Par Mila Kanevsky
Les vibrations constituent un obstacle courant à surmonter lors de la conception de drones. Des vibrations excessives peuvent entraîner des problèmes en vol ou lors des essais.
Dans cet article, nous allons présenter deux approches pour résoudre le problème des vibrations sur les bancs de poussée pour drones : la simulation et les essais expérimentaux. La solution que nous avons utilisée pour modifier les fréquences propres au moyen d’amortisseurs est similaire à celle que l’on pourrait appliquer à un drone.
Résumé :
- Contexte
- Vibrations du banc de poussée
- Simulations des vibrations
- Essais expérimentaux
- Vibrations des drones
Contexte - Conception du banc d’essai en vol
Nous avons récemment lancé le nouveau Flight Stand 15/50, un banc de poussée/dynamomètre conçu pour tester des drones et capable de supporter une poussée allant jusqu’à 50 kgf. Le banc est constitué d’un tube creux afin d’offrir une meilleure aérodynamique et une gestion optimisée des câbles, qui passent à l’intérieur du tube plutôt qu’à l’extérieur.
L’un des principaux défis de la conception du banc de poussée consistait à limiter les vibrations pendant les essais de propulsion. Comme indiqué, sa forme de base est celle d’un tube vertical qui doit accueillir une unité de mesure de force (FMU) et supporter un moteur et une hélice fixés à son sommet (figure 1).
Le banc sert à tester des moteurs et des hélices, qui génèrent inévitablement des vibrations susceptibles d’endommager l’outil. Pour optimiser et protéger le banc, nous avons réalisé une série d’essais vibratoires similaires à ceux effectués sur des composants de drone, comme les bras d’un quadricoptère. Cet article présente notre procédure expérimentale et ses résultats.
Figure 1 : Premier concept de conception du Flight Stand.
Vibrations du banc de poussée
Le banc de poussée s’adapte aux moteurs et aux hélices du client, ce qui entraîne des variations des paramètres de conception. La masse totale est l’un des paramètres qui influencent fortement la fréquence du système.
Les équations ci-dessous montrent qu’une augmentation de la masse diminue la fréquence propre du système. Le banc peut mesurer une large plage de poussées ; des hélices et des moteurs de masses différentes seront donc utilisés. La fréquence propre variera en fonction de la masse de l’hélice et du moteur utilisés [1] :
En raison des variations de masse, de taille d’hélice et de poussée des systèmes de propulsion testés, le banc de poussée est susceptible de fonctionner sur une large plage de fréquences. La fréquence de résonance de la structure peut donc se situer dans la plage de fonctionnement du banc.
La résonance se produit lorsque la fréquence propre d’une structure est excitée, ce qui entraîne une amplitude de vibration plus importante, autrement dit un mouvement plus marqué de la structure. Le maintien de cette fréquence amplifie l’excitation et peut provoquer des dommages structurels ou une défaillance.
L’effondrement du pont de Tacoma en 1940 est un exemple classique des dangers de la résonance. Plusieurs facteurs ont contribué à cet effondrement, mais la résonance, qui a provoqué la torsion et les mouvements incontrôlés du pont, en était l’une des principales causes.
Simulations des vibrations
Lors de la conception du banc, nous avons constaté que sa fréquence propre se situerait dans sa plage de fonctionnement. Le banc de poussée peut effectuer des mesures de 1,5 kgf à 50 kgf, ce qui correspond à des hélices pouvant tourner entre 1 000 et plus de 10 000 tr/min, soit des fréquences d’environ 16 à 200 Hz.
Nous avons réalisé des simulations vibratoires afin d’observer la réaction du banc à différents modes de vibration, présentés à la figure 2. Ces modes représentent les mouvements qui se produisent lorsqu’une vibration donnée est maintenue. Il est important d’éviter de faire fonctionner le banc dans ces modes pendant de longues périodes afin de prévenir la résonance.
Figure 2 : Modes de vibration du banc de poussée (*à noter qu’il s’agit d’essais préliminaires et que les valeurs ne correspondent pas aux valeurs actuelles du Flight Stand 15/50*)
Essais expérimentaux
Un prototype de banc a été construit afin de mieux comprendre les effets de ces vibrations sur le banc en conditions réelles. Les simulations sont très utiles, mais il est important d’observer l’effet des vibrations sur le banc lors d’essais réels.
