Ces travaux de thèse sont focalisés sur le développement d’une boucle diphasique LHP pour le contrôle thermique de composants intégrés dans les moteurs aéronautiques. L’étude concerne les compartiments situés à l’intérieur de la nacelle, en lien avec les challenges thermiques des moteurs de future génération. Tout d’abord, une étude de faisabilité a été menée, basée sur une évaluation de l’environnement thermique, une analyse des contraintes d’intégration et une première identification d’un couple fluide de travail-matériau de construction. En ce qui concerne ce dernier aspect, l’eau et le DowthermTM J ont été identifiés comme les meilleurs candidats pour leur utilisation avec les alliages souhaités pour cet environnement. D’un côté, le point triple élevé de l’eau a obligé la vérification de la tenue mécanique du milieu capillaire mouillé à des cycles de gel/dégel. Le milieu poreux fritté en titane a montré une excellente résistance mécanique et il est resté parfaitement intact après plus de 1500 cycles. D’un autre côté, vu le manque d’informations concernant la compatibilité du DowthermTM J avec les matériaux sélectionnés, des tests de compatibilité ont été effectués avec trois thermosiphons en parallèle, et ont montré un taux de génération de gaz non condensables déjà à faible température. Pour cette raison, la compatibilité entre le DowthermTM J et les matériaux a été jugé non satisfaisante et le fluide a été rejeté. L’étape suivante a été la conception d’un prototype de boucle LHP. Des outils numériques robustes ont été développés pour la validation finale : un modèle 0D pour la boucle entière ainsi qu’un modèle couplé 1D - 2D du condenseur. Le prototype de LHP a été construit et testé sous différentes conditions opératoires. Une quantité de gaz non condensable a été observée initialement, due à la passivation des surfaces intérieures à la boucle. Néanmoins, les résultats expérimentaux ont montré que la boucle répond aux cahiers de charge thermique, même en présence de ces gaz,étant capable de fonctionner sous hautes températures et haute pression. La génération de gaz s’est arrêtée après un certain nombre d’heures cumulées de fonctionnement ; pourtant, les inspections internes à l’évaporateur après les tests ont montrés une dégradation significative de l’état de surface, due aux réactions chimiques entre le fluide de travail et les matériaux de la boucle. Les résultats de ces travaux de thèse constituent une étape fondamentale vers le développement d’une boucle LHP pour le contrôle thermique de composants intégrés dans la nacelle. Des informations essentielles à la conception des prototypes de future génération sont fournies, vers la validation et la certification des LHP pour leur utilisation dans cet environnement. / In this work, the development of a Loop Heat Pipe (LHP) for aircraft nacelle thermal management is presented. The study is focused on engine compartments and integrated equipment applications, according to the upcoming thermal management challenges in the next generation of engines. First, a feasibility study was performed, analyzing the thermal environment, the integration constraints and the identification of suitable working fluid construction material pairs. As for the latter aspect, water and DowthermTM J were identified as most suitable candidates with the lightweight aeronautical alloys considered for this environment. On one hand, the high triple point of water obliged to verify the wick mechanical resistance to repeated freezing cycles when soaked into pure water. On the other hand, compatibility tests were performed between DowthermTM J and the selected alloys, due to the lack of related data. In the former, the sintered titanium wick provided an excellent stiffness and it remained perfectly intact after more than 1500 cycles. In the latter, the thermal tests performed on parallel thermosyphon shave clearly shown the generation of non-condensable gases (NCG) inside all the samples starting from low operating temperatures. As a result, the compatibility of DowthermTM J was considered not fully satisfactory and this fluid was discarded. The next step concerned the design of the titanium/water LHP prototype. Robust numerical tools were developed for the final design validation: a simplified 0D nodal model for the entire device and a coupled 1D and 2D condenser model representation. The LHP prototype was manufactured and tested in different operating conditions. A significant amount of NCG was initially generated inside the device, due top assivation of the internal surfaces. Nonetheless, the experimental results demonstrated the LHP capability to satisfy the thermal requirements, even in presence of NCG, with standing high operating temperatures and pressures. Although the gas generation rate became negligible after several hours of tests, internal inspections performed at the end of the test revealed a deep alteration of the internal surface state, due to the chemical reactions with the working fluid. The results of this work represent an important milestone for the development of a LHP for aircraft nacelle applications. Essential information for the design of future generations of prototypes are provided, toward the validation and certification of LHP for nacelle thermal management.

