Études non-linéaires des sévérités vibratoires des freins aéronautiques  - application aux solutions anti-vibratoires

Cette thèse CIFRE s'est déroulée entre le LTDS et Safran Landing Systems.

Rendez-vous  mardi 25 février 2025 à 14h30 dans la salle 203 de l’Amphithéâtre, Bâtiment W1 (2e étage) à l’École Centrale de Lyon, sur le site d’Écully.

Composition du jury

Études non-linéaires des sévérités vibratoires des freins aéronautiques - application aux solutions anti-vibratoires

• Les freins aéronautiques sont un composant essentiel de la sécurité dans un avion. Lors d’une phase de freinage, ils sont soumis à des niveaux vibratoires élevés provenant du déclenchement d’instabilités. L’un des objectifs majeurs de Safran Landing Systems (SLS) est de concevoir des systèmes de freinage sûrs et donnant lieu à un minimum de vibrations. Le phénomène vibratoire le plus critique à l’heure actuelle est le « whirl » et provient d’une coalescence de modes.
• Des essais de freinage sont réalisés pendant la phase de développement, mais cela demande des ressources importantes. C’est dans cette optique que des travaux de recherche ont lieu sur des modèles réduits de frein. Disposer d’un modèle représentatif des freins embarqués sur les avions permettrait d’estimer les niveaux vibratoires de manière efficace et plus rapide que dans la situation actuelle. Les travaux de thèse s’inscrivent dans ce cadre.
• Tout d’abord, un modèle réduit est mis en place à partir d’un frein donné. Le manuscrit présente toutes les étapes nécessaires pour cela, l’objectif étant de s’assurer d’un seuil minimal de précision pour le modèle réduit. Quelques hypothèses sont formulées et leur impact sur la modélisation est décrit. Le grand avantage de ce modèle est de pouvoir réaliser à la fois des analyses de stabilité et des simulations temporelles non-linéaires, le tout avec des temps de calcul raisonnables.
• Ensuite, les non-linéarités introduites dans le modèle sont listées, en expliquant pour chacune d’entre elles ce qui peut justifier leur prise en compte. Les avantages et inconvénients sont décrits, pour finir on juge de l’intérêt de les considérer vis-à-vis de l’objectif et du degré de précision souhait´es. Une fois ce choix figé, plusieurs configurations sont simulées pour étudier l’influence de certains composants sur les niveaux vibratoires. On en conclut que l’épaisseur des disques est de premier ordre, ce qui conforte les choix de designs réalisés chez SLS.
• Les travaux de thèse visent à répondre à un objectif concret pour SLS, la diminution des vibrations sur un programme donné. Pour cela, le dernier chapitre porte sur la modélisation de solutions anti-vibratoires. Le principe de fonctionnement de ces solutions est expliqué, puis le modèle réduit est modifié afin de pouvoir simuler le comportement du frein avec ou sans les solutions anti-vibratoires. On identifie que lorsque le paramétrage est bien choisi, nous observons des réductions significatives des vibrations. Cela montre tout l’intérêt de disposer d’un modèle réduit au sein du Bureau d’Etudes afin de mieux concevoir les solutions anti-vibratoires et de disposer de freins de moins en moins sujets aux vibrations de whirl.

Nonlinear analyses of vibration severity in aircraft braking systems - application to anti-vibration technologies

• Aircraft braking systems are essential to ensure the safety of an aircraft. Friction-induced instabilities might appear during a braking sequence, hence spurring high vibration levels that threaten the structural integrity of the landing gear. One of the main goals of Safran Landing Systems (SLS) is to design braking systems that are safe and as vibration-less as possible. The most critical vibration phenomenon is called « whirl » and is the consequence of modal coalescence. In order to tackle these challenges, braking tests are performed during the development phase, but doing so requires important resources. In this context, research has been conducted on reduced models of aircraft braking systems. Having a representative model would make it possible to estimate vibration levels in a more efficient and straightforward way.
• The work described throughout this manuscript has been realised following this context. First, a reduced model is assembled from the Finite Element model of an aircraft brake. The manuscript lists all the required steps, the objective being to ensure a threshold precision for the reduced model.
• Several hypotheses are expressed and their impact on the model is detailed. The main advantage of the reduced model is to be able to perform both stability analyses and non-linear time simulations, while keeping reasonable computation times.
• Then, the non-linearities introduced in the model are listed: for each one of them, motivations are given in order to justify why they are considered. Their pros and cons are given, and in the end a decision is made on whether to include them in the model, depending on the target and the required precision. Once the choice of the non-linearities is fixed, several configurations are simulated to study the influence of some components on vibration levels. The main outcome is that the disks width is a very influential parameter, which is coherent with the design choices of SLS.
• The work undergone during the PhD aimed to satisfy a precise objective for SLS, the reduction of vibration levels. In order to do so, the last chapter describes the modelling of anti-vibrations technologies. Their working principle is detailed, and then the reduced model is modified in order to simulate the behaviour of the brake with these technologies. It is observed that they can achieve a significant vibration reduction, provided that they are properly chosen and with the right choice of parameters. This highlights the gain achieved with a working reduced model in the design office of SLS, in order to use the most appropriate anti-vibration technologies and reaching brakes with lower vibration levels in the future.