Le banc de la figure 3 a été assemblé et testé avec un support moteur adaptable installé à son sommet à la place de la FMU. Une hélice dont un côté avait été rogné a servi à créer un déséquilibre dans le système.
Figure 3 : Prototype de banc de poussée pour les essais vibratoires
La dynamique des vibrations a été enregistrée à l’aide du logiciel Flight Stand. L’un des constats importants a été l’importance d’une base stable. Lorsque le banc n’est pas solidement fixé au sol, la base bouge davantage, ce qui entraîne une fréquence de résonance plus basse et des mesures de vibration plus élevées.
La figure 4 montre comment déterminer les fréquences de résonance par des essais. Après le démarrage du moteur, lorsque la vitesse de l’hélice augmente progressivement, on observe de fortes hausses des vibrations au cours de l’essai, qui peuvent être associées à la résonance.
Figure 4 : Vibrations du banc de poussée en fonction de l’augmentation de la vitesse de l’hélice
Des méthodes d’amortissement classiques, telles que les supports sandwich, ont été envisagées. Toutefois, les amortisseurs de vibrations doivent être orientés dans le même sens que les vibrations. Or, les emplacements disponibles sur le banc pour installer des amortisseurs sont orientés verticalement, tandis que les vibrations se produisent principalement dans le sens latéral, ce qui pose problème.
Les premiers essais ont été réalisés sur un prototype conçu et assemblé en interne. Une deuxième série d’essais a été effectuée avec un prototype officiel, usiné en atelier selon les tolérances et ajustements requis. Ces essais ont généré très peu de bruit et ont révélé que le banc était très rigide. Comme lors du précédent essai, nous avons constaté que la stabilité de la base était essentielle.
Lorsque le banc était fixé directement dans le béton, il vibrait très peu et produisait très peu de bruit, même au niveau de vibration maximal enregistré. Lorsqu’il était monté sur les rails, le bruit et les mouvements du banc restaient minimes, mais le niveau de vibration était plus élevé et le banc légèrement moins stable.
Si le banc monté sur les rails présente des problèmes importants de vibrations ou de bruit, nous recommandons d’ajouter des fixations supplémentaires dans le béton afin de limiter les mouvements des rails.
Vibrations des drones
Les vibrations observées sur le banc de poussée présentent des similitudes avec celles des drones. Dans les deux cas, elles sont causées par le mouvement de l’hélice et du moteur. Les drones présentent toutefois des facteurs de complexité supplémentaires, car ils sont conçus pour être constamment en mouvement et transporter des composants électroniques fragiles.
Les drones sont équipés de nombreux capteurs qui surveillent le système et fournissent des données utiles sur la position et la vitesse du véhicule. Cependant, des essais supplémentaires en laboratoire peuvent contribuer à prévoir et à prévenir les dommages causés par les vibrations à la structure et aux composants électroniques fragiles.
Figure 5 : Drone en vol transportant une caméra
L’analyse vibratoire d’une structure multirotor est expliquée en détail dans la référence [2], qui présente certaines similitudes avec les essais décrits dans cet article. Une expérience de propulsion est d’abord menée afin de déterminer la vitesse de rotation à laquelle l’hélice génère le plus de vibrations.
À partir de ces informations, une analyse modale par simulation est réalisée, puis un essai d’excitation permet d’observer l’effet des fréquences sur le système.
Le déséquilibre est une cause majeure des vibrations des drones. Consultez notre livre blanc pour en savoir plus : Conséquences du déséquilibre des hélices sur les performances des drones.
Conclusion
Comme nous l’avons montré, les essais vibratoires suivent une démarche similaire pour les bancs de poussée et les composants de drone. La simulation et les calculs constituent une étape importante, suivie d’essais expérimentaux.
Ces expériences peuvent fournir des informations précieuses aux concepteurs et contribuer, à terme, à réduire les vibrations des outils d’essai et des aéronefs qu’ils permettent de tester.
Pour aller plus loin : Comment construire un banc de poussée (roulements et charnières)
Références
[1] Engineering ToolBox, (2017). Fréquence des vibrations propres des poutres. [en ligne] Disponible à l’adresse : https://www.engineeringtoolbox.com/structures-vibration-frequency-d_1989.html
[2] J. Verbeke, S. Debruyne, « Analyse vibratoire d’une structure multirotor de drone », dans les actes d’ISMA2016, 2016, p. 2329-2338.