Note publique d'information : Pendant sa mission, un lanceur est soumis à des excitations large bande, sévères,
aérodynamiques, de provenances diverses, qui peuvent mettre en danger la survivabilité
de la charge utile et de l’équipement électronique du véhicule, et par conséquent
le succès de la mission. Les structures aérospatiales sont généralement caractérisées
par l’utilisation de matériaux composites exotiques des configurations et des épaisseurs
variantes, ainsi que par leurs géométries largement complexes. Il est donc d’une importance
cruciale pour l’industrie aérospatiale moderne, le développement d’outils analytiques
et numériques qui peuvent prédire avec précision la réponse vibroacoustique des structures
larges, composites de différentes géométries et soumis à une combinaison des excitations
aéroacoustiques. Récemment, un grand nombre de recherches ont été menées sur la modélisation
des caractéristiques de propagation des ondes au sein des structures composites. Dans
cette étude, la méthode des éléments finis ondulatoires (WFEM) est utilisée afin de
prédire les caractéristiques de dispersion des ondes dans des structures composites
orthotropes de géométries variables, nommément des plaques plates, des panneaux simplement
courbés, des panneaux doublement courbés et des coques cylindriques. Ces caractéristiques
sont initialement utilisées pour prédire la densité modale et le facteur de perte
par couplage des structures connectées au milieu acoustique. Par la suite, la perte
de transmission (TL) à large bande des structures modélisées dans le cadre d’une analyse
statistique énergétique (SEA) dans un contexte ondulatoire est calculée. Principalement
en raison de la complexité géométrique importante de structures, l’utilisation des
éléments finis (FE) au sein de l’industrie aérospatiale est souvent inévitable. L’utilisation
de ces modèles est limitée principalement à cause du temps de calcul exigé, même pour
les calculs dans la bande basses fréquences. Au cours des dernières années, beaucoup
de chercheurs travaillent sur la réduction de modèles FE, afin de rendre leur application
possible pour des systèmes larges. Dans cette étude, l’approche de SOAR est adoptée,
afin de minimiser le temps de calcul pour un système couplé de type structurel-acoustique,
tout en conservant une précision satisfaisante de la prédiction dans un sens large
bande. Le système est modélisé sous diverses excitations aéroacoustiques, nommément
un champ acoustique diffus et une couche limite turbulente (TBL).La validation expérimentale
des outils développés est réalisée sur un ensemble de structures sandwich composites
orthotropes. Ces derniers sont utilisés afin de formuler une approche couche équivalente
unique (ESL) pour la modélisation de la réponse spatiale du panneau dans le contexte
d’une approche de matrice de raideur dynamique. L’effet de la température de la structure
ainsi que du milieu acoustique sur la réponse du système vibroacoustique est examiné
et analysé. Par la suite, un modèle de la structure SYLDA, également fait d’un matériau
sandwich orthotrope, est testé principalement dans le but d’enquêter sur la nature
de couplage entre ses divers sous-systèmes. La modélisation ESL précédemment développée
est utilisé pour un calcul efficace de la réponse de la structure dans la gamme des
basses et moyennes fréquences, tandis que pour des fréquences plus élevées, une hybridisation
WFEM / FEM pour la modélisation des structures discontinues est utilisé.
Note publique d'information : During its mission, a launch vehicle is subject to broadband, severe, aeroacoustic
and structure-borne excitations of various provenances, which can endanger the survivability
of the payload and the vehicles electronic equipment, and consequently the success
of the mission. Aerospace structures are generally characterized by the use of exotic
composite materials of various configurations and thicknesses, as well as by their
extensively complex geometries and connections between different subsystems. It is
therefore of crucial importance for the modern aerospace industry, the development
of analytical and numerical tools that can accurately predict the vibroacoustic response
of large, composite structures of various geometries and subject to a combination
of aeroacoustic excitations. Recently, a lot of research has been conducted on the
modelling of wave propagation characteristics within composite structures. In this
study, the Wave Finite Element Method (WFEM) is used in order to predict the wave
dispersion characteristics within orthotropic composite structures of various geometries,
namely flat panels, singly curved panels, doubly curved panels and cylindrical shells.
These characteristics are initially used for predicting the modal density and the
coupling loss factor of the structures connected to the acoustic medium. Subsequently
the broad-band Transmission Loss (TL) of the modelled structures within a Statistical
Energy Analysis (SEA) wave-context approach is calculated. Mainly due to the extensive
geometric complexity of structures, the use of Finite Element(FE) modelling within
the aerospace industry is frequently inevitable. The use of such models is limited
mainly because of the large computation time demanded even for calculations in the
low frequency range. During the last years, a lot of researchers focus on the model
reduction of large FE models, in order to make their application feasible. In this
study, the Second Order ARnoldi (SOAR) reduction approach is adopted, in order to
minimize the computation time for a fully coupled composite structural-acoustic system,
while at the same time retaining a satisfactory accuracy of the prediction in a broadband
sense. The system is modelled under various aeroacoustic excitations, namely a diffused
acoustic field and a Turbulent Boundary Layer (TBL) excitation. Experimental validation
of the developed tools is conducted on a set of orthotropic sandwich composite structures.
Initially, the wave propagation characteristics of a flat panel are measured and the
experimental results are compared to the WFEM predictions. The later are used in order
to formulate an Equivalent Single Layer (ESL) approach for the modelling of the spatial
response of the panel within a dynamic stiffness matrix approach. The effect of the
temperature of the structure as well as of the acoustic medium on the vibroacoustic
response of the system is examined and analyzed. Subsequently, a model of the SYLDA
structure, also made of an orthotropic sandwich material, is tested mainly in order
to investigate the coupling nature between its various subsystems. The developed ESL
modelling is used for an efficient calculation of the response of the structure in
the lower frequency range, while for higher frequencies a hybrid WFEM/FEM formulation
for modelling discontinuous structures is used.
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