelle de l'effort de cisaillage, d'observer à l'aide de caméras grande vitesse la formation de la bande de cisaillement (qui peut selon les cas être qualifiée de bande de cisaillement adiabatique)  et de faire des mesures thermiques dans le voisinage immédiat de la bande de cisaillement. La finalité de l'étude est d'utiliser la simulation (à l'aide de l'approche CNEM) et les modèles de comportement précédemment construits pour calibrer le procédé en fonction de la forme et de l'épaisseur de la pièce découpée.

Une convention de laboratoire commun, le LASIP, associant le CNRS, le CETIM et le laboratoire a été mise en place pour mener cette étude.

Méthode numérique pour les transformations finies : CNEM

Pilote : Philippe Lorong

Autres contributeurs : Lounes Illoul, Gérard Coffignal

La CNEM (Constrained Natural Element Method) est une méthode que nous avons développée afin de faciliter la simulation, en thermomécanique des milieux continus, de très grandes déformations (de l'ordre de 3 à 5). Cette méthode est à mi-chemin des méthodes sans maillage et de la méthode des éléments finis. Elle se base sur l'interpolant voisin naturel construit à partir du diagramme de Voronoï contraint associé au nuage de nœuds répartis sur le domaine étudié et à la description de la frontière de ce dernier. L'intérêt majeur de la CNEM est que la qualité de l'interpolation produite dépend uniquement de la densité locale des nœuds et ne dépend pas de leur position relative ou d'un quelconque maillage reliant les nœuds. Cette particularité est notamment mise à profit dans un contexte de formulation Lagrangienne actualisée où il n'est pas nécessaire de déplacer les nœuds vis à vis de la matière lors de l'actualisation de configuration.

Au sein du Laboratoire, l'application typique de la CNEM est le cisaillage grande vitesse.


 

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