Mission : protéger 589 670 kg au décollage et à l’atterrissage

Sur le super banc d’essai du site de Goodrich Corporation implanté à Oakville (Ontario, Canada) et destiné à accueillir des trains d’atterrissage, les consultants en ingénierie de LMS ont soumis un assemblage de prototype de train d’atterrissage de fuselage d’un Airbus A380 à une Analyse Modale Expérimentale (AME). Après avoir suspendu le train de fuselage de 5443 kg à 3,60 mètres au-dessus du sol, ils lui ont appliqué un signal aléatoire en salve et une excitation sinusoïdale synthétique atteignant des niveaux de force de 1000 Newton. Les déformées modales majeures du train d'atterrissage issues des données obtenues lors des essais, aussi bien en course statique qu’en course totale allongée, sont venues étayer les analyses de structure d’Airbus et ont aidé les ingénieurs à vérifier les modèles d’Eléments Finis (EF) générés par la division Trains d’atterrissage de Goodrich.

Le premier fournisseur mondial de systèmes d’atterrissage

L’histoire remarquable des trains d’atterrissage Goodrich remonte à 1926, lorsque Cleveland Pneumatic Company, qui fait désormais partie de Goodrich, a mis sur le marché la tout première jambe de train d’atterrissage air/huile. Suite à sa fusion avec Menasco en 1999, Goodrich est devenue le premier fournisseur mondial de systèmes d’atterrissage. Aujourd’hui, Goodrich peut se targuer de fournir les plus grands constructeurs aéronautiques, à commencer par Agusta, Airbus, Boeing, Bombardier, Gulfstream et Lockheed Martin. Le succès de la division Trains d’atterrissage de Goodrich se mesure au nombre de décollages et d’atterrissages exécutés avec ses équipements. A pleine charge (passagers, bagages et kérosène inclus), l’Airbus A380 pèse environ 589 670 kg : autant dire que cet avion de ligne à réaction double pont impose des seuils d’exigence très élevés quant à la conception et au développement de ses trains d’atterrissage. Afin de garantir la sécurité et le confort des passagers lors du décollage, de l’atterrissage et du roulage au sol de cet avion aux dimensions impressionnantes, Airbus a choisi de faire confiance à Goodrich pour le développement et la production des systèmes de train d’atterrissage de l’A380.

Recours à l’expertise de LMS en matière d’essais modaux

Goodrich a fait appel à l’équipe de LMS Engineering Services basée aux Etats-Unis pour l’aider dans sa campagne d’essais structuraux portant sur le côté droit du système de train d’atterrissage de fuselage. « Nous avons notamment demandé à LMS d'effectuer une AME sur un système de train d’atterrissage, ce qui nous a permis de valider les modèles EF de cet assemblage mécanique des plus complexes », a déclaré Alvin Fong, Responsable des performances de train d’atterrissage sur le site dédié de Goodrich, implanté à Oakville. « Le système de train d’atterrissage à six roues pèse environ 5443 kg et mesure plus de 7,6 mètres lorsqu’il est totalement déployé. Lors de la phase de développement du système de train d’atterrissage, notre mission consiste à atteindre la stabilité modale et les performances structurales nécessaires pour garantir que le train supportera, sans compromettre la sécurité, toutes les charges et contraintes auxquelles il sera soumis tout au long de sa durée de vie utile. »

La campagne d’essais structuraux du train d’atterrissage de l’A380 a été réalisée sur le site d’essais dédié de Goodrich implanté à Oakville. La spécificité de ce site tient à son super banc d’essai : une structure en acier gigantesque qui compte pas moins de neufs baies d’essai, pouvant chacune prendre en charge  un train de fuselage ou un train d’aile d’A380. La structure complète du super banc d’essai repose sur un puits de 0,9 mètre de profondeur faisant environ la taille de deux terrains de football. Le prototype de train d’atterrissage de fuselage qui a été soumis à la campagne d’essais modaux a rempli jusqu’à son maximum  la baie n°2. La structure en acier du banc a permis de suspendre en mode libre-libre l’énorme train d’atterrissage de fuselage. Lors de la configuration des essais, LMS a également dû fabriquer deux socles solides, qui ont chacun été rempli de 2268 kg de béton. Pour éviter autant que possible qu’il y ait du jeu dans les joints du train d’atterrissage, les consultants LMS ont préalablement imputé des forces statiques à l’unité de train d’atterrissage de fuselage, forces qu’ils ont appliquées verticalement au moyen d’élastiques de rappel souples. Comme équipement de mesure, LMS a utilisé le système matériel SCADAS 316 dernière génération, le logiciel LMS Test.Lab, ainsi que l’estimateur de paramètres modaux LMS PolyMAX. Cet équipement a également servi à contrôler la gestion de l’excitation appliquée aux systèmes de pot vibrant.

