150 ans de l’ECL - La Mécanique des Vibrations à l’Ecole Centrale de Lyon par L. Jézéquel 1

LA MECANIQUE DES VIBRATIONS A L'ECOLE CENTRALE DE LYON

par Louis JEZEQUEL (ECL 73) 1 – Un lien historique très fort Pierre LEMAIRE, Directeur de l'Ecole de 1929 à 1949, fut l'un des pionniers de la Mécanique des Vibrations au niveau mondial. En particulier, cette personnalité, hors du commun, fut à l'origine des premiers développements scientifiques sur l'isolation des machines. En tant que Directeur Adjoint, il créa en 1922 le Laboratoire de Physique du Mouvement qui fut le premier en France à proposer, aux élèves-ingénieurs, des manipulations de Mécanique Vibratoire. Il peut paraître étrange, à première vue, que cet ancien élève de l'Ecole Supérieure d'Electricité se soit intéressé à la Mécanique, si on ne sait pas qu'il fut l'un des précurseurs de l'analogie électrique entre les systèmes électriques et mécaniques qui permit de résoudre bon nombre de problèmes industriels. La trace de cette époque est restée longtemps visible à l'Ecole Centrale de Lyon ; par exemple, bon nombre d'anciens élèves ont eu le privilège de "câbler" des systèmes mécaniques sur des calculateurs analogiques dont les premiers furent installés en 1958, à la même époque que les grands laboratoires de recherche américains. Par ailleurs, les travaux de Pierre LEMAIRE sont sans aucun doute à l'origine du lien étroit qu'a tissé l'Ecole avec les industriels du secteur automobile. Lien qui s'est considérablement renforcé par l'action d'Auguste MOIROUX (ECL 49) dans le domaine des machines thermiques. Cet ancien ingénieur de la SIGMA, conscient de l'importance des problèmes de dynamique rencontrés en conception mécanique, proposa à son ancien responsable, Helge HORGEN, de rejoindre l'Ecole lors de son installation à Ecully pour assurer la responsabilité du Laboratoire de Physique du Mouvement et l'enseignement de la Mécanique des Vibrations. Par ailleurs, un cours de Dynamique automobile fut confié à Jean-François BROCHEMIN (ECL 49), qui par son action auprès de la Société des Ingénieurs de l'Automobile (SIA) et l'organisation de nombreux congrès, aida considérablement à développer la culture automobile à l'Ecole Centrale de Lyon. Egalement diplômé de l'Institut Supérieur des Matériaux, Jean-François BROCHEMIN fut à l'origine des colloques "Chocs, Bruits et Vibrations" qui sont organisés depuis plus de trente ans dans les locaux de l'Ecole en relation avec le GAMI. Au moment de l'installation de Helge HORGEN comme Professeur Associé, les enseignants-chercheurs qui lui étaient rattachés effectuaient leur recherche en Mécanique des Fluides compte tenu du formidable élan impulsé par Jean MATHIEU (ECL 45) dans ce domaine scientifique en plein essor. Des interventions étaient également assurées par les collaborateurs de Pawel SZULKIN, Professeur d'Automatique et passionné comme Helge HORGEN par la Dynamique des Systèmes. Cette liaison entre la Mécanique des Vibrations et l'Automatique sera le ferment des nombreuses recherches effectuées vingt ans plus tard par mon Equipe de Recherche sur le Contrôle Actif. Ce n'est qu'en 1973 que le Directeur de l'époque, Paul COMPARAT (ECL 35), attribuera deux postes d'Assistant pour développer une activité de recherche en Mécanique des Vibrations : un pour moi et un pour mon camarade de promotion, Jean-Pierre LAINE.

150 ème anniversaire

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La première difficulté rencontrée fut de s'inscrire à une thèse de Doctorat car il n'existait pas de chaire de Professeur d'Université dans le domaine de la Mécanique des Solides à l'Ecole Centrale de Lyon. Heureusement, Pierre-François GOBIN (ECL 51), Professeur de Physique des Matériaux et passionné par la Mécanique des Vibrations, accepta le rôle de Directeur de Recherche. A cette époque, l'Ecole hébergeait la société METRAVIB, nouvellement créée, et grâce à cette proximité des recherches avancées sur la dynamique des composites sandwich et la synthèse modale purent être menées en liaison avec la Direction Générale de l'Armement (DGA) et la Délégation Générale à la Recherche Scientifique et Technique (DGRST). Câblage sur deux calculateurs analogiques utilisés Technique de sous-structuration expérimentale

