abstract: Monte Carlo simulations are traditionally carried out for the determination of the amplification of forced vibration response of turbomachine/jet engine blades to mistuning. However, this effort can be computationally time consuming even when using the various reduced order modeling techniques. Accordingly, some investigations in the past have focused on obtaining simple approximate estimates for this amplification. In particular, two of these have proposed the use of harmonic patterns of the blade properties around the disk as an approximate alternative to the many random patterns of Monte Carlo analyses. These investigations, while quite encouraging, have relied solely on single degree of freedom per sector models of the rotor. In this light, the overall focus of the present effort is a revisit of harmonic mistuning of rotors focusing first the confirmation of the previously obtained findings with a more detailed model of the blisk in both conditions of an isolated blade-dominated resonance and of a veering between blade and disk dominated modes. The latter condition cannot be simulated by a single degree of freedom per sector model. Further, the analysis will consider the distinct cases of mistuning due to variations of material properties (Young's modulus) and geometric properties (geometric mistuning). In the single degree of freedom model, both mistuning types are equivalent but they are not, as demonstrated here, in more realistic models. The difference arises because changes in geometry induce not only changes in natural frequencies of the blades alone but of their modes and the importance of these two sources of variability is discussed with both Monte Carlo simulation and harmonic mistuning results. The present investigation focuses also on the possible extension of the harmonic mistuning concept and of its quantitative information that can be derived from such analyses. From it, a novel measure of blade-disk coupling is introduced and assessed in comparison with the coupling index introduced in the past. In conclusions, the low cost of harmonic mistuning computations in comparison with full Monte Carlo simulations is demonstrated to be worthwhile to elucidate the basic behavior of the mistuned rotor in a random setting. / Dissertation/Thesis / Masters Thesis Mechanical Engineering 2014

The application of laser Doppler vibrometry to high speed rotating structures has been hampered by technical limitations. Whereas full-field three-dimensional velocity measurements can be made on stationary structures, the capability on rotating structures is limited to low speed, one-dimensional, steady state operation. This work describes the implementation of a self-tracking laser vibrometry system which overcomes many of the limitations of current techniques for vibration measurements on rotating structures. A model of the self-tracker is developed and used to predict the effects of static misalignments on the position and velocity errors. These predictions are supported by experimental results and simplified models of the self-tracker. NOTE: (02/2011) An updated copy of this ETD was added after there were patron reports of problems with the file. / Ph. D.

Les disques aubagés, que l’on trouve dans les turbomachines, sont des structures complexes dont le comportement vibratoire est généralement déterminé par l’exploitation de conditions de symétrie dans leur configuration nominale. Cette symétrie disparaît lorsque l’on assemble plusieurs de ces disques pour former un rotor ou que l’on introduit une variabilité spatiale des paramètres mécaniques (on parle de désaccordage intentionnel ou non). Le raffinement des maillages, nécessaire à une évaluation correcte de la répartition des contraintes, conduirait à des modèles de rotor complet de taille prohibitive (plusieurs dizaines de millions de degrés de liberté). L’objectif de cette thèse est donc l’introduction de méthodologies de réduction qui par combinaison de calculs acceptables permettent d’étudier de façon fine la dynamique d’ensemble sur des modèles 3D fins multi-étages et potentiellement désaccordés. L’étude des transformations de Fourier séparées des réponses de chaque étage permet, dans un premier temps, de bien comprendre les effets de couplage inter-harmonique liés au couplage inter-disque et au désaccordage. A partir de ce constat, une première méthode utilise les résultats de calculs en symétrie cyclique et à secteur encastré pour construire un modèle de secteur exact pour certains modes dits cibles et de très bonne qualité pour les autres modes. Cette méthode est ensuite étendue au cas multi-étage en construisant des bases de réduction de secteur par combinaison de solutions mono-harmoniques. Les illustrations montrent que la méthodologie proposée permet le traitement de modèles de très grande taille, tout en restant compatible avec une grande richesse de post-traitements (calculs de modes, calculs de réponses forcées, analyses de leur contenu harmonique spatial, répartition d’énergie et effets de localisation...). La méthodologie est enfin étendue à la gestion de modèles paramétrés en vitesse de rotation. L’enrichissement des ensembles de modes cibles par des calculs à trois vitesses permet ainsi une reconstruction rapide de l’évolution des fréquences pour l’ensemble d’un intervalle. / Bladed disks found in turbomachines are complex structures whose vibration characteristics are generally determined by exploiting the symmetry properties of their nominal configuration. This symmetry no longer exists either when disks are assembled to form a rotor or when discrepancies in the mechanical parameters are introduced (intentional or unintentional mistuning). Fine meshes required to correctly evaluate stress distributions would lead to prohibitive model sizes (typically a few million degrees of freedom). The objective of this thesis is to introduce model reduction techniques that rely on the combination of separate computations of acceptable size. This provides a means for in-depth studies of the behaviour of dense 3D models of multi-stage bladed rotors with possible mistuning. At first, Fourier transforms performed separately on each individual disk allows to understand the inter-harmonic coupling induced by inter-stage coupling and mistuning. From this study, a first method uses cyclically symmetric solutions plus sector modes with fixed inter-sector interfaces to build a reduced sector model. The latter is exact for target modes and very accurate for others. This method is extended to multi-stage assemblies by employing multi-stage mono-harmonic eigensolutions. Illustrations focus on the proposed methodology that enables to deal with large scale industrial models while remaining compatible with various post-processing procedures (free or forced response computations, analysis of their spatial harmonic content, energy distributions and localization effects...). This methodology is finally extended to the handling of parametric models depending on the rotation speed. The enrichment of the initial sets of target vectors with computations at three rotation speeds enables a fast and accurate recovery of the evolution of the eigenfrequencies with respect to the rotation speed in any operating range.