Contrôle de la validité de la configuration des essais modaux

Afin de produire suffisamment d'énergie durant les essais modaux d’un spécimen caractérisé par une telle envergure et par un tel poids, les ingénieurs LMS ont mis en place plusieurs pots vibrants. Deux pots vibrants électrodynamiques, capables de générer des forces maximales de 1000 Newton ont été configurés de manière à appliquer soit un signal aléatoire en salve, soit une excitation sinusoïdale synthétique. Les premiers essais modaux ont révélé que le banc d’essai lui-même effectuait un mouvement d’avant en arrière caractéristique autour de 8 Hertz. Ces fréquences dominantes étant comprises dans la plage de 0 à 10 Hertz, particulièrement intéressante pour les essais modaux de trains d’atterrissage, les ingénieurs ont pu observer un couplage dynamique entre les modes du train et les modes du banc d’essai. Afin de surveiller de près ces interférences banc/train tout au long de la campagne d’essais, les ingénieurs LMS ont ajouté un certain nombre de points de mesure de banc d’essai à la géométrie d'analyse modale de l'unité de train d'atterrissage. Pour vérifier la qualité de la configuration des essais modaux, les consultants LMS ont évalué les spectres de puissance en auto-corrélation, ainsi que la cohérence et la réciprocité des Fonctions de Réponse en Fréquence (FRF). Ces vérifications permettent de déterminer si toute l’énergie d’entrée injectée est restituée en sortie, et si l’excitation et les points de mesure sont situés de manière propice. Les spectres de puissance en auto-corrélation liés à l’excitation au pot vibrant avant et arrière ont montré que les deux entrées de pot vibrant affichaient le même niveau de force et excitaient toutes les fréquences de la même manière dans la bande de fréquences qui intéressait les ingénieurs. « Lorsque nous avons évalué la cohérence et la réciprocité des Fonctions de Réponse en Fréquence (FRF) de la structure, les deux entrées de pot vibrant générant un signal aléatoire en salve créaient uniquement un comportement de train d’atterrissage non linéaire limité, que ce soit en course statique ou en position déployée, et ce, à des niveaux de force définis entre 5 et 15 Newton », a expliqué Paul Weal, Directeur du développement au sein de LMS Engineering Services. « Toutefois, lorsque nous avons augmenté nettement les niveaux de force à l’aide de l’excitation sinusoïdale synthétique (de 200 à 1000 Newton), nous avons constaté un comportement non linéaire plus prononcé, principalement dû à la présence d’un faible jeu au niveau des joints très larges du train d’atterrissage. Lorsque nous avons effectué des essais à des niveaux de force plus élevés, les modes de flexion et de torsion obtenus sont devenus réellement apparents, puisque nous avons observé des déplacements d’environ 2 cm. A l’aide de fonctions FRF aux points d’application, nous avons caractérisé l’évolution de la non-linéarité résultant de l’augmentation des niveaux de force ».

Sélection des modes du train d’atterrissage

La campagne d’essais d’analyse modale à proprement parler a commencé par la sélection des modes de train d’atterrissage. Les consultants LMS ont très vite obtenu des informations sur la résonance modale grâce à la fonction « Sum blocks » de LMS Test.Lab, qui fait ressortir la résonance modale en affichant le cumul de toutes les FRF mesurées. A partir de ces données, les paramètres modaux individuels ont pu être extraits à l’aide du solveur LMS PolyMAX innovant. Ces paramètres modaux ont ensuite servi de base à la synthétisation des FRF par le calcul. Le haut niveau de corrélation entre les FRF mesurées et synthétisées a montré que l’analyse modale a pu reproduire avec précision les FRF mesurées.

« Les modes les plus significatifs extraits de la configuration en course statique du train d’atterrissage étaient les modes avant/arrière, latéral et résonance de torsion en dessous de 15 Hz. En course allongée, les modes avant/arrière, latéral et torsion identifiés étaient moins marqués qu’en course statique. De manière générale, les fréquences de mode mesurées se sont avérées inférieures aux prédictions. Ce projet confirme les caractéristiques modales de la partie droite du système de train d’atterrissage de fuselage Goodrich développé pour le nouvel avion de ligne Airbus A380. Les principales déformées modales extraites des données d’essai ont été utilisées pour vérifier les modèles EF de train d’atterrissage ici même chez Goodrich, et ont permis d’étayer les études de structure réalisées chez Airbus », a déclaré Monsieur Fong.

Contribution à la simulation des trains d’atterrissage et des avions complets

Ces expérimentations avaient également pour but d’analyser l’influence dynamique potentielle du super banc d’essai sur les déformées modales du train d’atterrissage, et ont confirmé la nécessité d'effectuer des essais supplémentaires afin de caractériser les points d’attache du train d’atterrissage au super banc d’essai. L’analyse modale a mis en évidence un couplage dynamique étroit entre le train d’atterrissage et le banc d’essai, en particulier autour de 5 et 8 Hz. Par exemple, un mouvement important d’avant en arrière du banc, associé à un léger mouvement d’avant en arrière du train, a été constaté entre 5,1 et 5,2 Hz.

Lors de l'analyse et de la réflexion portant sur les données des essais, l’expérience de Fong dans la conception des bâtis-moteur fixés à la cellule ainsi que l'expertise en analyse modale des ingénieurs LMS ont largement contribué à déterminer avec plus de précision les performances du train d’atterrissage. « La campagne d’essais d’analyse modale expérimentale a permis d’affiner les modèles virtuels du train d’atterrissage de fuselage, concourant ainsi aux études de stabilité et à l’analyse structurale », a conclu Fong.

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Publié le 31-03-2009