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Cours 7
Problèmes d’ordre 2 en temps :
Analyse modale
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Version 09/2006 (E.L.)
Domaines d’application
Calcul des modes propres et fréquences propres
Application
Décomposition modale
NF04 - Automne - UTC
1
Deux approches possibles de la dynamique …

Approche modale : domaine fréquentiel
Recherche des fréquences propres et modes de déformés associés
 Acoustique

Approche qualitative !

Approche instationnaire « pas-à-pas » : domaine temporel
Crash-tests
 Dynamiques rapides (choc …)
 Analyse de transitoire (démarrage moteur …)
 Propagations d’ondes (airbag …)

Approche quantitative !
Version 09/2006 (E.L.)
NF04 - Automne - UTC
www.netcar.co.il
2
Intérêts « industriels »
www.otua.org/acier/seisme/
Vibration - acoustique
www.cnes.fr
Couplage fluide-structure
Version 09/2006 (E.L.)
Protection séisme
www.dt.insu.cnrs.fr
«Tacoma narrows bridge »
Ouvrage génie civil
NF04 - Automne - UTC
…
3
Problèmes de dynamiques
La forme générale d’un système d’équations au 2ème ordre en temps s’écrit :
Avec :
2

M
U

C


  2
  U    K U   F 
t
t
[M ] : matrice globale de masse
 [C ] : matrice globale d’amortissement ( =[0] en NF04 !)
 [K ] : matrice globale de rigidité
 {F } : vecteur global des sollicitations

Particularités de l’analyse modale :
On considère toujours {F } = {0} !
2. Analyse modale = approche qualitative : conditions initiales inutiles !
1.
Version 09/2006 (E.L.)
NF04 - Automne - UTC
4
Application 1 (discrète) : 2 masses et 2 ressorts
Modèle physique :
U2(t)
U1(t)
k1
m1
k2
m2
X (m)
Equations du mouvement :
d 2U1 (t )
m1
 k1  U1 (t )  k2 U 2 (t )  U1 (t ) 
dt 2
d 2U 2 (t )
m2
 k2 U 2 (t )  U1 (t ) 
2
dt
Modèle discret :
Version 09/2006 (E.L.)
 m1
0

0  U1   k1  k2
 

m2  U 2    k2
NF04 - Automne - UTC
k2  U1  0 
  

k2  U 2  0 
5
Application 2 (1D) : cas d’une barre élastique
Maillage : deux éléments finis linéaires
1
2
1
Forme forte :
F(t)
X (m)
3
2
E : module de Young [N/m2]
 2u ( x, t )
 2 u ( x, t )
A
 EA
 0,  x  [0, L]
t 2
x 2
 u (0, t )  0 [Dirichlet], F (t )  EA
 : masse volumique [kg/m3]
A : section [m2]
u(x,t) : déplacement [m]
u
 L  [ Neumann]
x
 2u ( x, t )

u ( x, t )
u ( x, t ) 

Forme faible : W    x   A
dx

EA
dx


EA
2


  0

t

x

x

x
0
0
0
L
u ( x, t ) 

avec  EA
  ( L)  F (t )   (0)  R(0)

x  0

réaction
L
L
L
inconnue
Version 09/2006 (E.L.)
NF04 - Automne - UTC
6
Modèle éléments finis (1D)
Matrices élémentaires :
telles que :
 M  
e
AE  1 1
e


,
K

1 2    Le  1 1 




 ALe  2 1 
6
W  W e  WC . L.  0
e
avec :

U 
U  
W e   1  2   M e   1    K e   1  
U 2  
U 2 

Assemblage :
(L(1) = L(2) = Le)
 2 1 0  U1 
 1 1 0  U1   0 
AE
 
   
1 4 1  U 2   e  1 2 1 U 2    0 



L 


 0 1 2  U 3 
 0 1 1  U 3   F 
 ALe 
6
Condition de Dirichlet :
 2 1 0  U1 
 1 1 0  U1   0 
 AL 
  AE
   
1 4 1  U 2   e  1 2 1 U 2    0 


6 
L 


 0 1 2  U 3 
 0 1 1  U 3   F 
Elimination ligne et colonnes .
e
Version 09/2006 (E.L.)
NF04 - Automne - UTC
7
Application 3 (2D) : cas d’une membrane tendue
Maillage : éléments finis linéaires T3
Exemple d’une peau de tambour
T : tension p.u.l [N/m]
s : masse surfacique [kg/m2]
S : surface [m2]
w(x,y,t) : déplacement [m]
g : gravité [m/s2]
Forme forte :
  2 w( x, y, t )  2 w( x, y, t ) 
 2 w( x, y, t )
s
T 

   s g ,   x, y   S
2
2
t 2

x

y


 w(S , t )  0 [Dirichlet]
 2 w( x, y, t )
dxdy     x, y  .T w( x, y, t )dxdy
Forme faible : W    x, y   s
2
t
S
S
    x, y T w( x, y, t )ds    x, y   s g dxdy  0
avec :
S
S
   x, y T w( x, y, t )ds  
S
S
Version 09/2006 (E.L.)
 R S
réaction
inconnue
NF04 - Automne - UTC
8
Modèle éléments finis (2D)
Matrices et vecteurs élémentaires :
2 1 1
1
e
A
 gA  
T
 M e   s 1 2 1  ,  K e   T  Ae  B   B  , F e   s
1


