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Avnir Group présente les résultats du FUI INCAS

LE PROJET INCAS

Le contexte

Un équipement embarqué ou charge utile, pour l’aéronautique et le spatial, doit démontrer une très bonne fiabilité et de bonnes performances tout en étant soumis à des contraintes de fonctionnement élevées et complexes. L’atténuation des sollicitations dynamiques basses fréquences des équipements sensibles (impliquant de forts débattements) est donc un enjeu très important pour les industriels des transports. Le but final est d’améliorer la durée de vie de ces équipements tout en réduisant les risques de surdimensionnement de structures auquel on aboutit avec les niveaux d’amortissement structural faibles actuels.

Ce projet adresse deux problématiques industrielles distinctes.

La première problématique est apportée par les End-Users ArianeGroup et Airbus Defence and Space sur la sécurisation des ambiances vibratoires basses fréquences des satellites sur les futurs lanceurs. Parmi les différentes parties composant un lanceur, les structures porteuses de satellites sont des éléments clés dans la bonne réussite de la mission de mise en orbite des satellites. Une problématique majeure de ces structures réside dans l’amortissement aux vibrations à basse et très basse fréquence (5-100Hz) durant la mise en orbite du satellite. Pour répondre à l’ensemble des spécifications et limiter les itérations, les structures sont aujourd’hui surdimensionnées. A court terme, le développement de systèmes d’isolation passive robuste français est d’un intérêt certain pour ces end-users. Dans le sens d’une innovation à plus long terme, l’intégration d’une fonction d’amortissement des vibrations basses fréquences dans les matériaux constituant les structures porteuses de satellites relève d’un challenge important ainsi que la faisabilité industrielle qui reste à étudier.

La seconde problématique est apportée par le End-User Safran Helicopter Engines sur l’amortissement des tuyauteries de turbines d’hélicoptères, qui sont soumises à un environnement vibratoire et thermique très sévère. Assurer la tenue mécanique de ces composants sur la durée de vie du moteur constitue un enjeu majeur de fiabilité pour SHE. Au démarrage du projet INCAS, il existait des solutions d’isolation qui avaient été développées mais le potentiel de dissipation d’énergie vibratoire de ces technologies reste faible.

Les objectifs

Le projet INCAS a pour objectif de développer des solutions technologiques d’isolation et d’amortissement innovantes répondant aux spécifications d’Ariane Group et de Safran Helicopter Engines, ainsi que des outils logiciels pour la simulation du comportement dynamique du système global intégrant les non-linéarités des systèmes d’atténuation dans le but de les optimiser. Les travaux réalisés dans le cadre du FUI INCAS ont ainsi consisté à :

• concevoir et prototyper des technologies d’isolateurs de vibrations basses et très basses fréquences innovantes, en travaillant sur l’optimisation des non-linéarités, dispersion et masse. Deux types de solutions sont étudiés : des systèmes d’isolation vibratoire (l’un à base de câbles métalliques toronnés et l’autre à base d’élastomère)
• développer et caractériser des matériaux fonctionnalisés innovants, conciliant une forte rigidité et un amortissement élevé. Deux types de matériaux composites seront étudiés : l’un constitué d’un assemblage de matériaux matures (structure sandwich rigide amortissante), et le second à base de matériaux innovants architecturés
• développer des applications métiers sous forme d’outils logiciels pour la modélisation numérique de ces nouveaux dispositifs et leur optimisation par expérimentation numérique.
• valider expérimentalement les concepts sur les deux cas d’application industrielle par la réalisation de démonstrateurs opérationnels

Les partenaires du projet

Le consortium INCAS, piloté par AVNIR Engineering, regroupe 4 PME, 4 grandes entreprises et 2 laboratoires académiques. La complémentarité de compétences (conception, simulation, essais) entre les différents partenaires fait la richesse de ce consortium. Une synergie intéressante en a découlé et a permis la réussite de ce projet.

