Ground Vibration Testing (GVT) of aircraft is typically performed very late in the development process. Main purpose of the test is to obtain experimental vibration data of the whole aircraft structure for validating and improving its structural dynamic models. Among other things, these models are used to predict the flutter behaviour and carefully plan the safety-critical in-flight tests. Due to the limited availability of the aircraft for a GVT and the fact that multiple configurations need to be tested, an extreme time pressure exists to get the test results. The aim of the paper is to discuss recent hardware and software technology advancements for performing a GVT that are able to realize an important testing and analysis time reduction without compromising the accuracy of the results. The paper will also look at the connection between the GVT and the other components of the development process by indicating how the GVT can be planned using the virtual prototype of the aircraft and how the GVT data analysis results can be used to obtain a highly reliable model for flutter prediction. The presented modern GVT solutions will be illustrated using the recently performed demonstration test on the A310 and certification test on the A330 MRTT.

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Modern Solutions for Ground Vibration Testing of Large Aircraft

This dissertation deals with dynamics of engineering structures and principally discusses the identification of the modal parameters (i.e., natural frequencies, damping ratios and vibration modes) using output-only information, the excitation sources being considered as unknown and unmeasurable. To solve these kind of problems, a quite large selection of techniques is available in the scientific literature, each of them possessing its own features, advantages and limitations. One common limitation of most of the methods concerns the post-processing procedures that have proved to be delicate and time consuming in some cases, and usually require good user’s expertise. The constant concern of this work is thus the simplification of the result interpretation in order to minimize the influence of this ungovernable parameter. A new modal parameter estimation approach is developed in this work. The proposed methodology is based on the so-called Blind Source Separation techniques, that aim at reducing large data set to reveal its essential structure. The theoretical developments demonstrate a one-to-one relationship between the socalled mixing matrix and the vibration modes. Two separation algorithms, namely the Independent Component Analysis and the Second-Order Blind Identification, are considered. Their performances are compared, and, due to intrinsic features, one of them is finally identified as more suitable for modal identification problems. For the purpose of comparison, numerous academic case studies are considered to evaluate the influence of parameters such as damping, noise and nondeterministic excitations. Finally, realistic examples dealing with a large number of active modes, typical impact hammer modal testing and operational testing conditions, are studied to demonstrate the applicability of the proposed methodology for practical applications.

Experimental modal analysis using blind source separation techniques

Modern Solutions for Ground Vibration Testing of Small, Medium and Large Aircraft

Le crissement de frein est une nuisance sonore recurrente dans l’automobile qui, bien qu’il n’existe pas de solution robuste lors de la conception, se traduit souvent par des penalites economiques envers les equipementiers. La simulation numerique et les caracterisations experimentales sont les deux voies classiques pour analyser les phenomenes crissants. La simulation permet une analyse fine des comportements vibratoires et l’evaluation de l’impact de modifications de conception, mais les modeles sont imparfaits et leur domaine de validite doit etre etabli. La mesure garantit que tous les parametres sont pris en compte, mais elle est souvent spatialement pauvre et peu adaptee a la prediction de modifications. Dans ce contexte, les objectifs de la these sont de faire un bilan des methodes d’exploitation des essais, de fournir des outils permettant une interaction facilitee entre les equipes d’essai et de simulation et de mettre en œuvre les developpements dans une application metier.Apres un rappel sur les hypotheses et les methodes pour l’identification modale, une analyse critique des resultats d’identification aboutit a la caracterisation des biais et a l’introduction de criteres detailles permettant d’evaluer la qualite du resultat. La correlation calcul/essai permet de qualifier les modeles et des outils sont integres pour faciliter sa mise en œuvre. Plusieurs criteres sont definis pour mettre en evidence les sources de mauvaise correlation venant de la mesure d’une part et du modele d’autre part. Les sources de mauvaise correlation sont egalement identifiees avec l’algorithme d’expansion MDRE, dont les limitations sont comparees a celles des expansions statiques et dynamiques.Le recalage des modeles est ensuite traite par une procedure systematique imbriquant les etapes de recalage de la geometrie, des proprietes materiau et des contacts entre composants. Une parametrisation du contact est proposee avec une reduction multi-modele permettant des temps de calculs compatibles avec le temps industriel. Elle permet egalement des etudes de sensibilites avec l’introduction de la notion de modes de composant dans un assemblage.Une analyse detaillee d’une campagne de mesure sur un systeme de frein en conditions crissantes est enfin realisee. Un parallele entre les evolutions du cycle limite et le degre de couplage des modes complexes est propose. Dans le domaine temps-frequence, la variabilite, la repetabilite, la reproductibilite et la possibilite d’agreger des mesures sequentielles sont evaluees. Le resultat obtenu est finalement etendu sur le modele elements finis, ce qui permet des interpretations utiles.