Le bruit est aujourd'hui un enjeu majeur dans l'aéronautique. Au coeur d'un milieu concurrentiel, les motoristes aéronautiques doivent réduire les émissions sonores de leurs produits pour améliorer le confort des passagers des avions. C'est le cas de Pratt and Whitney Canada (P&WC) qui doit réduire le niveau sonore de ses moteurs, et donc avant tout connaître ces sources sonores. L'objectif de ce projet de recherche est d'identifier et de discriminer les sources acoustiques des sources aéroacoustiques de moteurs d'avions fabriqués par P&WC placés dans des cellules de tests. Ces cellules sont déjà utilisées à des fins aéroacoustiques par P&WC. Pour ce faire, l'utilisation d'outils de calcul numériques est primordiale pour simuler le problème. Dans un premier temps, ils permettront de dimensionner une antenne (géométrie, nombre de microphones, envergure) de manière optimale pour effectuer la mesure du champ acoustique généré par les sources sonores. Ensuite, les simulations numériques permettront de proposer des algorithmes de localisation de sources sonores se basant sur la technique de formation de voies (beamforming en anglais). Ils doivent s'adapter aux conditions expérimentales imposées par P&WC. En effet, toutes les mesures se font dans les salles de test de P&WC, qui sont des milieux réverbérants. Les murs de ces salles réfléchissent les ondes acoustiques, ajoutant ainsi du bruit indésirable au signal initial, rendant l'établissement de la cartographie sonore plus difficile, voire inexact. Des mesures dans les salles de test de P&WC permettront de les caractériser acoustiquement (temps de réverbération, coefficient de réflexion des murs etc...). Ensuite, des expériences en salle réverbérante au Groupe d'Acoustique de l'Université de Sherbrooke (GAUS) seront menées pour valider différentes approches du problème. L'application aux salles de P&WC suivra. La technique sera compatible avec tous les moteurs de P&WC (et même généralisable à une multitude d'autres situations). Elle permettra d'identifier et de localiser les sources acoustiques des moteurs.

Les émissions liées à la combustion de la biomasse et des carburants fossiles constituent des sources significatives de particules dans l'atmosphère. Les particules de suie émises par les turboréacteurs aéronautiques dans la basse stratosphère et la haute troposphère, zones sensibles de l'atmosphère, ont un impact sur le forçage radiatif global de par la formation de<br />traînées de condensation qui peuvent évoluer en nuage de type cirrus. Par ailleurs, ces particules de taille submicrométrique, dont l'impact sur la qualité de l'air est avéré, sont également source de questionnement quant à leur(s) effet(s) sur la santé publique.<br />La présente étude a pour objet la détermination expérimentale des caractéristiques physiques et chimiques des particules de suie émises par des turboréacteurs d'avions commerciaux. Les prélèvements sont effectués sur un banc d'essai de la société SNECMA<br />(groupe SAFRAN) par un dispositif mis au point au cours de ce travail et localisé derrière des turboréacteurs CFM56-5C et CFM56-5B qui équipent respectivement des avions long-courriers et moyen-courriers.<br />Diverses techniques expérimentales telles que la microscopie électronique en transmission (MET), la microscopie électronique à balayage (MEB), la spectrométrie dispersive d'énergie de rayons X (XREDS), et la spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (IRTF) sont mises en oeuvre pour étudier la morphologie, la structure, la distribution en taille, la composition chimique élémentaire des particules primaires de suie, et la nature des groupes fonctionnels présents à leur surface. La dimension fractale ( Df ) des agrégats de suie et leur diamètre de giration ( d g ) sont également établis.<br />Les résultats expérimentaux montrent que les suies émises par les deux turboréacteurs<br />étudiés présentent :<br />- des valeurs similaires de la dimension fractale des agrégats<br />- des distributions en taille log-normales pour les particules primaires et les agrégats<br />- des compositions chimiques élémentaires et des groupes fonctionnels très similaires<br />- des diamètres de giration des agrégats qui diffèrent<br />Par ailleurs, nous montrons que la phase de préparation des échantillons, préalable aux observations en MEB, a une influence importante sur la valeur déterminée de la moyenne géométrique de la distribution en taille des particules primaires. Par conséquent, nous préconisons de réaliser l'étude des caractéristiques physiques des particules primaires de suie aéronautique par MET plutôt que par MEB.

