Vous êtes-vous déjà demandé pourquoi les ponts et les avions vibrent dans certaines conditions ? La compréhension des différents types de vibrations (résonance, battement et galop) peut expliquer ces phénomènes. Cet article se penche sur sept types spécifiques, chacun ayant des causes et des effets uniques sur les structures. Vous apprendrez comment ces vibrations influencent les conceptions techniques et les mesures de sécurité.
Lorsqu'un système est soumis à une excitation externe, l'amplitude de sa vibration forcée peut devenir très importante si la fréquence de l'excitation est proche de l'une des fréquences naturelles du système. On parle alors de résonance.
Les systèmes ont de nombreuses fréquences naturelles, mais nous nous concentrons généralement sur les fréquences inférieures.
En physique, la résonance désigne le phénomène selon lequel deux objets ayant la même fréquence de vibration provoquent la vibration d'un troisième objet lorsque l'un d'entre eux vibre.
Le terme "résonance" est également utilisé en mécanique pour décrire le phénomène par lequel un objet produit un son en vibrant à sa fréquence de résonance.
Par exemple, lorsque deux diapasons de même fréquence sont placés l'un près de l'autre, l'un d'eux produira un son lorsqu'il vibrera et l'autre commencera également à vibrer et à produire un son.
La vibration tourbillonnaire désigne la vibration causée par l'alternance des tourbillons après l'écoulement autour d'un corps solide sous l'influence d'un vent moyen.
L'étude des vibrations tourbillonnaires dans les ponts est un domaine de l'aérodynamique.
Les vibrations induites par les tourbillons sur les ponts sont un type de vibration qui présente à la fois des caractéristiques d'auto-excitation et de vibration forcée, avec des amplitudes finies.
Il peut maintenir la fréquence induite par le tourbillon constante dans une large gamme de vitesses de vent, ce qui se traduit par un phénomène de "verrouillage".
Le calcul de l'amplitude finie de la résonance induite par les tourbillons d'un pont est un problème crucial mais difficile à résoudre.
Actuellement, une théorie complète pour l'analyse des vibrations tourbillonnaires des ponts n'a pas été entièrement développée, tant au niveau national qu'international.
Dans la pratique, une combinaison de méthodes semi-théoriques et semi-expérimentales est utilisée pour estimer l'amplitude de la résonance induite par les tourbillons.
Le flottement est un phénomène vibratoire auto-excité causé par l'interaction entre les forces aérodynamiques et l'élasticité et l'inertie de la structure. Il résulte du couplage entre l'écoulement et la structure.
Le tamponnement, quant à lui, désigne la réponse forcée d'une structure aux forces aérodynamiques périodiques causées par des conditions d'écoulement instables, telles que la séparation de l'écoulement et l'interférence de la couche limite de choc.
Par conséquent, selon la définition traditionnelle, le flottement classique est un type de vibration auto-excitée, tandis que le buffeting est un type de vibration forcée.
Il existe également un phénomène connu sous le nom de flottement de décrochage, qui se produit à des angles d'attaque élevés.
Certains experts estiment que ce type de vibration structurelle, qui se caractérise par de fortes conditions de séparation, coexiste avec le flottement et le tremblement.
Le buffetage des aéronefs fait référence à la vibration des composants de l'aéronef due à l'excitation de l'écoulement de l'air séparé ou du sillage, ce qui les fait osciller à leur position de départ. fréquence naturelle.
Un exemple courant de buffeting est le buffeting de l'empennage, qui se produit lorsque l'empennage se trouve dans le sillage de l'aile, de l'articulation du fuselage ou d'autres composants. La perturbation dans le sillage provoque une forte vibration de la queue.
Des angles d'attaque élevés peuvent rendre un avion particulièrement sujet au battement de queue, qui a été à l'origine de graves accidents dans le passé.
L'aile peut également subir un tremblement dû à la séparation de son propre flux d'air. Dans le domaine transsonique, la séparation de la couche limite induite par l'onde de choc est une autre cause importante de buffeting.
Le buffeting impose des limites au coefficient de portance disponible et au nombre de Mach de l'aéronef. Pour éviter le buffeting, la forme aérodynamique est généralement corrigée et la position relative entre la queue, l'aile et le fuselage est correctement arrangée.
Le tamponnement est une vibration aléatoire, mais il est régulier dans le domaine des fréquences, et le pic principal de son spectre de puissance correspond généralement à la première fréquence naturelle.
Bien que les vibrations n'endommagent pas immédiatement la structure de l'avion, elles augmentent les contraintes structurelles, réduisant ainsi la durée de vie de l'avion. Il a également un impact négatif sur les performances aérodynamiques, le système d'armement, les instruments et équipements mécaniques et électroniques, ainsi que sur le confort des passagers.
Dans les cas les plus graves, le tremblement peut entraîner une perte de contrôle du pilote, mettant en danger la sécurité du vol et du pilote.