• AVNIR Engineering (PME chef de file du projet) : responsable du management global du projet– conception et réalisation de bancs d’essais pour la validation expérimentale des solutions technologiques développées – réalisation des essais pour validation TRL6
• Ariane Group (grand groupe) : spécificateur et support dans la définition des activités d’analyses et d’essais
• Airbus Defence and Space (grand groupe): support dans le développement des produits en tant qu’expert en contrôle des vibrations – Consolidation et optimisation du PID en élastomère
• Airbus Group (grand groupe): simulation détaillée des câbles – optimisation numérique des deux concepts d’isolateurs
• Safran Helicopter Engines (grand groupe): spécificateur et réalisation d’essais sur banc moteur réel
• SOCITEC (PME) : développement et fabrication d’isolateurs à base de câbles métalliques toronnés
• EFJM (PME) : développement et fabrication d’isolateurs à base d’élastomères et de structures sandwich amortissantes
• INTES France (PME) : réalisation des démonstrateurs numériques pour la validation par simulation des performances atténuatrices des différents concepts développés
• Laboratoire MATEIS INSA Lyon et Laboratoire SiMaP INP Grenoble (universitaires) : développement d’un matériau composite hybride co-continu, combinant légèreté, raideur et amortissement

 Principaux résultats 

Démonstrateurs opérationnels échelle 1 pour les essais de validation TRL6 de fin de projet

Produit développé par EFJM/AD&S (isolateur à base d’élastomère)

Produits développés par EFJM (structure sandwich amortissante à gauche – bague amortissante pour tuyauteries à droite)

Produits développés par SOCITEC ( isolateur à base de câble métallique à gauche – TMD pour tuyauteries à droite)

• Développement d’outils numériques innovants via l’utilisation du logiciel de simulation par éléments finis PERMAS : démonstrateurs numériques pour optimisation des technologies, prototype de balance harmonique (HBM) et traitement des non-linéarités par analyse modale.

• Développement de composites hybrides co-continus multi-échelles légers, raides et amortissants : pré-design, essais de caractérisation du composite et de ses constituants, étude numérique à l’échelle du matériau et de la structure du DIS (Damping Inter Stage) pour l’amélioration du confort des étages supérieurs de lanceurs futurs. Une suite sera proposée pour monter encore sa maturité.

Développement de matériaux composites hybrides co-continus

Premières retombées 

• Développement de nouveaux produits atténuateurs de vibrations (EFJM/ADS et SOCITEC) ainsi que des solutions technologiques logicielles (INTES) avec passage TRL3 à TRL6 sur la globalité du projet avec des essais sur des démonstrateurs opérationnels échelle 1
• Nouvelles connaissances scientifiques & techniques : 5 publications, 6 communications internationales, 4 communications nationales
• Mise en place d’évènements « Club Utilisateurs », pour renforcer les échanges et diffuser les résultats du projet (1^er évènement réalisé à mi-projet, 2^ème évènement planifié pour Septembre 2020 – pour toute inscription contacter AVNIR Engineering)
• 1 thèse MATEIS/SIMAP
• Création de 7 ETP et Maintien de 4 ETP pendant le projet
• 11 stages réalisés chez les partenaires du projet
• Suite envisagée avec montage de 2 projets collaboratifs de R&D pour les lanceurs futurs : l’un sur la poursuite des développements sur le composite hybride co-continu multi-échelles de Mateis, l’autre sur la conception et la validation d’une structure inter-étage amortissante avec techniques innovantes de collage élastomère-métal avec la société EFJM
• Suite envisagée avec SAFRAN HELICOPTER ENGINES et SOCITEC pour la poursuite des développements sur le concept d’absorbeur dynamique (TMD, Tuned Mass Damper)
• Contrats obtenus par la PME SOCITEC avec ArianeGroup sur des solutions de suspensions à câbles standard (trois équipements sont déjà retenus et d’autres sont à venir)
• Consolidation de partenariats entre partenaires du consortium par la réalisation d’études nécessitant un haut niveau d’expertise dynamique en marge du projet (essais, simulations)

 

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