La prise en compte des couplages dynamiques entre les différents organes constituant une turbomachine s’inscrit dans le processus d’optimisation des designs moteur. L’amélioration des performances des turboréacteurs passe souvent par l’utilisation d’architectures multi-rotors. Dans le contexte des moteurs avec une architecture bi-rotor, des résultats d’essais expérimentaux montrent qu’il est nécessaire de considérer, dès la conception, l’influence de la dynamique de l’arbre Haute Pression (HP) sur les aubages de l’arbre Basse Pression (BP). Dans ce cadre d’étude, un premier modèle simplifié de bi-rotor aubagé est développé dans le repère tournant lié au rotor BP. Ce modèle est composé de deux rotors modélisés par des équivalents poutres - masses - ressorts et d’une roue aubagée constituée d’aubes souples modélisées par des poutres encastrées sur un disque rigide. Desnon-linéarités de type jeu radial avec contact au niveau des paliers sont également considérées et la réponse des aubes soumises à des excitations multi-fréquentielles de type balourd BP et HP est analysée. La présence de non-linéarités dans le système conduit à mettre en oeuvre des algorithmes adaptés, basés sur des techniques de résolution dans le domaine fréquentiel avec l’évaluation des efforts non-linéaires dans le domaine temporel. Afin d’avoir une meilleure description de la dynamique de la roue aubagée, une méthode spécifique de couplage est proposée, permettant de coupler un modèle réduit de roue aubagée 3D à un modèle simplifié de bi-rotor. Une démarche adaptée à la modélisation de la roue aubagée en symétrie cyclique est implémentée afin de considérer des non-linéarités de type contact en tête d’aube. La méthode de couplage proposée est ensuite illustrée sur un exemple simple puis validée dans un cadre linéaire et non-linéaire. Enfin, cette méthode de couplage est appliquée au cas d’une structure industrielle, constituée d’un modèle d’ensemble simplifié représentatif d’un moteur et d’un modèle éléments finis d’une roue de turbine BP. Les résultats obtenus mettent en évidence le couplage entre la dynamique d’ensemble et la dynamique de la roue aubagée et permettent de prédire la réponse non-linéaire des aubes de turbine BP en présence d’une excitation multi-fréquentielle, dans des configurations de co-rotation et de contra-rotation. / The design and optimization process of high efficiency turbomachinery has become a major challenge and a topical issue at both industrial and research levels. Performance improvement has motivated the use of multi-shaft architecture in engines. In the context of dual-shaft aircraft engines, the interaction between dynamics occurring within shafts and bladed disks seems to play an important role at the design stage. The present research work deals with the coupling of these components involving several unbalances in the dynamic response of blades. Within this framework, a simplified analytical model of a bladed dual-shaft developed in the rotating frame is presented. The dual-shaft is modelled by spring - mass- beam systems and connected to a bladed disk composed of a set of flexible blades modelled by Euler-Bernoulli beams clamped in a rigid disk. Nonlinearities coming from bearings are also considered and modelled as a radial clearance and contact stiffness. Considering nonlinearities requires the implementation of dedicated algorithms and specific resolution techniques in the frequency domain as well as the computation of nonlinear forces in the time domain. The nonlinear response of blades subjected to unbalances excitations is investigated and analysed. To have a finer description of the bladed disk dynamics, a specific coupling method is proposed allowing to connect a bladed disk finite element model with the simplified dual-shaft model. A cyclic symmetry approach well-suited to the nonlinear dynamics of bladed disks is developed in order to consider blade tip contact nonlinearities. Performances of the proposed method are illustrated through an academic example and validated in both linear and nonlinear settings. Eventually, the coupling technique is applied to a complex industrial case involving a classical simplified dual-shaft model and a finite element model of the low pressure turbine bladed disk. Numerical results clearly demonstrate the coupling between dynamics and enable to predict the nonlinear response of low pressure turbine blades to several unbalances, for both co-rotating and counter-rotating engines.

