Comment bien choisir  un système de mesure d'analyse 3D en ODS ?

  • Les calculs de structures en simulation comme les éléments finis FEA à partir des caractéristiques des matériaux comme le module d’Young, vont calculer les déplacements, les contraintes et fréquences dynamiques.
    La détermination des résonances est importante pour la durée de vie en fonctionnement, il est donc nécessaire de bien corréler les calculs avec la mesure car les hypothèses des matériaux et assemblages sont souvent théoriques et statistiques, par exemple le module d’Young de l’acier a une variation importante suivant la fabrication de ce dernier, un vissage entre deux plaques est considéré comme un déplacement nul mais c’est souvent faux dans la réalité etc…


  • Le basic : Prenons une structure simple comme une plaque qui est soumise à une excitation vibratoire large fréquence au milieu.
    Dans le repère cartésien, nous allons avoir des déplacements dans le plan X,Y qui vont générer des déformations et donc des contraintes dX/X et dY/Y. σ = (dX/X) ∗ E σ = (dY/Y) ∗ E
    Puis des déplacements verticaux dans l’axe Z vont générer des accélérations γ = ∂2X/∂t .
    Ces accélérations vont générer des forces dynamiques selon la loi de Newton F = M∗γ .


  • Ces paramètres évoluent en fonction de la fréquence, la structure étant composée de masse raideur amortissement des résonances apparaissent cela veut dire que l'on a une fréquence loin de la résonance et qu'il peut y avoir un niveau proche de zéro et à la résonance une amplification du niveau. Ceci est appelé le coefficient de surtension Q.


  • Il faut donc mesurer dans les trois directions X,Y,Z les déplacements et accélérations qui sont produites lors du fonctionnement de la structure, d’où le terme ODS en anglais Operating Deflection Shape. Cette mesure est complémentaire à l’analyse modale qui consiste à envoyer une Energie d’excitation connue ou mesurée et à partir d'une fonction de transfert réponse/excitation de calculer les paramètres modaux comme la fréquence de résonance, l’amortissement et les vecteurs de déplacement. Mais l’analyse modale considère comme hypothèse la linéarité de la structure ce qui n'est souvent pas le cas. L’ODS permet d’être dans les conditions réelles de force d’excitation et de réponse de la structure, il permettra de faire de mieux corréler la simulation.
  • Il existe plusieurs types de capteurs, comme dirait Mr De Lapalisse, il existe des capteurs de déplacements, vitesses et accélérations qui mesure des déplacements x, vitesses v et accélérations γ. A partir d’un type de capteur il est possible de calculer les autres informations en dérivant ou intégrant les valeurs comme x = ∬ γdt mais les types de mesures sont liées à la fréquence, en effet soit le paramètre ω = 2 ∗ π ∗ fréquence alors nous avons les relations fondamentales : γ = ω^2 ∗ x et v = ω ∗ x donc suivant la fréquence les mesures peuvent être dans des niveaux trop faibles donc le choix du capteur est important et aussi lié aux conditions réelles de mesure. Par exemple pour un niveau constant d’accélération de 1 m/s2 à 10Khz le déplacement est de 0.25 nm à 10Hz 0.25 mm, etc…

  • Cas de l’accéléromètre : le principe général est qu’une petite masse vient compresser donc exciter une cellule, soit piézoélectrique, piezorésistive ou capacitive et le signal électrique est alors proportionnel à l’accélération du fait de la loi de la dynamique, mais la masse M et la raideur K de la cellule génère une résonance qui filtre les hautes fréquences avec une fréquence de coupure lié à F = √K/M et l’électronique de conditionnement génère une filtre qui supprime les basses fréquences (passe haut) donc chaque accéléromètre doit être utilisé en fonction de la fréquence utile. Autre point est la masse du ou des capteurs qui peut modifier les réponses des structures.


  • Capteurs sans contact ; habituellement les capteurs optiques basés sur des lasers sont utilisés, il y a deux grandes gammes : le capteur de déplacement par triangulation qui peut mesurer du continu à 800KHz mais avec des déplacements >10µm et des vibromètres à effet doppler qui peuvent mesurer du continu à plusieurs MHz, avec une résolution en déplacement du pm 10^−12.

