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École de technologie supérieure

Responsable(s) de cours : Zhaoheng Liu


PLAN DE COURS

Hiver 2024
SYS804 : Vibrations avancées: théorie et pratique (4 crédits)





Préalables
Aucun préalable requis




Descriptif du cours

Développer des aptitudes avancées en analyse des vibrations, en techniques de mesure des vibrations et en analyse modale, autant du point de vue théorique qu’expérimental. Maîtriser les techniques d’analyse expérimentale et théorique des vibrations. Maîtriser les techniques de diagnostic des défauts de machines par surveillance vibratoire.

Acquisition des données, FFT, échantillonnage, fenêtrage. Capteurs et actuateurs : pots vibrants, marteaux d’impact, excitation acoustique, accéléromètres. Types de vibrations : harmoniques, transitoires, aléatoires. Vibrations temporelles : facteur de crête et Kurtosis. Méthodes analytiques. Analyse modale théorique et expérimentale : décrément logarithmique, diagramme de Bode, résonances, amortissements, modes, synthèse modale. Méthode des éléments finis. Essais de qualification de produits. ESS. Essais de fatigue sous excitation aléatoire. Diagnostic des défauts de machines par analyse vibratoire (équilibrage, lignage, roulements, paliers, moteurs et engrenages).



Objectifs du cours

Ce cours vise à développer des aptitudes chez l’étudiant en

  • analyse des vibrations de structure,
  • techniques de mesure des vibrations et d'analyse modale de structure (entre autres de machines),
  • techniques de réduction des vibrations de structures.

 

À la fin du cours, l’étudiant devrait pouvoir maîtriser :

  • les approches théoriques permettant de modéliser les vibrations des systèmes discrets et des systèmes continus simples,
  • les techniques d’analyse modale expérimentale, numérique et théorique,
  • les techniques d’acquisition de données et de traitement du signal vibratoire,
  • les techniques de diagnostic des défauts de machines par surveillance vibratoire.

 



Stratégies pédagogiques
  • 12 séances de cours de 3h;
  • 7 travaux pratiques de 3h pour appliquer les notions du cours;
  • 5 laboratoires de 3h en équipes permettant à l'étudiant d’appliquer ses connaissances;
  • 1 projet de session;
  • 1 examen mi-session (2h);
  • 1 examen final (3h).



Utilisation d’appareils électroniques

Ordinateurs et calculatrices



Horaire
Groupe Jour Heure Activité
01 Mardi 13:30 - 17:30 Travaux pratiques (2 sous-groupes)
Mercredi 08:30 - 12:00 Activité de cours



Coordonnées de l’enseignant
Groupe Nom Activité Courriel Local Disponibilité
01 Thomas Dupont Activité de cours Thomas.Dupont@etsmtl.ca A-2918
01 Lucie Gallerand Travaux pratiques (2 sous-groupes) lucie.gallerand.1@ens.etsmtl.ca



Cours

Période

Activités

1

Vibration des systèmes discrets à 1 degré de liberté (Révisions)

 

Équations du mouvement. Fréquences naturelles. Amortissement. Vibrations libres non amorties et amorties. Simulations numériques (Matlab et Simulink). Réponse à un mouvement harmonique. Amplification. Transmissibilité. Réponses impulsionnelles. Réponse à une excitation arbitraire.

2

Vibration des systèmes discrets à plusieurs degrés de liberté (Révisions)

 

Équations du mouvement (Newton, Lagrange). Résonances et modes. Analyse modale. Réponse libre et forcée. Applications sous Matlab.

3 et 4

Vibration des systèmes continus

 

Vibration des cordes, tiges et poutres. Modes et fréquences naturelles. Vibration des membranes et plaques.

5

 Méthode des éléments finis

 

Principe des travaux virtuels. Coordonnées généralisées. Éléments de barres. Éléments de poutres. Matrices de masse et de rigidité. Assemblage de systèmes complexes. Conditions aux limites. Réduction de modèles.

6

Traitement du signal pour la mesure des vibrations

Signal temporel : niveau crête, niveau efficace, facteur de crête, Kurtosis.

Signal fréquentiel : Décomposition en série de Fourier, Calcul numérique des coefficients de Fourier, Transformée de Fourier, Échantillonnage des signaux, Phénomène de recouvrement, Théorème de Shannon, Principe d’incertitude de Heisenberg, Transformée discrète de Fourier, Vibration harmonique, Battement, Vibration aléatoire, Force d’impact, Choc répétitif, Effet du fenêtrage, analyse spectrale.