L’objectif de ces travaux est de prédire la stabilité dynamique d’un moteur d’avion de type turbofan, lors de contacts légers entre l’extrémité des aubes et le carter en regard. Une voix d’amélioration des performances des turboréacteurs d’avion consiste, en effet, à réduire les jeux entre les extrémités des aubes en rotation et le carter. Réduction qui s’accompagne d’une augmentation des possibilités de contact entre ces parties tournantes et fixes pouvant conduire à des phénomènes vibratoires instables. La démarche proposée s’appuie sur un modèle hybride qui introduit de manière simplifiée une roue aubagée et un carter flexible à un modèle de ligne d’arbres. Une formulation dite 3D du contact a également été implémentée, elle intègre la cinématique des différents organes du modèle et introduit de manière précise la géométrie locale de la zone de contact. Le comportement du modèle lors de contacts aubes-carter est alors étudié en distinguant les analyses menées en supposant un contact permanent et celles autorisant l’intermittence des contacts. Les résultats obtenus mettent en évidence l’importance des couplages introduits dans l’apparition des phénomènes instables et la pertinence de la formulation 3D dans la prédiction de la stabilité du système. / This work aims to predict the dynamic stability of a turbofan engine submitted to light contacts between blade tips and casing. Reducing the clearance between the rotating blades and the casing improves indeed the performances of turbomachines ; however, it also increases the possible contacts between rotating and stationary parts, which can cause unstable dynamic behavior. The approach is based on a hybrid model which introduces a simplified bladed wheel and a flexible casing to a rotor-shaft model. A 3D contact formulation has also been implemented ; it considers the model kinematic and introduces the local geometry of the contact area. The model behavior with blade-to-casing contacts is analyzed through two approaches : the first one assumes permanent contacts while the other one allows contact intermittence. The results highlight the importance of couplings in the outbreak of unstable phenomena and the relevance of the 3D contact formulation in predicting the stability of the system.

ABSTRACT POSSIBILISTIC INTERPRETATION OF MISTUNING IN BLADED DISKS BY FUZZY ALGEBRA Karatas, Hamit &Ccedil / aglar M.S., Department of Mechanical Engineering Supervisor: Prof. Dr. H. Nevzat &Ouml / zg&uuml / ven Co-supervisor: Asst. Prof. Dr. Ender Cigeroglu September 2012, 103 pages This study aims to define the possibilistic interpretation of mistuning and examine the way of determining the worst case situations and assessing reliability value to that case by using possibilistic methods. Furthermore, in this study, benefits of using possibilistic interpretation of mistuning in comparison to probabilistic interpretation of mistuning are investigated. For the possibilistic analysis of mistuned structures, uncertain mistuning parameters are modeled as fuzzy variables possessing possibility distributions. In this study, alpha-cut representations of fuzzy numbers are used which makes fuzzy variables to be represented by interval numbers at each and every confidence level. The solution of fuzzy equations of motion is governed by fuzzy algebra methods. The bounds of the solution of the fuzzy equation of motion, i.e. fuzzy vibration responses of the mistuned structure, are determined by the extension principle of fuzzy functions. The performance of the method for possibilistic interpretation of mistuning is investigated by comparing it to the probabilistic methods both computational and accuracy wise. For the comparison study, two different optimization tools &ndash / genetic algorithm as the global optimization tool and constrained nonlinear minimization method as the gradient based optimization tool- are utilized in possibilistic analysis and they are compared to solutions of probabilistic methods resulted from Monte-Carlo method. The performances of all of the methods are tested on both a cyclically symmetric lumped parameter model and a realistic reduced order finite element model.

