Avril 2017 /263

Vibrations non linéaires

Chaire Francqui au Pr Gaëtan Kerschen

Titulaire de la chaire Francqui au titre belge à la VUB, le Pr Gaëtan Kerschen (laboratoire de structures et systèmes spatiaux, faculté des Sciences appliquées) connaît un printemps animé : obtention d’une subvention ERC “Proof of Concept”, d’un “First Spin-off” et création d’une société, Nolisys.
Le point commun à toutes ces activités ? L’étude de phénomènes non-linéaires.

Si les recherches de Gaëtan Kerschen sont liées aux domaines de l’aéronautique et du spatial, elles ont comme point de départ des phénomènes qui caractérisent la plupart des systèmes physiques : la non-linéarité. Des effets sont dits non-linéaires lorsqu’ils ne sont pas directement proportionnels à l’action qui les produit. C’est le cas dans la plupart des phénomènes naturels et il est souvent difficile de les reproduire dans des modèles. « Si vous frappez sur une table, explique Gaëtan Kerschen, elle vibre un peu. Et c’est un phénomène linéaire, c’est-à-dire, que si vous frappez deux fois plus fort, la table vibre deux fois plus fort. C’est le genre de modèles utilisés aujourd’hui dans l’industrie. Ils sont sans surprise : on réalise des tests à bas niveau et puis on extrapole pour les niveaux supérieurs ; c’est une relation proportionnelle. Mais si vous tapez sur une feuille de papier, bien plus flexible qu’une table, la réponse de la feuille à votre action n’est plus linéaire. »

VibrationsNLPhoto : De gauche à droite : Tilan Dossogne, Gaëtan Kerschen, Ludovic Renson, Jean-Philippe Noël, Chiara Grappasonni, Thibault Detroux

C’est ce phénomène, appliqué aux structures utilisées dans l’aéronautique, le spatial ou les systèmes mécaniques en général qui, avec le développement de nanosatellites et l’étude de leurs orbites, constitue le domaine de recherche du laboratoire de Gaëtan Kerschen. « Les compagnies aériennes obligent les constructeurs d’avions à augmenter les performances de leurs appareils. Pour y arriver, il faut bien sûr de meilleurs moteurs – ce n’est pas mon champ de recherche – mais aussi des structures plus légères. C’est ce à quoi nous travaillons. » Améliorer ces performances, c’est en quelque sorte comme passer de la table à la feuille de papier : des structures beaucoup plus légères n’auront pas le même comportement que les structures des avions actuels. La relation entre la sollicitation appliquée (une rafale de vent par exemple) et la vibration de l’aile ne peut plus être prédite par extrapolation. Des phénomènes complexes apparaissent qui peuvent mener à des instabilités… ou pas, car les conséquences de la non- linéarité peuvent aussi être positives !

Est-ce à dire que cela ne peut pas se produire avec nos avions actuels ? Si, mais ils ont été testés jusqu’aux pires conditions pour déterminer ce qu’on appelle une enveloppe de vol. Lorsque l’avion reste à l’intérieur de celle-ci, la linéarité domine (on est dans le cas de figure de la table !) ; hors de cette enveloppe, on risque de rencontrer des cas de non-linéarité. Le problème est le suivant : si on veut augmenter les performances, alléger les avions, l’enveloppe de vol change et des instabilités vont apparaître plus tôt ou dans d’autres circonstances.

« Dans le cadre de l’ERC Starting Grant obtenu en 2012, explique Gaëtan Kerschen, nous avons essayé de développer de nouveaux outils qui permettent de comprendre ces phénomènes non linéaires. En commençant par des mesures de vibrations par capteurs pour essayer de situer les sources possibles de la non-linéarité. Ensuite, nous avons modélisé les phénomènes à l’œuvre pour, enfin, pouvoir faire du design industriel : va-t-on pouvoir modifier la conception de la structure pour que cette non-linéarité soit maîtrisable ? L’idée est donc de mieux comprendre ces instabilités, de les modéliser puis d’aider au design des structures pour essayer d’augmenter cette enveloppe de vol et avoir des avions plus légers mais qui peuvent voler dans les mêmes conditions que les avions actuels. »

C’est dans ce cadre qu’un chercheur, Luc Masset, a été chargé d’intégrer ces nouvelles méthodologies dans un logiciel (appelé NI2D, Nonlinear Identification to Design). Ce logiciel est destiné à être commercialisé, d’où la création d’une SPRL, Nolisys, prélude à la création d’une spin-off. « Il faut convaincre les entreprises de l’intérêt des études non linéaires, précise Gaëtan Kerschen, et il est préférable de le faire à travers une structure commerciale. Pour cela, nous venons de décrocher un ERC “Proof of concept”. C’est un financement d’un an et demi qui n’est plus destiné à réaliser de la recherche fondamentale, mais qui permet de tester le logiciel, de faire des études de marché. Ce financement va aussi nous permettre d’engager un business developper qui est à la fois un technicien mais aussi quelqu’un capable de dialoguer avec un industriel. En parallèle, nous avons obtenu une subvention “first spin-off” de la Région wallonne, grâce à laquelle un chercheur va pouvoir préparer la création d’une société, anonyme cette fois, qui détiendra le logiciel, aujourd’hui toujours propriété de l’Université. »

 

Leçons

Le thème des leçons données dans le cadre de la chaire Francqui est “Nonlinear vibrations: From identification to exploitation”.
Le Pr Gaëtan Kerschen donnera sa leçon inaugurale, “Nature is nonlinear. What about engineering structures ? ”, le 25 avril à 17h, au campus de la Plaine à Bruxelles.

* programme sur www.francquichair.be/programme.html



Henri Dupuis
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