jusqu'en 1978 imaginée en 1975 en liaison avec METRAVIB Mais c'est un évènement extérieur à l'Ecole Centrale de Lyon qui contribua activement au développement de la recherche en Mécanique des Vibrations : la création de l'Ecole Nationale des Travaux Publics et de l'Equipement (ENTPE) à Vaulx-en-Velin par mon ancien professeur de Résistance des Matériaux, Michel PRUNIER. En fait, par le truchement du regretté Jacques GUIMBARD (ECL 59), qui était son plus proche collaborateur à l'Ecole, cette personnalité passionnée par la construction mécanique me proposa de créer un laboratoire sur la Dynamique des Bâtiments dans les locaux de l'ENTPE en 1976. L'étude des problèmes de vibrations dans le domaine du Génie Civil, comme le comportement sol-structure, et l'endommagement des structures en béton, imposera la maîtrise d'outils d'analyse avancés afin de s'adapter à la complexité des matériaux et d'aborder les phénomènes vibroacoustiques.

Identification par tests vibratoires Endommagement vibratoire du couplage sol-structure – ENTPE 1979 des poutres en béton – ENTPE 1980

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Cette période de recherche, qui dura dix ans, fut ainsi déterminante et sera à l'origine de l'Equipe Dynamique des Structures et des Systèmes (D2S) qui fut crée lors de ma nomination comme Professeur à l'Ecole Centrale de Lyon en 1985 grâce à l'appui d'Auguste MOIROUX et de Jean MATHIEU. L'équipe profita très vite de la présence de nombreux thésards étrangers venant des quatre coins du globe. Je pense, tout particulièrement, aux quatorze jeunes chercheurs indonésiens qui par leur qualité scientifique et leur engagement ont beaucoup aidé au développement de l'équipe.

L'Equipe D2S en 1990 Je pense également aux nombreux ingénieurs contractuels qui ont participé aux diverses collaborations industrielles et ainsi aidé à l'acquisition de nombreux moyens d'essais et de calcul. Depuis sa création, l'équipe D2S encadrait une vingtaine de thésards mais l'effectif des membres permanents ne s'est accru que progressivement grâce à des projets de recherche clairement identifiés. Afin d'améliorer la lisibilité de la recherche à l'Ecole Centrale de Lyon, l'équipe D2S a été intégrée au Laboratoire de Tribologie et Dynamique des Systèmes (LTDS) reconnu comme Unité Mixte de Recherche par le CNRS. Ce rapprochement entre la Science des Surfaces et la Mécanique des Vibrations a été initié par Jean-Marie GEORGES (ECL 64) passionné par les instabilités induites par le frottement. Fière de son passé, l'équipe D2S a tenu à dédier ses salles de recherche aux personnalités qui ont aidé à son développement.

La salle HORGEN est un lieu de réunion Salle de Recherche A. MOIROUX de l'Equipe D2S depuis 1988 (créée en 1996)

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Salle de Recherche P. SZULKIN Salle de Recherche J.F. BROCHEMIN (créée en 2000) (créée en 2002)

2 – Un développement basé sur le partenariat industriel Pratiquement sans moyens, l'équipe a dû, dès sa création, assurer son développement par des collaborations industrielles. Les premières, axées sur l'application des méthodes de synthèse modale, furent menées dans le secteur énergétique en liaison étroite avec le CEA, FRAMATOME et l'EDF. Grâce à ces partenariats, l'équipe a pu acquérir progressivement des moyens importants lui permettant de conserver un équilibre entre une approche expérimentale et une approche numérique. L'autre idée mise en avant pour assurer la croissance de l'équipe était le caractère fortement pluridisciplinaire de la Mécanique des Vibrations comme pouvait l'attester l'histoire de cette discipline au sein de l'Ecole Centrale de Lyon. Ainsi, de façon naturelle, l'équipe s'est lancée très tôt sur des actions de recherche sur le contrôle actif qui est devenu, depuis, une source majeure d'innovations technologiques. Ainsi, en 1991, grâce à un partenariat regroupant plusieurs industriels, la salle d'essais Pierre LEMAIRE fut construite et équipée de matériels lourds permettant de tester des prototypes industriels couplés avec des simulations numériques en accord avec la technique dite "Hardware in the Loop". Salle d'essais vibratoire P. LEMAIRE avec dalle Système de suspension active sismique 25 tonnes et groupe hydraulique 130 KVA des cabines d'engins de chantier

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Les premières réalisations utilisèrent des systèmes hydrauliques (suspension TGV, suspension des cabines d'hélicoptère, suspension de moteurs d'avion, suspension de bulldozer…)

Suspension électro-mécanique pour les rames Essais vibratoires d'un capot actif SNCF CORAIL (thèse VINCENT 1999) puis des systèmes électromagnétiques (suspension de sièges, suspension des trains corail, système de contre pendulation des pantographes, contrôle des ponts à câbles…) et enfin, des systèmes piézo-électriques (capotage actif, double vitrage actif, ski actif, vélo actif, plots moteurs actifs, antennes de sous-marins…).