Et une quantification de la distorsion due à l’effet potentiel des OGVs et de celle due à l’asymétrie de l’entrée d’air sont proposées. Les effets de la distorsion sur l’aérodynamique sont mis en évidence avec notamment une modification importante des sillages des pales de la soufflante, des chocs et de la charge instationnaire exercée sur les différentes pales et aubes. Des prévisions Les objectifs en termes de réduction de la consommation et du bruit émis par les moteurs d’avions ont progressivement mené aux architectures à très grand taux de dilution (UHBR). Leur géométrie est caractérisée par une entrée d’air courte et par une réduction de l’espace entre la soufflante et les aubes du redresseur du flux secondaire (OGVs), entraînant alors une augmentation de l’inhomogénéité azimutale de l’écoulement au niveau de la soufflante. Cette inhomogénéité, appelée distorsion, pourrait impacter le bruit tonal généré par le module de la soufflante. Ce bruit est généralement supposé être dominé par le mécanisme d’interaction des sillages des pales de la soufflante avec les OGVs. En régime transsonique, le bruit de choc et le bruit de charge stationnaire deviennent également prépondérants. L’augmentation de la distorsion pourrait être à l’origine de nouvelles sources de bruit en interagissant avec les pales de la soufflante et l’objectif de cette thèse est d’évaluer leur contribution. Les effets de la distorsion sur les mécanismes de bruit déjà existants sont également analysés. Cette étude est réalisée à l’aide de simulations numériques des équations instationnaires de Navier-Stokes moyennées (URANS). Un module complet de fan est considéré sur 360 degrés et se compose d’un conduit d’entrée d’air, de la soufflante et des redresseurs des flux primaire et secondaire (IGVs/OGVs). Le redresseur du flux secondaire est typique des moteurs actuels avec un pylône intégré et deux entrées d’air différentes sont étudiées de manière à isoler les effets de la distorsion d’entrée d’air. La première est axisymétrique et ne produit donc pas de distorsion alors que la deuxième ne l’est pas et produit un niveau de distorsion typique de ceux attendus dans les moteurs UHBR. Une description acoustiques basées sur les approches directe et hybride sont réalisées et soulignent la contribution importante des sources localisées sur les pales de la soufflante sur le bruit amont. Le bruit aval reste dominé par les sources sur les OGVs mais est tout de même impacté par la distorsion d’entrée d’air via la modification des sillages. / Fuel consumption and noise reduction trigger the evolution of aircraft engines towards Ultra High Bypass Ratio (UHBR) architectures. Their short air inlet design and the reduction of their interstage length lead to an increased circumferential inhomogeneity of the flow close to the fan. This inhomogeneity, called distortion, may have an impact on the tonal noise radiated from the fan module. Usually, such a noise source is supposed to be dominated by the interaction of fan-blade wakes with Outlet Guide Vanes (OGVs). At transonic tip speeds, the noise generated by the shocks and the steady loading on the blades also appears to be significant. The increased distortion may be responsible for new acoustic sources while interacting with the fan blades and the present work aims at evaluating their contribution. The effects of distortion on the other noise mechanisms are also investigated. The work is based on full-annulus simulations of the Unsteady Reynolds-Averaged Navier-Stokes (URANS) equations. A whole fan module including the inlet duct, the fan and the Inlet and Outlet Guide Vanes (IGVs/OGVs) is studied. The OGV row is typical of current engine architecture with an integrated pylon and two different air inlet ducts are compared in order to isolate the effects of inlet distortion. The first one is axisymmetric and does not produce any distortion while the other one is asymmetric and produces a level of distortion typical of the ones expected in UHBR engines. A description and a quantification of the distortion that is caused by both the potential effect of the OGVs and the inlet asymmetry are proposed. The effects of the distortion on aerodynamics are highlighted with significant modifications of the fanblade wakes, the shocks and the unsteady loading on the blades and on the vanes. Both direct and hybrid acoustic predictions are provided and highlight the contribution of the fan-blade sources to the upstream noise. The downstream noise is still dominated by the OGV sources but it is shown to be significantly impacted by the inlet distortion via the modification of the impinging wakes.