This study aims to define the possibilistic interpretation of mistuning and examine the way of determining the worst case situations and assessing reliability value to that case by using possibilistic methods. Furthermore, in this study, benefits of using possibilistic interpretation of mistuning in comparison to probabilistic interpretation of mistuning are investigated. For the possibilistic analysis of mistuned structures, uncertain mistuning parameters are modeled as fuzzy variables possessing possibility distributions. In this study, alpha-cut representations of fuzzy numbers are used which makes fuzzy variables to be represented by interval numbers at each and every confidence level. The solution of fuzzy equations of motion is governed by fuzzy algebra methods. The bounds of the solution of the fuzzy equation of motion, i.e. fuzzy vibration responses of the mistuned structure, are determined by the extension principle of fuzzy functions. The performance of the method for possibilistic interpretation of mistuning is investigated by comparing it to the probabilistic methods both computational and accuracy wise. For the comparison study, two different optimization tools &ndash / genetic algorithm as the global optimization tool and constrained nonlinear minimization method as the gradient based optimization tool- are utilized in possibilistic analysis and they are compared to solutions of probabilistic methods resulted from Monte-Carlo method. The performances of all of the methods are tested on both a cyclically symmetric lumped parameter model and a realistic reduced order finite element model.

Les différentes structures composant les moteurs aéronautiques requièrent des analyses dynamiques afin de prédire leur durée de vie. Pour des raisons d'allègement, les roues aubagées fixes de turbomachines, appelées redresseurs, sont conçus comme des ensembles de secteurs comportant plusieurs aubes. Cette architecture rompt la symétrie cyclique empêchant l'application des méthodes numériques l'exploitant. De plus, les dispersions géométriques et matériaux génèrent un désaccordage involontaire impliquant des zones de forte densité modale, dans lesquelles est observée une amplification de la réponse vibratoire, accrue par le caractère monobloc, et donc peu amorti, des secteurs. Une méthodologie statistique de prédiction du niveau vibratoire d'un secteur de redresseur désaccordé aléatoirement est développée ici. La modélisation des incertitudes est basée sur une approche paramétrique de la théorie probabiliste : des paramètres matériaux aléatoires suivant une loi uniforme sont associés à différentes parties du secteur. Une expansion de Karhunen-Loève permet de réduire le champ stochastique à un petit nombre de variables aléatoires et donc de diminuer les temps de calcul. Les modes stochastiques sont ensuite projetés sur ces espaces aléatoires par le biais de deux méthodes d'interpolation non-intrusives. La première est basée sur une projection sur une base du chaos polynomial tandis que la deuxième est une méthode de régression non-paramétrique (méthode MARS). Afin d'appliquer les deux méthodes de calcul à un modèle industriel, une méthode de double synthèse modale est appliquée permettant de diviser le temps de calcul des modes par un facteur d'environ 300. La sous-structuration adoptée s'adapte à la méthode de modélisation des incertitudes et s'avère robuste vis-à-vis du désaccordage. De plus, les deux méthodes permettent d'obtenir des résultats prédictifs en termes de moments statistiques tout en réduisant les temps de calculs. Enfin, la méthodologie est validée expérimentalement puisque l'enveloppe vibratoire numérique encadre la réponse fréquentielle expérimentale au niveau de la zone des modes d'intérêt. Une stratégie de positionnement des jauges de déformation est proposée à partir d'une distribution statistique des déplacements maximaux à mi-hauteur de veine sur une plage fréquentielle donnée. / Aircraft engine components necessitate extensive dynamical analyses in order to obtain life cycle prediction. In order to lighten the structure, turbomachinery stator bladed disks, called stator vanes, are designed as a set of multiple blades clusters. This architecture implies a loss of cyclic symmetry condition and prevents the use of numerical methods using it. Moreover, geometric dispersions and materials defaults generate an involuntary mistuning involving high modal density areas, in which is observed an amplification of the vibratory response, enhanced by the monobloc character - and hence low damped - of stator vanes. A statistical methodology for predicting the vibratory level of a randomly mistuned industrial stator vanes is developed here. Uncertainties modelization is based on a parametric approach of the probability theory : material random parameters following a uniform distribution are associated with different cluster's parts. A Karhunen-Loeve expansion reduces the stochastic field to a small number of random variables and therefore reduces the computation time. Stochastic modes are then projected on these random spaces through two non-intrusive methods of interpolation. The first is based on a projection on a polynomial chaos basis while the second is non-parametric regression method (MARS method). In order to implement both numerical methods to an industrial model, a double modal synthesis method is applied to divide the calculation time of modes by a factor around 300. The sub-structuring way adopted fits the uncertainties modelization method and is robust towards mistuning. Moreover, both methods yield predictive results in terms of statistical moments while reducing computation time. Finally, the methodology is experimentally validated because the numerical vibratory envelope frames the experimental frequency response at the area of the modes of interest. A positioning strategy of strain gauges is proposed based on a statistical distribution of the maximum displacements in vein halfway over a given frequency range.