7

Analyse modale expérimentale

Décrément logarithmique. Analyse modale des structures. Extraction des paramètres modaux, résonances, amortissements. Mesure des modes.
8 et 9

Détection des défaillances de machines par surveillance vibratoire

Analyse spectrale des défauts de mécanismes. Suivi des vibrations. Type de descripteur des vibrations, mouvement vibratoire harmonique, déplacement, vitesse et accélération. Unités de vibration. Analyse fréquentielle en bande étroite. Analyse dans le domaine temporel, amplitude crête, amplitude efficace et décibel. Kurtosis, facteur de crête. Vibrations typiques de machines, Vibrations de balourd, lignage. Vibrations de roulements, engrenages.

 

 

10

 Méthodes expérimentales avancées

 

 Analyse des voies de transfert (TPA), Analyse Modale avancée (Méthodes de lissage des fonctions de transfert et d'appropriation modale), Traitement du signal avancé (Cepstre, modulation, transformée de Hilbert, Transformée de Fourier rapide, Transformée par Ondelettes).

11

 Méthodes de réduction des vibrations
Matériaux passifs, absorbeurs dynamiques, métamatériaux, contrôle actif.

12

Présentations orales des projets



Laboratoires et travaux pratiques

1. Laboratoires en équipe

Voir calendrier des travaux pour les dates de réalisations.

Les laboratoires s’effectueront sur un mécanisme qui comprend un moteur, un rotor, un accouplement, 2 roulements et des disques d’inertie.

  • Laboratoire 1 et 2 : Méthode des éléments finis sous le logiciel Ansys

Ce sont deux laboratoires informatiques qui permettront aux étudiants de se familiariser avec le logiciel d’éléments finis Ansys, de l’appliquer au calcul d’une poutre puis d'un rotor (analyse modale et excitation forcée). 

  • Laboratoires 3 : Analyse Modale Expérimentale (AME) .

La première partie porte sur l’AME d'une structure simple (poutre) à l’aide d'un marteau de choc et d'un accéléromètre. Les fréquences de résonance, les taux d'amortissement ainsi que les déformées des modes de la structure sont mesurés/définis et comparés ceux trouvés par la théorie et par calculs numériques, La mesure des paramètres mécaniques d'un matériau par potence d'Oberst sera abordée.

La deuxième partie porte sur l'AME d'un ski par la méthode d'impact et l'identification du module d'Young équivalent du ski.

  • Laboratoires 4  : Équilibrage et diagnostique de défauts

On s'intéresse à l'équilibrage et au diagnostique de défauts par l'analyse des mesures vibratoires d’un système tournant comprenant un moteur, un rotor, des accouplements et des roulements. .

  • Laboratoires 5 : Traitement du signal avancé

 

2. Projet (20 %)

Le projet consiste à étudier un phénomène vibratoire, en s’appuyant sur une revue de la littérature (recherche bibliographique) et sur des simulations numériques. Il se conclura par un rapport technique (15 %) et une présentation orale (5 %).

Liste des projets proposés (vous pouvez proposer un projet différent):

  1. Amortissement des structures;
  2. Applications des viscoélastiques pour amortir les vibrations;
  3. Isolation des machines;
  4. Absorbeurs dynamiques;
  5. Dynamique des rotors;
  6. Vibrations de machines;
  7. Vibrations des roulements;
  8. Vibrations des engrenages;
  9. Vibrations des moteurs;
  10. Exposition globales du corps humain aux vibrations;
  11. Exposition aux vibrations segmentaires des travailleurs;
  12. Confort et stabilité des véhicules;
  13. Vibrations des outils de coupe;
  14. Dynamique du système non-linéaire véhicule/conducteur (voiture)
  15. Dynamique du système non-linéaire véhicule/conducteur (camion/semi-remorque)
  16. Métamatériaux en vibration;
  17. Sujet libre à proposer.

NOTE : Le rapport du projet effectué dans le cadre du cours MEC525 (même si légèrement modifié) n’est pas acceptable.

 

Présentez votre avant-projet (sur 1 page) pour approbation avant le 24 janvier 2024.

                    Modèle d’avant-projet

  • Sujet
  • Problématique
  • Objectif
  • Méthode envisagé



Évaluation

Activités

Descriptions

%

Laboratoires en équipes

5 laboratoires (2 rapports : 10% chacun) : voir dates de remise et d’exécution dans le calendrier

20

Projet libre individuel

Avant-projet le 1er février 2023 et remise du rapport le 16 avril 2023

(15% rapport + 5% oral)

20

Intra

Examen portant sur les premières leçons

30

Final

Examen portant sur les dernières leçons

30



Dates des examens intra
Groupe(s) Date
1 28 février 2024



Date de l'examen final
Votre examen final aura lieu pendant la période des examens finaux, veuillez consulter l'horaire à l'adresse suivante : http://etsmtl.ca/Etudiants-actuels/Baccalaureat/Examens-finaux


Politique de retard des travaux
Tout travail (devoir pratique, rapport de laboratoire, rapport de projet, etc.) remis en retard sans motif valable, c’est-à-dire autre que ceux mentionnés dans le Règlement des études (1er cycle, article 7.2.7 b / cycles supérieurs, article 6.5.4 b) se verra attribuer la note zéro, à moins que d’autres dispositions ne soient communiquées par écrit par l’enseignant dans les consignes de chaque travail à remettre ou dans le plan de cours pour l’ensemble des travaux.