Ces travaux s'inscrivent dans le cadre d'un partenariat entre SNECMA (Société Nationale d'Etude et de Construction de Moteurs d'Avion), l'Equipe Structures et Simulations du laboratoire GeM à l'Ecole Centrale de Nantes et le Département de Vibrations et d'Acoustique de l'Université du Michigan, avec pour objectif le développement de modèles de prédiction d'interaction rotor/stator dans un moteur d'avion. En effet, afin de rester un acteur compétitif, un motoriste a un objectif principal : augmenter le rendement d'un moteur d'avion en accord avec les normes en vigueur. La minimisation du jeu entre l'extrémité des aubes des différents composants en rotation et le carter qui leur fait face est une réponse à cette contrainte. Malheureusement, la diminution de cette distance augmente sensiblement les possibilités de contact entre les deux parties. Les conséquences d'un tel phénomène pouvant être dramatiques pour le moteur, le bureau d'études doit concevoir des structures capables de résister à ces différentes sollicitations dynamiques : il est donc primordial de comprendre l'origine et l'action de ces forces de contact pour réduire de façon optimale le jeu entre les deux parties sans compromettre la sécurité des passagers. Dans cette étude, nous nous concentrons plus particulièrement sur l'interaction entre deux modes de vibration à diamètres, caractéristiques des structures à symétrie axiale, pendant laquelle les structures se touchent légèrement pour atteindre des régimes permanents potentiellement dangereux. A cet effet, trois modèles de complexité croissante sont proposés et analysés, en plus de deux méthodes de résolution complémentaires développées dans les domaines fréquentiel et temporel. Ces trois modèles prédisent une vitesse de rotation critique au-dessus de laquelle, sous certaines conditions qui restent difficiles à déterminer, les amplitudes de vibrations deviennent importantes. Ils ont aussi permis une meilleure compréhension du phénomène d'interaction modale et de ses caractéristiques physiques.

L'objet de cette thèse est d'étudier différents dispositifs d'amortissement de vibrations en basses fréquences des aubes de rotor de soufflante ("fan") d'un turboréacteur. Les solutions étudiées utilisent des pastilles piézoélectriques, liées à l'aube et connectées à un circuit électrique passif ou semi-passif. Dans la première partie, il s'agit de mettre en pratique le modèle électromécanique développé dans la thèse de Julien Ducarne, puis de l'étendre au cas tridimensionnel par l'utilisation de la méthode des éléments finis. Ce modèle de comportement prend en compte le couplage entre une structure mécanique quelconque et des pastilles piézoélectriques planes ou courbes. Par la suite, un modèle réduit à faible nombre de degrés de liberté est construit, ce qui permet après résolution de prédire l'efficacité des dispositifs amortissants. Deux techniques, nommées "shunt" et "switch" sont appliquées au cas d'une aube fan. La première consiste à utiliser un circuit électrique résistif ou résonant. La seconde, encore à l'état de recherche, comporte un circuit muni d'un interrupteur synchronisé aux oscillations de la structure, ce qui produit un amortissement analogue à celui d'un frottement sec. La modélisation et l'optimisation électrique de ces circuits, issus de différents travaux antérieurs, ne font l'objet que d'un rappel dans ce mémoire. Une procédure d'optimisation est développée pour pouvoir trouver les géométries et les emplacements des pastilles qui maximisent le couplage électromécanique. Deux algorithmes différents (recuit simulé et recherche avec liste taboue) sont utilisés et mis en interaction avec les outils de calcul éléments finis pour trouver des solutions optimisées. Afin de valider sur un cas industriel l'ensemble des travaux sur les dispositifs piézoélectriques, une campagne d'essai est menée sur une aube fan de CFM56-7b. Les niveaux d'atténuation mesurés et ceux prévus par le modèle sont ensuite comparés. La seconde partie est consacrée à l'évaluation de l'effet des nonlinéarités géométriques sur la dynamique d'une structure tournante. Initialement prévue pour être intégrée à la partie shunt piézoélectrique, ceci afin de pouvoir estimer l'efficacité de ce dernier lorsque la structure tourne et vibre en grande amplitude, l'étude n'a pas été poursuivie et constitue une partie sans lien avec les techniques de réduction de vibrations. Néanmoins, les résultats obtenus en 1D, ainsi que la méthode de prise en compte des nonlinéarités dans le cas 3D viennent compléter et enrichir les différentes études actuelles menées sur le sujet, raison pour laquelle ce chapitre a été ajouté à ce mémoire. La détermination des caractéristiques dynamiques modales et leurs évolutions en fonction de certains paramètres de fonctionnement de l'aube constituent l'objet de cette partie. Plusieurs modèles sont développés et comparés pour pouvoir juger de la présence et de l'importance des divers phénomènes non linéaires dans la réponse forcée d'une poutre en rotation.