Expérimentation en situation réelle d'un vélo de course Expérimentation en situation réelle avec suspension active anti-fatigue de skis actifs Ces travaux qui ont débouché sur de nombreux prototypes et des brevets sont actuellement poursuivis dans le cadre d'un partenariat entre EADS et l'ECL. Ainsi, des études sont lancées sur le contrôle des missiles, du lanceur Ariane et des futurs AIRBUS. Cette collaboration nécessite l'aménagement d'un hall d'essais qui sera construit au cours de l'année 2008.

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Dès sa création, l'équipe D2S a mené des recherches dans le domaine de la dynamique des systèmes non-linéaires qui constitue un lien entre la mécanique des vibrations et les mathématiques appliquées. Pantographe actif Analyse du comportement chaotique d'oscillateurs pour train pendulaire non-linéaires (thèse MALASOMA 1994) Les premiers travaux étaient directement financés par la Délégation Générale de l'Armement mais de nombreuses actions de recherche, plus concrètes, ont été réalisées : stabilité des trains d'atterrissage avec MESSIER DOWTY, effets nonlinéaires des suspensions avec PSA, comportement des pneumatiques avec MICHELIN et DASSAULT, dynamique des rotors avec EUROCOPTER, bruit d'origine électromagnétique avec France TRANSFO. Ces dernières études, effectuées sur les machines tournantes, ont débouché en 1997 sur un partenariat privilégié avec la SNECMA. Identification des caractéristiques Analyse vibratoire et acoustique des transformateurs non-linéaires des trains d'atterrissage

(thèse GIBERT 2001)

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Ainsi, un hall d'essais a été construit spécialement dans le but d'accueillir trois bancs d'essais sur la dynamique des rotors. L'équipe est ainsi devenue laboratoire extérieur du groupe SAFRAN et est, actuellement, responsable des actions de recherche en vibrations dans le cadre du projet MAIA qui regroupe SAFRAN, l'ONERA et le CNRS. Banc SAFRAN pour l'expérimentation des Banc SAFRAN pour l'étude de la dynamique amortisseurs du type SQUEEZE-FILM d'ensemble des rotors

La construction des machines tournantes et de prototypes pour le contrôle actif a incité l'équipe D2S à s'intéresser à la Conception Mécanique et tout particulièrement à la maîtrise de la qualité des produits. Une méthode d'optimisation hiérarchisée utilisant des paramètres de conception incertains a ainsi été imaginée pour concevoir des systèmes de grande complexité à "coup sûr" et à "coût faible". Cette stratégie dénommée FIRST DESIGN (Fiabilité et Robustesse des Structures en préconception) a été testée en conception automobile en relation étroite avec RENAULT dans le cadre d'une Equipe de Recherche Technologique créée en 2002. Ce projet de recherche s'est concrétisé par la mise en réseau de dix thèses CIFRE recouvrant les domaines du crash, de la vibroacoustique, de la fatigue vibratoire et de la dynamique automobile. Le succès de cette action de recherche et la pertinence de ses objectifs ont incité l'Ecole Centrale de Lyon à l'utiliser comme thème fédérateur pour développer le Génie Industriel. Actuellement, la méthode FIRST DESIGN est appliquée à la conception des moteurs automobiles en liaison avec PSA et à la conception des réacteurs d'avions en partenariat avec le groupe SAFRAN.

En 1991, la DGA avait proposé à l'équipe D2S de rechercher une nouvelle méthode de calcul des structures dans le domaine des fréquences élevées dans le contexte de la discrétion acoustique des sous-marins nucléaires. La stratégie de modélisation qui avait été imaginée par l'équipe en réponse à cette demande de besoin reposait sur une description de l'état vibratoire à l'aide de grandeurs énergétiques. Dans le cadre d'une collaboration de plus de dix ans avec DASSAULT, cette méthode appelée Méthode Energétique Simplifiée (MES) a débouché sur un corps de doctrine complet capable d'intégrer tous les phénomènes vibroacoustiques comme la transmission solidienne, la transparence des parois et la diffraction des ondes.