C'est pourquoi le tremblement est considéré comme un facteur important dans la conception des aéronefs.
La surpression est une vibration anormale qui se produit dans un compresseur à turbine, également connu sous le nom de compresseur à palettes, lorsque le débit diminue jusqu'à un certain niveau.
Les compresseurs centrifuges, qui sont un type de compresseur à turbine, sont particulièrement vulnérables aux coups de bélier.
L'apparition d'un coup de bélier est liée aux caractéristiques des machines à fluides et des pipelines. Plus la capacité du système de canalisation est grande, plus l'onde de choc est forte et moins elle est fréquente.
La surtension perturbe le flux régulier du fluide à l'intérieur de la machine, crée un bruit mécanique, provoque de fortes vibrations de ses composants et accélère l'usure des roulements et des joints.
Si la surtension provoque une résonance dans le pipeline, les machines et leurs fondations, elle peut avoir de graves conséquences.
Le galop est un type de vibration qui se produit dans les structures ayant des sections complexes et irrégulières, telles que les sections carrées, rectangulaires et autres formes similaires.
La cause du galop est que la courbe de portance a une pente négative, ce qui crée un effet d'amortissement négatif sur la portance de l'air, amenant la structure à absorber continuellement l'énergie de l'extérieur et à former une vibration divergente similaire au flottement.
En fonction du mécanisme de génération, le galop peut être divisé en deux types : le galop de sillage et le galop transversal.
Le galop de sillage est une vibration instable causée par la structure en aval qui est excitée par le flux passant par la fluctuation de la structure avant. Les structures telles que les câbles des ponts à haubans et les suspensions des ponts suspendus sont les plus sensibles au galop de sillage.
Le galop d'écoulements croisés est une vibration auto-excitée de flexion divergente causée par la pente négative de la courbe de portance. Cette pente négative fait que le déplacement de la structure s'aligne sur la direction de la force de l'air pendant la vibration, ce qui fait que la structure absorbe continuellement l'énergie de l'extérieur et provoque une vibration instable.
Le galop d'écoulement transversal se produit généralement dans les structures légères et flexibles présentant des sections angulaires non linéaires, telles que les câbles et les suspensions dans les systèmes de ponts suspendus.
Il existe également une possibilité de divergence galopante dans d'autres structures, telles que les ponts en acier à poutrelles avec un faible rapport largeur-hauteur, les ponts à haubans à longue portée, les tours de ponts suspendus et les poutres principales des ponts à ossature métallique continue au cours de la phase de construction du porte-à-faux maximal.
La rue tourbillonnaire est un phénomène courant en mécanique des fluides, souvent observé dans la nature.
Lorsqu'un flux entrant régulier passe autour d'un objet dans certaines conditions, des tourbillons ayant des directions de rotation opposées et des dispositions régulières se détachent périodiquement des deux côtés de l'objet, formant une rue de tourbillons de Carmen après une action non linéaire.
Par exemple, si l'eau coule le long d'une jetée ou si le vent souffle le long d'une tour, d'une cheminée ou d'un fil électrique, une rue à vortex de Carmen se formera. Ce phénomène porte le nom de Carmen, qui a été le premier à en proposer l'existence.
D'éminents ingénieurs mécaniques chinois, Qian Xuesen, Guo Yonghuai et Qian Weichang, ont tous travaillé dans le laboratoire de Carmen.
Si la fréquence d'alternance de la rue tourbillonnaire coïncide avec la fréquence de l'onde acoustique stationnaire de l'objet, il y a résonance.
De nombreux préchauffeurs et chaudières industriels sont composés de tubes circulaires, et le fluide circulant autour du tube circulaire peut faire vibrer la colonne de gaz dans le caisson du préchauffeur en raison de l'alternance de la rue tourbillonnaire de Carmen.
Si la fréquence d'alternance de la rue tourbillonnaire coïncide avec la fréquence de l'onde acoustique stationnaire de l'objet, elle peut provoquer une résonance acoustique et faire vibrer violemment le caisson tubulaire. Dans les cas les plus graves, le tambour vibrant de la boîte à tubes du préchauffeur peut devenir instable ou même se briser.
Pour éviter d'endommager l'équipement, les fréquences naturelles de la boîte à tuyaux et du gaz peuvent être ajustées pour les décaler par rapport à la fréquence de déversement de la rue tourbillonnaire de Carmen, afin d'éviter toute résonance.
En tant que fondateur de MachineMFG, j'ai consacré plus d'une décennie de ma carrière à l'industrie métallurgique. Ma vaste expérience m'a permis de devenir un expert dans les domaines de la fabrication de tôles, de l'usinage, de l'ingénierie mécanique et des machines-outils pour les métaux. Je suis constamment en train de réfléchir, de lire et d'écrire sur ces sujets, m'efforçant constamment de rester à la pointe de mon domaine. Laissez mes connaissances et mon expertise être un atout pour votre entreprise.
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