Cette thèse CIFRE (Conventions Industrielles de Formation par la REcherche), en collaboration avec Safran Aircraft Engines, concerne la réduction des vibrations de flexion en basse fréquence d'une aube de rotor de soufflante en matériau composite. L'intérêt premier est de réduire les marges au flottement en augmentant l'amortissement des aubages pour permettre l'utilisation des moteurs dans des plages de fonctionnement à haut rendement actuellement inexploitées. Les autres avantages directement liés à la réduction de vibration sont l'augmentation de la durée de vie des pièces ainsi que la réduction du bruit du moteur. L'objet de cette étude, est d'étudier différents dispositifs d'amortissement de vibrations piézoélectriques, en basses fréquences, applicables à une aube de turbomachine fabriquée en matériaux composites. Les applications principalement visées sont des aubes de rotor de soufflante ou des pales de rotor non caréné ("open-rotor"), de géométrie élancée et complexe. Les solutions étudiées utilisent des éléments piézoélectriques couplés à un circuit électrique passif ou semi-passif. Le coeur de ce travail de thèse, encore un verrou scientifique à l'heure actuelle, est de proposer des solutions performantes qui intègrent les éléments piézoélectriques aux aubes de soufflante afin de respecter les contraintes aérodynamiques imposées pour ce type de structure, tout en augmentant l'amortissement sur un des premiers modes de vibration. Les performances de ce genre de dispositifs sont directement liées à une grandeur : le facteur de couplage électromécanique, qu'il s'agit de maximiser. Il dépend de toutes les caractéristiques de la structure : les matériaux utilisés (structure composite hôte, matériau piézoélectrique), mais surtout du placement et de la géométrie des éléments piézoélectriques. L'utilisation de matériaux piézoélectriques connectés à des circuits actifs, semi-passifs ou passifs a été largement étudiée mais les expériences traitent presque toujours de cas académiques de poutres ou de plaques. L'objectif est ici, pour le dispositif piézoélectrique développé, de pouvoir évaluer les performances des shunts en terme d'atténuation sur une structure massive faiblement amortie. Une partie du travail consiste ainsi à bâtir un modèle éléments finis prédictif de la structure composite couplée aux matériaux piézoélectriques, en vue de quantifier les performances du dispositif. Plusieurs solutions sont testées sur une structure simple pour évaluer l'influence sur les performances du dispositif, (1) du choix du matériau piézoélectrique, (2) du placement et de la géométrie des éléments piézoélectriques ainsi que (3) du circuit électrique dissipatif. Différentes solutions d'intégration à l'aube sont proposées et une méthode de caractérisation des propriétés des matériaux tissés est développée dans la perspective d'intégrer les matériaux actifs à la préforme du composite. Cette étude est à la fois numérique et expérimentale : un démonstrateur, utilisant une aube en matériaux composites est conçu puis testé en laboratoire pour valider les concepts proposés. / This thesis concerns the vibration reduction in the low frequency range of a composite fan blade of a turbojet engine with piezoelectric devices. The interest is to increase lifespan and avoid flutter phenomena by reducing the vibration amplitude. The purpose of this thesis is to study several shunted piezoelectric devices, in the low frequency range, that can be applied to a woven composite turbojet fan blade. The targeted applications are the LEAP fan blades or the “open-rotor” fan blade, both of them required to manage a complex geometry. The solutions investigated used piezoelectric elements coupled to a passive or semi-passive circuit. The core of this thesis, still a scientific obstacle at present, is to propose efficient solutions that integrate the piezoelectric elements to the fan blades in order to meet aerodynamic constraints for this type of structure, while increasing damping level on one of the first modes of vibration. The performances of such devices are directly related to a coefficient: the electromechanical coupling factor that requires to be