12
3 
(Voir cours sur T3)
1 1 2 
1
e
tels que :
W  W e  WC . L.  0
e
avec :
Assemblage :
W e  1  2
 M w   K w  F 
Condition de Dirichlet :
Version 09/2006 (E.L.)


 w1 
 w1 
 
 
 3   M e   w2    K e   w2   F e  
w 
w 


 3
 3


Elimination ligne et colonnes .
NF04 - Automne - UTC
9
Analyse modale
Objectifs : déterminer les fréquences propres de vibration ainsi que les
modes de déformées propres associés
Méthode : calcul des valeurs et des vecteurs propres associés
« Ingrédients » : matrices de masse [M] et de rigidité [K]
Version 09/2006 (E.L.)
NF04 - Automne - UTC
10
Ecriture d’un problème aux valeurs propres
Forme générale « temporelle » :
 M U    K U   0
On pose une solution de la forme :
U  t   U   e 
i t
Ce qui conduit à :

U t    U   e
2
 2  M U    K U   0
i t
  2 U  t 
Ecriture « spectrale »
  K    2  M U   0
Ecriture générale d’un problème aux valeurs propres !
(au sens mécanique du terme)
Avec :
 2    valeur propre,
Version 09/2006 (E.L.)
U   vecteur propre associé
NF04 - Automne - UTC
11
Calcul des valeurs propres
Le calcul des valeurs propres s’obtient par la recherche des solutions non
triviales de :
 K     M U   0
2
soit à vérifier :
det  K    2  M   0
Sur le plan pratique (Matlab) :
Matrice de rigidité
Matrice de masse
>> [V, D]=eig(vkg,vmg)
Matrice diagonale des valeurs propres
Matrice des vecteurs propres
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NF04 - Automne - UTC
12
Application 1 : 2 masses et 2 ressorts
Simplifications : m1=m2=m, k1=k2=k
Soient :
1 0 
 2 1
M

m
,
K

k
      

0 1 
 1 1 
det  K     M   0
Equation caractéristique :
2k   m
k

0
k
k  m
  2 m 2  3k  m  k 2  0
Calcul des racines :
3
1   
2
5k
k

0.38
,

2 m
m
Calcul des vecteurs propres : k=1, m=1
Version 09/2006 (E.L.)
2   
5k
k

2.62

2 m
m
 1 
U1  1.62 ,


 1 
U 2  0.62


NF04 - Automne - UTC
3
2
13
Calcul des fréquences et périodes propres

VALEURS PROPRES :
1




rad
/
s

f

 0.098Hz


1
1
 1
2

i  i2  
2
  

f

 0.256 Hz
2
2
2

2
Version 09/2006 (E.L.)
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 T1 
1
 10.19 s
f1
 T2 
1
 3.88 s
f2
14
Interprétations graphiques

VECTEURS PROPRES = MODES PROPRES DE DEFORMEE
1
1.62
Mode 1
1
-0.62
Mode 2
La solution générale s’écrit donc :
U (t )  AU1  ei t  B U 2   ei t
1
2
Le calcul des constantes d’intégration A et B requiert deux conditions initiales.
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NF04 - Automne - UTC
15
Exemple 2D
Déformées modales d’une membrane tendue (type « tambour ») :
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16
Exemple « industriel » de modes de déformées
Déformées modales du divergent du moteur VULCAIN (Ariane V) :
Source :www.insecula.com
Mode ovalisation
Mode 4-lobes
Source : UTC / MQ06
Modèle réel
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Modèle numérique
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17
Propriétés d’orthogonalisation des vecteurs
Les modes propres (c-à-d les vecteurs propres) sont définis à une constante
près en raison de :
det  K    2  M   0
Cette condition stipule que l’inverse de la matrice  K   2 M  n’est pas unique !
Une constante pour les modes propres peut être déterminée par les conditions
d’orthogonalisation :
1 si i  j
U i  M U j   
0 si i  j
 si i  j
U i  K U j    i
 0 si i  j
M-orthonormalisation
K-orthogonalisation
Utilité : permettre la comparaison des résultats entre différentes équipes,
outils …
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NF04 - Automne - UTC
18
Application : décomposition modale (1)
Idée : utiliser les propriétés d’orthogonalisation des vecteurs propres pour
diagonaliser le système couplé :
 M U    K U   F 
Principe : les vecteurs propres sont tous indépendants et par conséquent, ils
définissent une base au sens mathématique du terme.
 
 
On note la base des vecteurs propres :  X    U1 
  
Version 09/2006 (E.L.)
NF04 - Automne - UTC
 
 
 
 
U 2  ... U N 
 
 
 
 
19
Application : décomposition modale (2)
1- On applique le changement de variables :
U (t )   X q(t )  U (t )   X q(t )
2- Injection des formes U (t ) , U (t ) dans le système d’équations :
Coefficients de participation
modale des efforts
Quels modes sont sollicités ?
T
T
T
 X   M  X q   X   K  X q   X  F 
  I 
  
3- Multiplication « à gauche » par [X ]T :
 M  X q   K  X q  F
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NF04 - Automne - UTC
20
Application : décomposition modale (3)
4- Pour aboutir à N équations différentielles « scalaires découplées » :
qi  i qi  fi
i  1,..., N
Résolution classique !
Application du changement de variables aux deux conditions initiales
telles que :
U (0)   X q(0)
et
U (0)   X q(0)
5- Dernière phase : reconstruction de la solution dans son espace
d’origine !
U (t )   X q(t )
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