  • Utilisation de camera rapide ; méthode de stereo-corrélation ; deux cameras rapides pointe une cible appelée mouchetis les déplacement des taches sur la cible est calculée en X,Y par une méthode de matrice de corrélation, la direction Z est calculée par triangulation.


  • Afin de connaitre les déplacements maximum il est important d’avoir suffisamment de points de mesure, si le calcul donne les positions alors il est aisé de déterminer les coordonnées et le nombre, appelé DOF degree of fredom.
    En règle générale plus la fréquence est importante plus le nombre de points est important.


  • Cas structure stationnaire et non stationnaire ; si l’excitation est répétitive ou linéaire (si nous doublons l’excitation nous doublons la réponse) alors une mesure séquentielle avec une référence fixe et le déplacement d’un ou plusieurs capteurs; l’avantage est économique ou diminution de la masse mais durée du test important sauf dans le cas du laser à balayage qui dispose d’outils automatiques. Si l’excitation est non stationnaire comme un choc ou non répétitive comme la montée en régime d’un moteur d’avion (un seul test) alors il faut impérativement mesurer en simultané et synchrone, comme plusieurs accéléromètres, plusieurs lasers ou les camera rapides. D’où l’augmentation ces dernières années des solutions multi-voies 100-1000.
  • Le nombre de données est alors important, soit les données temporelles sont exportées vers un logiciel d'analyse modale qui dispose d'un module ODS


  • ou comme les vibromètres ou camera disposent de leur outils ODS


  • Le principe de base est de reconstruire la structure avec les coordonnées dans un repère cartésien= GEOMETRIE, soit en mesurant manuellement ou un télémètre ou fichier importé mais dans le dernier cas avec un outil de recalage, car en effet la géométrie sera utilisée dans le logiciel de simulation

  • La fonction animation permet de visualiser les mouvements des points de mesure en fonction d’une fréquence (pour un mode) ou en temporel, ceci nous permet visuellement de pouvoir comparer facilement avec le logiciel de simulation.
  • Comme dit précédemment il est nécessaire d’exporter la géometrie la matrice de déformée en fréquence et temporel.

  • Les logiciels ODS exportent dans diffèrent formats de fichiers informatiques citons ASCII,wav,excel,Matlab,… mais le format le plus adapté est le format universel ou UFF,UNV ce format a été créé aux États-Unis par la société SDRC afin de pouvoir échanger les données en analyse modale, il est composé d’une entête en ASCII et les data en colonne en ASCII ou BINAIRE pour les tailles de fichiers important, en général tous les logiciels ODS/MODAL ont ce format :

    • -1 151 None MT_WIN_XP7 14-juil-1612:25:30 14-juil-1612:25:30 MT_WIN_XP7 14-juil-1612:25:30 -1 -1 164 SI - Metri +10.00000000000000000E-01+10.00000000000000000E-01+10.00000000000000000E-01 +10.00000000000000000E-01 -1 -1 58 Frequency Response Function VL Modal Analysis V 3. 4. 2 14-juil-16 NONE 4 0 0 0 UNIV 4 2 UNIV 1 2 5 401 1+00.00000E+00+62.50000E-02+00.00000E+00 18 0 0 0 Frequency Hz 12 0 0 0 Acc. m/s^2 13 0 0 0 Force N 0 0 0 0 NONE NONE +25.03252E-02+11.01288E-03+28.75185E-04+37.04343E-04-20.99806E-04-60.50228E-04 -16.32148E-04+34.97125E-04-31.16643E-04-37.35270E-04-40.98764E-04+23.46024E-04 -33.86769E-05-29.51385E-04+46.64614E-04+28.30536E-04+13.83188E-04-95.89544E-05 +


  • Pour le format universel il existe souvent des incompatibilités dues au fait que dans l’entête des espaces libres peuvent être utilisés par les éditeurs pour donner des informations propriétaires, une résolution facile consiste à supprimer dans l’entête ces informations avec un éditeur classique l’entête étant en ASCII mais en évitant de créer un saut de page,etc..

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