maximized. This coefficient depends on all the features of the structure: materials used (host composite structure, piezoelectric material), but especially the placement and geometry of the piezoelectric elements. The use of piezoelectric material connected to active, semi-passive or passive circuits has been extensively studied but the experiences almost always deal with academic cases such as beams or plates. The aim is for the developed piezoelectric device, to evaluate the damping performance of a weakly damped massive structure.A part of the work is thus to develop a predictive finite element model of the structure coupled to the piezoelectric material to quantify the performance of the device. Several solutions are tested on a simple structure to evaluate the influence on the device performance of, (1) the choice of the piezoelectric material, (2) the placement and geometry of the piezoelectric elements, and (3) of the dissipative circuit. Various integration solutions in the blade are proposed and a method for characterizing the properties of woven materials is developed in the perspective of integrating the active materials in the composite preform.This study is both numerical and experimental: a demonstrator using a composite fan blade is designed and tested in the laboratory to validate the proposed concepts.

Les particules de suie émises par les moteurs d'avion influencent le climat en absorbant/diffusant la lumière solaire. Elles agissent aussi comme noyaux glaciogènes dans l’atmosphère en participant à la formation des traînées de condensation et des cirrus artificiels, ce qui augmente la nébulosité et affecte l'équilibre radiatif de l'atmosphère. Dans les zones aéroportuaires, elles contribuent à la dégradation de la qualité de l’air et peuvent affecter la santé humaine. Connaître leurs propriétés physico-chimiques est donc primordial pour évaluer leurs impacts environnementaux, sanitaires et agir pour leur réglementation. Nous avons caractérisé les propriétés physiques et chimiques de suies émises par un turboréacteur SaM146-1S17 alimenté avec du kérosène JET A-1 et fonctionnant à différents régimes, dont le régime de croisière. Des informations précises sur leur morphologie, leur (nano)structure, leur composition/spéciation chimique ont été obtenues par microscopie électronique à transmission (TEM), spectroscopie infra-rouge (FTIR), spectroscopie d'absorption des rayons X (NEXAFS) et photoémission X (XPS). Ces techniques ont également permis de caractériser des suies de laboratoire produites par un générateur commercial (miniCAST, Jing Ltd.) et de montrer qu’il permet de générer de bons analogues des suies aéronautiques. La production de quantités importantes de ces analogues aux propriétés physico-chimiques contrôlées offre de nouvelles perspectives quant à l’étude en laboratoire de la réactivité des suies aéronautiques vis-à-vis des environnements atmosphériques et biologiques, permettant d’améliorer notre compréhension de leurs impacts environnementaux et sanitaires. / Soot particles emitted from aircraft engines influence climate by absorbing and scattering sunlight. They also act as ice condensation nuclei in the atmosphere by participating to the formation of condensation trails and artificial cirrus clouds that increase the cloudiness and affects the radiative balance of the Earth’s atmosphere. In airport areas, they contribute to the degradation of air quality and can affect human health. Knowing their physical and chemical properties is therefore of prime importance to assess their environmental and health impacts as well as acting for their regulation. We have characterized physical and chemical properties of soot emitted by a SaM146-1S17 turbofan engine fueled with kerosene JET A-1 and operated at different regimes, including the cruise regime. Accurate information about their morphology, (nano)structure, chemical composition/speciation have been obtained by transmission electron microscopy (TEM), infrared spectroscopy (FTIR), Near-Edge X-ray Absorption Fine Structure (NEXAFS) and X-Ray Photoelectron Spectroscopy (XPS). These techniques have also been used to characterize laboratory soot produced by a commercial generator (miniCAST, Jing Ltd.) and to show that it can generate relevant analogues of aeronautic soot. The production of large amounts of these analogues with controlled physico-chemical properties offers new prospects for laboratory studies of aeronautic soot’s reactivity with respect to atmospheric and biological environments aiming at improving our understanding of their environmental and health impacts.