Méthode de corrélation calcul/essai pour l'analyse du crissement

Les methodes de modification structurale sont l'ensemble des techniques qui permettent d'estimer l'influence d'une modification quelconque sur le comportement dynamique d'une structure. Dans le cadre general, le modele de comportement de la structure cible, comme celui de la modification, peut etre aussi bien numerique qu'experimental. Dans le cadre de ce travail, seul le cas particulier du couplage d'un modele experimental de la structure et d'un modele numerique de la modification sera traite. Les concepts fondamentaux utilises dans cette these sont ensuite presentes. Les relations de la dynamique des structures pour les problemes discrets sont rappelees, ainsi que les principes de la synthese modale, de la sous-structuration dynamique et de la reduction de modele, tout comme la notion de modes d'interface. Les formulations classiques des methodes de modification structurale sont ensuite detaillees pour en illustrer les limitations et les restrictions. Une formulation originale permettant de prendre en compte les incompatibilites entre les mesures et les DDL de l'interface structure/modification et de regulariser la construction d'un modele de comportement couple est alors proposee. Cette premiere contribution de la these repose sur l'utilisation des techniques d'expansion de donnees et de reduction de modele. Des indicateurs sont egalement construits pour estimer la coherence de la prediction realisee. Les evolutions sont appliquees au cas d'un demonstrateur numeriques et les resultats sont compares avec les predictions realisees par les methodes classiques. La methodologie associee a cette nouvelle formulation est alors largement exposee. L'influence des differents facteurs intervenant dans la construction du modele couple et la qualite de la prediction est ensuite analysee en detail. Cette analyse permet de dresser une liste non exhaustive des precautions a prendre lors de la mise en œuvre de la methode proposee, depuis la realisation pratique de l'analyse modale experimentale jusqu'a l'interpretation des premiers resultats. Enfin, plusieurs applications sont presentees. Une premiere structure academique demontre la faisabilite de la methode. Une deuxieme etude, realisee sur un cas industriel, illustre les gains de temps potentiels en comparant la prediction avec les resultats d'une etude basee sur un modele EF recale de la structure. La troisieme etude illustre l'application de la methode dans un cas type. L'analyse modale de la structure cible permet de comprendre le probleme, une modification est concue, realisee et mise en place. La prediction est ensuite comparee aux resultats de l'analyse modale de la structure modifiee. Enfin, la derniere application montre les limites de la methodologie. L'etude multi-objectifs sur une large bande de frequences d'une structure industrielle permet de faire une ouverture vers la suite des travaux et montre la nature des difficultes a surmonter.

Amélioration de méthodes de modification structurale par utilisation de techniques d'expansion et de réduction de modèle.

Modal parameters of structural systems can be obtained in many different ways. The force appropriation method uses one sine signal to generate forces at different points of a structure and adjusts the relative values of those forces so as to isolate a single mode. Such tests provide very accurate information on the modeshapes which is then complemented by specific tests to determine the mode damping and scaling (modal mass). This approach has been traditionally used for ground vibration testing of aircraft where the use of sine inputs is compatible with the need for large forces at very low frequencies. After a presentation of the theory related to this testing methodology, this study applies, on the analytical model of actual aircraft, the tools generally used to extract experimental modal characteristics (frequency, damping, modeshape and modal mass) from test data. The knowledge of the true answer allows a real evaluation of the difficulties linked to different steps of the appropriation method. Issues addressed in particular are the definition of the actuator and sensor set-up, the determination of the appropriation forces rejecting unwanted modal contributions, and the accuracy of identified modal characteristics.

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E. Balmes

Papers

An Evaluation of Modal Testing Results Based on the Force Appropriation Method