Instrumenter un avion avec descapteursdevibrations

Le 01/02/2016 à 0:00

L 'Onéra, centre français de recherche aérospatiale et de défense, est une référence dans son domaine.Organisme pluridisciplinaire doté de moyens d'expérimentation sans équivalent en Europe, il met ses compétences au service des agences de programmes, des institutionnels et des industriels. Son départementAéroélasticité et dynamique des structures dispose notamment d'une quarantaine d'excitateurs de petites et grandes tailles permettant de répondre à la grande diversité des demandes des industriels tels qu'Airbus, Dassault Aviation, Eurocopter, Snecma, etc.

L'une des missions de cette entité est de développer des méthodes de prédiction du comportement dynamique des structures pour mieux calculer ou prédire leur comportement mécanique aux sollicitations aérodynamiques instationnaires (vibratoires) des aéronefs. Son rôle est de procéder aux essais de vibrations au sol des avions ou de tout autre système tel qu'un train d'atterrissage ou une aube de turbine.

« Ces essais permettent de valider le modèle mathématique de l'avion complet ou d'une partie de celui-ci,et de prédire si les structures volantes vont résister aux sollicitations vibratoires pendant le vol. Car toutes turbulences, chocs ou manœuvres brutales peuvent conduire à des vibrations qui peuvent soit s'amortir et s'annihiler, soit au contraire s'amplifier jusqu'à la casse », explique Pascal Lubrina, responsable projets en dynamique des structures expérimentale au sein du Département Aéroélasticité et dynamique des structures de l'Onéra.

Capteurs fiables pour un travail en flux tendu

Pour mener à bien ces essais, il faut solliciter la structure avec les excitateurs électrodynamiques adaptés, positionnés à différents endroits, et mesurer les réponses vibratoires.A partir de l'analyse des fonctions de transfert représentant les réponses en fonction des stimuli, les ingénieurs de l'Onéra construisent un modèle modal représentatif du comportement dynamique de la structure. Ce qui réclame la mise en place de centaines de capteurs (de 500 à 800 sur un Airbus), de conditionneurs et d'un système d'acquisition et de post-traitement des données performant.

« Nous travaillons de plus en plus en flux tendu. Les données sont post-traitées in situ pendant la campagne d'essais. La consolidation finale st ensuite réalisée dans nos laboratoires », récise Stéphane Giclais, également esponsable projets en dynamique des tructures expérimentale au sein du épartement Aéroélasticité et dyna-ique des structures de l'Onéra.

Les équipes de l'Onéra réalisent le post-traitement des données et l'analyse modale à partir d'outils du commerce qui adressent correctement les comportements vibratoires conventionnels, et de méthodes développées en interne lorsque la réponse de la structure ne peut pas être correctement décrite par les modèles mathématiques traditionnels.

On le voit, les capteurs sont des éléments cruciaux. L'Onéra a donc pris un soin tout particulier dans leur choix. Afin de caractériser dynamiquement la structure, il a opté pour des capteurs de contact de type accéléromètre. Au-delà de la fiabilité, la compacité et la précision attendues, ces capteurs doivent offrir un panel suffisamment large de spécifications permettant de répondre à une grande variété d'applications. Les spécifications en question concernent aussi bien la bande de fréquences d'analyse de ces capteurs, que le niveau de vibration supporté, leur sensibilité, leur tenue au choc ou bien encore leur masse.Avant de s'équiper des 500 accéléromètres nécessaires pour conduire ces essais, l'Onéra a comparé et testé avec la plus grande attention l'offre de différents fournisseurs. Rien n'a été laissé au hasard. « Nous avons même vérifié que les capteurs continuaient bien àfonction-ner après un choc violent », se souvient Pascal Lubrina.

Ce sont finalement les accéléromètres de PCB Piezotronics qui ont été retenus. La société est un fournisseur d'équipe-ments de moyens d'essais permettant la mesure de grandeurs physiques (vibration, force, pression, acoustique). Depuis de nombreuses années, la société préconise des solutions techniques à l'Onéra, répond au mieux à ses exigences spécifiques et l'accompagne dans la réalisation de ses projets. « Nous avons réalisé les essais de vibrations au sol de tous les Airbus assemblés à Toulouse depuis 1972. Les trois derniers en date : l'A380 en 2005, l'A350 en 2013 et l'A320 Neo en 2014 » , rapporte Stéphane Giclais. Et après l'étude approfondie des solutions proposées par différents fournisseurs potentiels, « nous avons estimé que les capteurs PCB Piezotronics sont les meilleurs pour notre application », assure Stéphane Giclais. Outre leur compacité et leur résistance au choc, ces accéléromètres répondaient aux exigences de cette application en termes de précision (10 -4 g), de bande de fréquences (0,2Hz à 2 kHz) et de masse (une dizaine de grammes). Cerise sur le gâteau: ces capteurs sont disponibles en ICP (conditionnement embarqué) et supportent le standardTEDS ( Transducer Electronic Data Sheets ) facilitant leur configuration. « La technologie ICP rend possible l'acquisition de signaux très faiblement bruités sur 80 à 100 mètres de câbles. De plus,elle nous renseigne via des Led de l'état de fonctionnement du capteur », souligne Pascal Lubrina.

L'une des missions du département Aéroélasticité et Dynamique des Structures de l'Onéra est de développer des méthodes de prédiction du comportement dynamique des structures pour mieux calculer ou prédire leur comportement mécanique aux sollicitations aérodynamiques instationnaires (vibratoires) des aéronefs. Cette photo illustre une campagne d'essais de vibrations au sol effectuée à Toulouse sur l'A350.

Airbus/A. Doumanjou

Le standard TEDS met en œuvre une mémoire Eprom dans le capteur, mémoire dans laquelle sont notamment sauvegardées sa gamme de mesure et sa sensibilité. Le système d'acquisition accède directement à ces informations, ce qui évite leur saisie manuelle lors de la configuration de l'essai et donc limite les risques d'erreur.

20 % de temps gagné

L'Onéra a choisi les accéléromètres PCB Piezotronics pour les mesures de vibrations. Outre leur compacité et leur résistance au choc, ces accéléromètres répondaient aux exigences de cette application en termes de précision (10 -4 g), de bande de fréquences (0,2 Hz à 2 kHz) et de masse (une dizaine de grammes).

Au final, les technologies ICP et TEDS contribuent à simplifier, à fiabiliser et à accélérer l'installation des centaines de capteurs nécessaires à la campagne d'essai, et à réduire le temps alloué à la vérification des configurations. «A demande équivalente, c'est 20 % de temps gagné lors de l'installation d'essai », estime Stéphane Giclais. Ce qui répond aux attentes des industriels aéronautiques qui souhaitent disposer le plus vite possible de données pour valider leurs modèles numériques et confirmer certaines hypothèses avant le premier vol d'essai. «A cahier des charges et taille d'avion comparables, la durée des essais est passée en quelques années de près de trois semaines à environ une semaine, tout en délivrant aux industriels davantage d'informations et d'analyses », conclut Pascal Lubrina.

Valérie Hellequin, responsable marketing de PCB Piezotronics Article adapté par Pascal Coutance