L’objet de cette thèse est d’étudier différents dispositifs d’amortissement de vibrations en basses fréquences des aubes de rotor de soufflante ("fan") d’un turboréacteur. Les solutions étudiées utilisent des pastilles piézoélectriques, liées à l’aube et connectées à un circuit électrique passif ou semi-passif. Dans la première partie, il s’agit de mettre en pratique le modèle électromécanique développé dans la thèse de Julien Ducarne, puis de l’étendre au cas tridimensionnel par l’utilisation de la méthode des éléments finis. Ce modèle de comportement prend en compte le couplage entre une structure mécanique quelconque et des pastilles piézoélectriques planes ou courbes. Par la suite, un modèle réduit à faible nombre de degrés de liberté est construit, ce qui permet après résolution de prédire l’efficacité des dispositifs amortissants. Deux techniques, nommées "shunt" et "switch" sont appliquées au cas d’une aube fan. La première consiste à utiliser un circuit électrique résistif ou résonant. La seconde, encore à l’état de recherche, comporte un circuit muni d’un interrupteur synchronisé aux oscillations de la structure, ce qui produit un amortissement analogue à celui d’un frottement sec. La modélisation et l’optimisation électrique de ces circuits, issus de différents travaux antérieurs, ne font l’objet que d’un rappel dans ce mémoire. Une procédure d’optimisation est développée pour pouvoir trouver les géométries et les emplacements des pastilles qui maximisent le couplage électromécanique. Deux algorithmes différents (recuit simulé et recherche avec liste taboue) sont utilisés et mis en interaction avec les outils de calcul éléments finis pour trouver des solutions optimisées. Afin de valider sur un cas industriel l’ensemble des travaux sur les dispositifs piézoélectriques, une campagne d’essai est menée sur une aube fan de CFM56-7b. Les niveaux d’atténuation mesurés et ceux prévus par le modèle sont ensuite comparés. La seconde partie est consacrée à l’évaluation de l’effet des nonlinéarités géométriques sur la dynamique d’une structure tournante. Initialement prévue pour être intégrée à la partie shunt piézoélectrique, ceci afin de pouvoir estimer l’efficacité de ce dernier lorsque la structure tourne et vibre en grande amplitude, l’étude n’a pas été poursuivie et constitue une partie sans lien avec les techniques de réduction de vibrations. Néanmoins, les résultats obtenus en 1D, ainsi que la méthode de prise en compte des nonlinéarités dans le cas 3D viennent compléter et enrichir les différentes études actuelles menées sur le sujet, raison pour laquelle ce chapitre a été ajouté à ce mémoire. La détermination des caractéristiques dynamiques modales et leurs évolutions en fonction de certains paramètres de fonctionnement de l’aube constituent l’objet de cette partie. Plusieurs modèles sont développés et comparés pour pouvoir juger de la présence et de l’importance des divers phénomènes non linéaires dans la réponse forcée d’une poutre en rotation. / Vibration reduction of a turbojet fan blade with piezoelectric patches connected to a passive or semipassive electrical circuit, commonly called "shunt", is addressed in this study. The purpose of this work is to present a method for maximizing the performance of piezoelectric shunts. To validate the model, 2 experiments on a CFM56-7b fan blade are then done. To improve the damping level, a key issue is the optimization of the whole system, in terms of location and size of the piezoelectric patches and electric circuit components choice. It was shown these two optimizations, mechanical and electrical, can be realized separately. Moreover, it is proved the only parameters to maximize are the modal electromechanical coupling factors, which characterize the energy exchanges between the mechanical structure and the piezoelectric patches for a given mode. Since the optimal value of the electric circuit parameters are known as functions of the coupling factors and the system structural characteristics, they can be evaluated in a second step. Thus, the mechanical optimization consists in maximizing the coupling factors by optimizing the patches positions and dimensions, i.e. finding the best design. To fulfill this requirement and in order to manage a complex geometry, a 3D finite element formulation of the coupled electromechanical problem is derived from