2 - GENERALISATION AUX SYSTEMES A PLUSIEURS DEGRES DE LIBERTE

Pour un système à n degrés de liberté, le vecteur déplacement devient un vecteur colonne

×1

n et les matrices de masse et de raideur sont des matrices carrées n×n. En considérant une masse j, l'équation d'équilibre s'écrit :

(a) pour les masses j−1 et j+1 bloquées (b) pour les masses j−1 et j+1 en mouvement

m_jx&&_j =−k_jx_j −k_j₊₁x_j m_jx&&_j =−k_j

(

x_j −x_j−1

)

−k_j+1

(

x_j −x_j+1

)

En généralisant au système complet :

( ) ( )

système linéaire

où M=diag

( )

mj matrice diagonale n×n pour un système à n masses.

K matrice symétrique n×n des raideurs M

M^T = et K^T =K (symétrie)

Remarque: Dans le cas où la dernière masse est connectée par une raideur k_n₊₁ à une partie fixe, le dernier élément sur la diagonale de la matrice de raideur devient K_nn =k_n +k_n₊₁. 2.1 - Méthode de la base modale : réponse libre

L'objectif est de ramener l'étude à celle d'un système à 1 DDL

• en normalisant l'équation du mouvement par rapport à la masse,

• en réalisant une transformation de coordonnées pour se placer dans la "base modale" où les équations du mouvement sont découplées.

Soit le système à plusieurs degrés de liberté défini par

( )

0 x

M&&t + t =

dont on veut déterminer la réponse libre pour les conditions initiales:

( )

⁰ vecteur des déplacements initiaux à t=0,

( )

x& vecteur des vitesses initiales à t=0.

Première étape : Normalisation par rapport à la masse La matrice des masses peut s'écrire M=M¹²M¹² où

(

)

m m

diag 0

0 m

0 0

2 1

















L M O M M

L L

M .

Il est possible d'exprimer _^











− =

diag 1

M et de remplacer x par (premier changement de variable)

Le système d'équation du mouvement devient

MM⁻¹²q&&+KM⁻¹²q=0 et en multipliant à gauche par M⁻¹²

12 12

+ ⁻ ⁻

−

− MM q M KM q

M &&

q M x= ⁻¹²

On remarque que

M⁻¹²MM⁻¹²=I : matrice unitaire K

M K

M ¹₂ ¹₂ ~

− =

− : matrice symétrique normalisée de la raideur ce qui conduit à l'équation dynamique normalisée

Si x=M⁻¹²q alors q=M¹²x et les nouvelles valeurs initiales sont:

( )

⁰ ^M¹²^x

( )

⁰

q = et ^q^&

( )

⁰ =^M¹²^x^&

( )

⁰

Deuxième étape : calcul des valeurs propres et vecteurs propres

En cherchant une solution de la forme q

( )

t =ve^j^ω^t l'équation du mouvement devient

(

⁻ω²I⁺K^~

)

v^e^j^ω^t ⁼⁰

Après rejet de la solution triviale v=0 et en posant λ=ω², on est ramené à un problème typique de recherche de valeurs propres :

v v K~ =λ

a) à chaque valeur propre λ_i correspond un vecteur propre v_i, b) K~

est une matrice carrée n×n qui a n valeurs propres et n vecteurs propres, c) K~

est une matrice symétrique alors les λ_i sont réels et les v_i sont composées d'éléments réels,

d) les n valeurs propres sont obtenues en cherchant les solutions λ de l'équation caractéristique

(

)

⁰

det λI−K = ,

e) les n vecteurs propres sont les solutions des n équations associées à chaque valeur propre λ_i

(

λiI⁻K^~

)

vi ⁼⁰

f) les vecteurs propres forment un ensemble de vecteurs linéairement indépendants qui peuvent être normés. La norme du vecteur v est définie par

1 2



 



=

∑

= n

v v

v ^T

~ 0

= +Kq q I&&

Pour normer le vecteur v, on recherche le scalaire α tel que u=αv ait une norme unitaire, donc

( ) ( )

g) Les vecteurs normés u_i satisfont la relation d'orthogonalité



Troisième étape : projection dans la base modale

La matrice orthogonale P est utilisée pour effectuer un nouveau changement de variable : on pose transformation conduit à l'expression suivante

qui représente un système de n équations indépendantes (découplées) :

( ) ( )

En exprimant les conditions initiales dans la base modale

Quatrième étape : calcul des déplacements des masses (transformation inverse)

En utilisant les équations précédentes, il est possible de calculer le vecteur des

= 1 est donc constituée de vecteurs colonnes

[

ΦΦΦΦ₁,L,ΦΦΦΦi,L,ΦΦΦΦn

]

Les déplacements peuvent s'écrire

( ) ( ) ( )

avec

Resumé de la démarche

Première étape : Normalisation par rapport à la masse et premier changement de variable : q

x →

Deuxième étape : recherche des valeurs propres λ_i =ω_i²et des vecteurs propres v_i.