Dispositions additionnelles

Sans objet



Absence à un examen
Dans les cinq (5) jours ouvrables suivant la tenue de son examen, l’étudiant devra justifier son absence d’un examen durant le trimestre auprès de la coordonnatrice – Affaires départementales qui en référera au directeur de département. Pour un examen final, l’étudiant devra justifier son absence auprès du Bureau du registraire. Toute absence non justifiée par un motif majeur (maladie certifiée par un billet de médecin, décès d’un parent immédiat ou autre) à un examen entraînera l’attribution de la note (0).



Infractions de nature académique
À l’ÉTS, le respect de la propriété intellectuelle est une valeur essentielle et les étudiants sont invités à consulter la page "Citer, pas plagier !" (https://www.etsmtl.ca/Etudes/citer-pas-plagier). Les clauses du règlement sur les infractions de nature académique de l’ÉTS (« Règlement ») s’appliquent dans ce cours ainsi que dans tous les cours du département. Les étudiants doivent consulter le règlement sur les infractions de nature académique (https://www.etsmtl.ca/docs/ETS/Gouvernance/Secretariat-general/Cadre-reglementaire/Documents/Infractions-nature-academique) pour identifier les actes qui constituent des infractions de nature académique au sens du Règlement ainsi que prendre connaissance des sanctions prévues à cet effet.

Systèmes d’intelligence artificielle générative (SIAG)
L’utilisation des systèmes d’intelligence artificielle générative (SIAG) dans les activités d’évaluation constitue une infraction de nature académique au sens du Règlement sur les infractions de nature académique, sauf si elle est explicitement autorisée par l’enseignant(e) du cours.



Documentation obligatoire
  • Thomas M., Mai 2011, Fiabilité, maintenance prédictive et vibrations de machines. Presses de l’Université du Québec, 633 pages, D3357, ISBN 978-2-7605-3357-8.
  • Thomas M. et Laville F., Juin 2005, « Simulation des vibrations mécaniques par Matlab, Simulink et Ansys, Presses de l’Université du Québec, ISBN 2-921145-52-9, 702 pages.



Ouvrages de références
  • J. L. Guyader, Vibrations des milieux continus, Lavoisier, Hermès, 444 p., 2002.
  • M. Géradin, D. Rixen, Théorie des vibrations - Applications à la dynamique des structures, 2eme édition, Masson, Paris, 421 P., 1996.
  • Beranek, L.L. and I.L. Ver, Noise and vibration control engineering, 2eme ed., Wiley 2006.
  • Robert Bond Randall, Vibration-based condition monitoring: industrial, aerospace, and automotive applications, Chichester, West Sussex, U.K.; Hoboken, N.J.: Wiley, 2010.
  • Rao, Mechanical Vibrations, Addisson Wesley, 2003.
  • Zhi-Fang Fu, Jimin He, Modal analysis, Oxford ; Boston : Butterworth-Heinemann; 2001. 1 ressource en ligne (xiii, 291 p.) Accès réservé aux membres des établissements autorisés.
  • Patrick Lyonnet, Marc Thomas, Rosario Toscano, Fiabilité, diagnostic et maintenance prédictive des systèmes, Lavoisier, 2012, 378p.
  • Shin K., Hammond, J. K., Fundamentals of Signal processing for Sound and Vibration Engineers,Wiley, 2008.
  • Inman Daniel: Engineering vibration, Prentice Hall, 2001.
  • Ewins D. J., Modal testing, theory and practice, Research Studies Press, 2000.
  • Kelly S.G., Fundamentals of mechanical vibrations, Mc Graw Hill, 2000.
  • Mc Connell, Vibration testing: theory and practice, Wiley, 1995.
  • Drouin B. et Senicourt J.M., De la mécanique vibratoire classique à la méthode des éléments finis, AFNOR, 1993.
  • Wowk Victor, Machinery vibration: measurement and analysis, Mc Graw Hill, 1991.



Adresse internet du site de cours et autres liens utiles

Site Moodle du cours (Calendrier, supports du cours, TP, laboratoires, dépots des rapports laboratoires, projets et intra, renseignements, consignes...) :

https://ena.etsmtl.ca/

Site pour examen final (si à distance) :

https://enaquiz.etsmtl.ca/



Autres informations

Voir le site Moodle du cours pour toutes informations supplémentaires (calendrier, consignes, supports de cours, TP et laboratoires, ...).