the one developed by Julien Ducarne during his Ph.D. thesis. A reduced order model of the discretized problem is then obtained by expanding the mechanical displacement unknowns vector onto the short-circuit eigenmodes to get the modal electromechanical coupling factors. However, when the optimization aims to reduce the vibration level with several patches, the main concern arises from the huge number of possible designs to test. For that reason, a method is proposed to cut back simulations time as well as to cope with the many local minima. This method consists in splitting up the optimization procedure in two steps. In the first one, the influence of patches on the structural eigenmodes is neglected. Therefore, an analytic coupling indicator, based on the eigenmodes of the naked host structure, can be defined and gives rise to a first approximate optimization using a simulated annealing algorithm. Then, the solutions of the first step are used as a starting point for a second optimization, working with the tabu search algorithm and where eigenmodes are computed for each new tested design.

Pour les constructeurs de moteurs d'avions comme Snecma, la disponibilité est un des enjeux clés de l'avenir. En effet, la limitation des retards et annulations de vols ainsi que la réduction de la fréquence et de la durée des opérations de maintenance pourraient entraîner des économies importantes. Pour accroître la disponibilité, l'outil le plus utilisé actuellement est le "prognostics and health management" (PHM). La première contribution de la thèse est de proposer des cadres terminologique et fonctionnel pour le développement du PHM adapté aux spécificités des moteurs d'avions. Par la suite, une approche intégrée basée sur le nouveau modèle en V3 est formalisée. La seconde contribution est un processus basé sur les modèles pour le développement de la partie embarquée chargée de l'extraction des indicateurs de santé. Elle est basée sur l'analyse de sensibilité, la régression par vecteurs supports et des nouveaux indicateurs de performances. Puisque ce processus est réalisé avant l'entrée en service, les données stochastiques sont obtenues par propagation d'incertitudes. Pour surmonter les temps de calcul liés aux évaluations du modèle, des métamodèles sont utilisés. Plus particulièrement, la troisième contribution de la thèse est une technique originale combinant régression par vecteurs supports et Krigeage. L'approche globale est finalement testée sur le système carburant d'un moteur d'avion. Les résultats sont prometteurs, tant au niveau industriel pour les précieuses informations qu'elle fournit sur la qualité du jeu d'indicateurs de santé qu'au niveau académique pour la précision apportée par la nouvelle approche du Krigeage-SVR. / For manufacturers of aircraft engines such as Snecma, the increase of systems availability is one of the key challenges of the future. Indeed, the limitation of delays and cancellations and the reduction of maintenance operations frequency and duration could lead to important costs savings. To improve availability, the most proven tool is currently prognostics and health management (PHM). The first contribution of this thesis work is to propose complete terminological and functional frameworks for the development of PHM adapted to the specific application on aircraft engines. Subsequently, an integrated development approach based on the original V3-model is formalized. The second contribution is an original model-based process for the development of the embedded extraction of health indicators, based on sensitivity analysis, support vector regression and original performance indicators for the validation. Since it is aimed at being performed before the entry into service, the stochastic data are issued from Monte-Carlo based uncertainties propagation. In order to overcome the prohibitive computation time of the model evaluations, surrogate models are used. More particularly, the third contribution of this thesis work is an original technique combining support vector regression with Kriging. The whole approach is finally tested on an aircraft engine fuel system. The results are promising, both at the industrial level with the release of valuable information about the quality of the health indicators set and at the academic level with the proven accuracy of the novel SVR-Kriging approach.