Les vecteurs normalisés u_i obtenus à partir des vecteurs v_i permettent de construire une matrice orthogonale P

Troisième étape : projection dans la base modale

La matrice P est utilisée pour effectuer un changement de base qui conduit au deuxième changement de variable :

r q →

Le système d'équations obtenu correspond à n équations différentielles indépendantes de systèmes à un degré de liberté dont les solutions r_i

( )

t peuvent être facilement calculées en employant les conditions initiales ( x₀ →q₀ →r₀, x&₀ →q&₀ →r&₀ ).

Quatrième étape : calcul des déplacements dans la base physique (transformation inverse) Pour cela le changement de variable inverse est effectué :

2.2 - Systèmes avec amortissement visqueux

Les systèmes réels sont amortis mais on ne connaît pas bien dans la plupart des cas le modèle d'amortissement. Souvent, le modèle d'amortissement visqueux est utilisé pour des raisons de simplicité. La méthode consiste à considérer un taux d'amortissement modal

ζi inclus dans les équations découplées de la base modale

( )

t +2 r

( )

t + ²r

( )

t =0

r^&_i ζ_iω_i ^&_i ω_i

La solution est (voir système à 1 ddl)

( )

(

i i

) (

ai i

)

Le taux d'amortissement modal ζ_i devra être estimé expérimentalement, soit être identifié à partir de la matrice des coefficients d'amortissement qui entre dans le système d'équations du mouvement :

Cette équation pose problème car la décomposition modale ne peut pas être réalisée par la procédure décrite précédemment car les coefficients d'amortissement créent un couplage supplémentaire entre les équations du mouvement. Plusieurs méthodes numériques sont utilisables pour résoudre ce problème. Cependant, dans bon nombre de cas, il sera possible d'approcher la matrice C par une combinaison linéaire de matrices de masse et de raideur

K M

C=α +β , α et β constants.

Cette forme d'amortissement est appelé amortissement proportionnel

( ) [

M K

]

( )

Cette dernière équation ne comporte que des matrices diagonales donc correspondant à n équations modales découplées

( )

t +

[

+ ²

]

( )

t + ²r

( )

t =⁰

2.3 - Réponses forcées L'équation se met sous la forme

( )

^t Cx

( )

^t Kx

( )

^t F

( )

M&& + & + =

( )

F est le vecteur des forces appliquées à chaque masse

( )

[

( )

t F

( )

t L Fn

( )

]

où ζ_i est obtenu par exemple par la méthode de l'amortissement proportionnel.

( )

t P M F

( )

f = ^T ⁻¹² est le vecteur des forces modales (généralisées), dont les éléments

( )

f_i sont des combinaisons linéaires des forces ^Fi

( )

^t . Finalement, l'équation modale découplée est de la forme

( )

t r

( )

t r

( )

t f

( )

Les coefficients A_i et φ_i de la solution générale sont déterminés en utilisant les conditions initiales.

En régime stationnaire (harmonique permanent), la solution particulière pour

( )

(

)

j t F t

F = ₀cosω +ϕ est dans la base modale

( ) ( ) ( )

^^





 +

− − +

−

= _i

i i i i

i i

i f t

r θ

ω ω

ζ ω ω ω

ω² ² ² ² ² ²

0 2

arctan cos

avec f₀ =P^TM⁻¹² F₀ =S^T F₀ où ^S^T ⁼

(

^M⁻¹^/² ^P

)

^T ⁼^P^T ^M⁻¹^/²^.

f0 est le vecteur des forces modales généralisées complexes dont chaque élément est

j i

i fi e

f ₀ ^θ

0 = . Il est calculé à partir du vecteur F₀ des forces complexes appliquées à chaque nœud (masse) du système et dont chaque élément s'écrit F _j₀ =F_j₀ e^j^ϕ^j. L'utilisation d'un vecteur complexe est nécessaire pour représenter les déphasages ϕ_j différents pour chaque force.

Le vecteur déplacement s'écrit comme précédemment par

( ) ( ) ( )

i i t r t

∑

ΦΦΦΦ

r S x

NB : En utilisant la fonction de transfert modale complexe

( )

(

)

i i

i j

L ω ω ω ωω ζ

2 1

2 − +

= ,

la solution dans la base modale s'exprimer simplement par ^rⁱ

( )

^t ⁼^Re

{

^f _i₀ ^Lⁱ

( )

^ω ^e^j^ω^t

}

APPLICATION

APPLICATION APPLICATION

APPLICATION

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