Caractérisation d'un véhicule dans le domaine des moyennes fréquences par méthodes MES (thèse HOUILLON 1999)

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A l'heure actuelle, la MES a été intégrée à la plateforme logiciels CATIA. Des techniques expérimentales spécifiques ont été également proposées par l'équipe pour identifier les paramètres associés à ce type de modélisation. De nombreuses collaborations industrielles sur ce thème ont permis à l'équipe de s'équiper en moyens d'essais modernes comme la vélocimétrie laser à balayage et des caméras infrarouges. Identification du désaccordage des aubes de turbine Thermographie inra-rouge à balayage avec un vibromètre laser à balayage mode en contrainte Ces actions de recherche en vibroacoustique ont incité l'équipe D2S à se rapprocher de l'équipe d'Acoustique de l'Ecole Centrale pour former un pôle d'excellence dans ce domaine internationalement reconnu.

L'intégration de l'équipe dans le Laboratoire de Tribologie et Dynamique des Systèmes s'est traduite par la mise en avant d'un axe de recherche sur la stabilité des systèmes frottants. En particulier, des études théoriques et appliquées sur le crissement des freins ont été réalisées en partenariat avec PSA, MESSIER BUGATTI, RENAULT et VALEO. A l'heure actuelle, ces travaux sont étendus à d'autres produits comme les essuie-glaces et à d'autres domaines comme la dynamique des sols et le génie parasismique.

3 – Bilan et nouvelles perspectives

Comme à ses débuts, les activités de recherche actuelles de l'équipe D2S sont fortement reliées à des collaborations industrielles. Ainsi, plus des trois quarts de son budget annuel, qui s'élève à un million d'euros, provient du secteur économique. Ce lien avec l'industrie ne l'a pas empêché de développer des recherches de haut niveau comme l'atteste le nombre de ses publications dans des journaux scientifiques réputés. Le nombre de thésards s'est toujours maintenu et depuis sa création l'équipe fait soutenir une moyenne de six thèses par an dont la moitié associée à une convention CIFRE. Cette dynamique de recherche a pu être menée et pérennisée grâce à l'intégration d'enseignants-chercheurs brillants comme Fabrice THOUVEREZ (ECL 88) et Mohammed ICHCHOU (ECL 92) qui ont eu, entre autre, le mérite de s'impliquer fortement dans de nombreux contrats européens au cours de ces dix dernières années. L'équipe regroupe, à l'heure actuelle, quinze membres permanents et développe ses recherches dans les cinq axes suivants :

• Dynamique des machines tournantes • Stabilité des systèmes frottants • Vibroacoustique • Contrôle actif • Conception robuste et fiable

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Tous ces thèmes ont un caractère fortement pluridisciplinaire et multi-physique. Cette particularité est propre à la discipline mais force est de constater qu'elle est particulièrement mise en avant par l'équipe D2S et ceci en accord avec l'histoire de la Mécanique des Vibrations à l'Ecole Centrale de Lyon. De toute évidence, le développement de l'équipe s'explique par sa parfaite intégration dans une Ecole Scientifique Généraliste qui lui a permis, au cours des son évolution, d'intégrer de nombreuses disciplines comme l'hydraulique, l'électricité, l'analyse numérique, les statistiques et plus récemment les sciences de l'organisation associées au concept de qualité des produits. Au-delà de son ouverture culturelle, l'équipe s'est développée grâce à l'équilibre toujours maintenu entre les aspects théoriques et expérimentaux assuré par l'acquisition de matériels de haute technologie et de logiciels avancés. Les moyens financiers nécessaires à cette politique ont été obtenus grâce à une relation étroite avec l'industrie, qui loin de la tirer vers le bas au niveau scientifique, a toujours fourni à l'équipe des sujets d'actualité toujours plus complexes à résoudre. L'équipe a aussi assuré, tout au long de son évolution, une relation étroite entre l'enseignement et la recherche. Ainsi, les cours dispensés à l'Ecole par les membres de l'équipe ont, systématiquement, intégré l'évolution des moyens d'analyse et de calcul utilisés dans l'industrie. Cet effort de formation par la recherche a souvent été relevé par des articles dans des revues comme Usine Nouvelle et appréciés par bon nombre de Directions des Ressources Humaines de grandes entreprises, et tout particulièrement dans le domaine du transport. A l'heure de la mondialisation, il est indispensable d'intégrer les modifications profondes du secteur économique et les nouvelles demandes industrielles et sociétales pour pouvoir poursuivre cette politique de développement. Consciente des enjeux, l'équipe se lance avec beaucoup d'énergie sur des nouveaux thèmes de recherche associés à l'éco-conception, la sécurité des installations industrielles et la biomécanique. Ainsi, fidèle a son esprit d'ouverture et à son ancrage pluridisciplinaire au sein de l'Ecole Centrale de Lyon, l'équipe D2S apparaît bien armée pour affronter l'avenir.