34 LA RECHERCHE À L'UTC

Le laboratoire Roberval a pour vocation le développement de méthodes expérimentales et numériques innovantes pour l'analyse, la modélisation et la conception des structures et des systèmes mécaniques.

Objectifs Le Laboratoire maintient l’objectif stratégique d’être un pôle d’excellence dans l'étude, la conception et le contrôle de systèmes mécaniques. Pour atteindre cet objectif, une approche systémique et multidisciplinaire est mise en place en raison des interactions physique, chimique, mécanique, thermique, acoustique et vibratoire des éléments qui constituent les systèmes étudiés.

Ses activités de recherche portent sur le développement de compétences expérimentales, théoriques et numériques multidisciplinaires mises en jeu lors de la conception de matériaux, de structures, ou de systèmes mécaniques. L’unité de recherche vise à développer une expertise sur les méthodologies d'analyse, de conception et de fabrication dans le respect de l’environnement.

RObeRval umR utc / cnRs 7337

Mécanique acoustique et Matériaux

The RobeRval laboRaToRy

CompuTaTional meChaniCs, aCousTiCs & maTeRials sCienCe

The Roberval Laboratory promotes the deve-lopment of innovative computational and experimental protocols and tools for reliable and robust analysis-based design, of mechanical engineering systems and structures.

Objectives

The Roberval Laboratory has taken on the stra-tegic objective to become a ‘pole of excellence’ [in the French HE nomenclature] in the research, design and control assessment in mechanical engineering and sciences. In order to attain this objective, we implement a systemic and multidis-ciplinary approach taking into account the physi-cal, mechanical, thermal, acoustic and vibratory interactions between the subcomponents of the systems investigated.The research work focuses on the development of experimental, theoretical and multidisciplinary mathematical modeling skills and know-how, to be implemented when designing materials, struc-tures and mechanical systems. The laboratory aims at developing expertise in design methodolo-gies and manufacturing protocols complying with environmental standards and constraints.

Structures et systèmes mécaniquesMechanical Structures and Systems

Méthodes et modèles pour la simulation numérique Computational Mechanics

Acoustique et vibrationsAcoustics and Vibrations

Matériaux et surfaces Materials and Surfaces

Procédés d'élaboration des matériaux Material, Design, Fabrication and Assembly Processes

LA RECHERCHE À L'UTC 35

The RobeRval laboRaToRy

CompuTaTional meChaniCs, aCousTiCs & maTeRials sCienCe

The Roberval Laboratory promotes the deve-lopment of innovative computational and experimental protocols and tools for reliable and robust analysis-based design, of mechanical engineering systems and structures.

Objectives

The Roberval Laboratory has taken on the stra-tegic objective to become a ‘pole of excellence’ [in the French HE nomenclature] in the research, design and control assessment in mechanical engineering and sciences. In order to attain this objective, we implement a systemic and multidis-ciplinary approach taking into account the physi-cal, mechanical, thermal, acoustic and vibratory interactions between the subcomponents of the systems investigated.The research work focuses on the development of experimental, theoretical and multidisciplinary mathematical modeling skills and know-how, to be implemented when designing materials, struc-tures and mechanical systems. The laboratory aims at developing expertise in design methodolo-gies and manufacturing protocols complying with environmental standards and constraints.

Directeur par intérimPiotr Breitkopf

Tél. 33 (0)3 44 23 45 27piotr.breitkopf@utc.fr roberval.utc.fr

Équipes et thèmes de RecheRcheLes recherches du Laboratoire Roberval s'appuient sur les domaines de la science des matériaux, de la mécanique des solides et des fluides, de l'acoustique et des vibrations.

L'Unité est organisée en trois équipes de recherche:• Matériaux et surfaces : Mécanique des surfaces et interfaces, multi- matériaux, composites, caractérisation des matériaux et modélisation de leurs comportements à différentes échelles, couplage mécanique-environnement (corrosion, endommagement en surface...).• Acoustique et vibrations : aéroacoustique, propagation dans les écoulements, confort acoustique et vibratoire, identification et caractérisation des sources de bruit, matériaux absorbants : caractérisation et optimisation.• Méthodes numériques en mécanique : développement d'approches et de modèles originaux pour la simulation de phénomènes multiphysiques couplés, contrôle et robustesse des simulations, optimisation multidisciplinaire, techniques de discrétisation et d'approximation, techniques de corrélation essais-calculs

pROjets de RecheRcheLe Laboratoire est partenaire de quatre Projets d’Investissement d’Avenir (PIA) :

• Institut de Recherche Technologique IRT RAILENIUM dédié au ferroviaire. Le Laboratoire est principalement impliqué dans les programmes: matériaux et procédés, suivi de l'état des infrastructures ferroviaires et pilote le programme "méthodes de prototypage virtuel et pré-certification par calcul".• Laboratoire d’Excellence LABEX MS2T Maîtrise des Systèmes de Systèmes Technologiques. Le Laboratoire est impliqué dans les systèmes mécatroniques, la prise en compte des incertitudes et l'optimisation multidisciplinaire des systèmes mécaniques. • Institut d'Excellence sur les Énergies Décarbonnées IEED PIVERT. Le Laboratoire est impliqué dans les aspects mécaniques des matériaux agro- sourcés et modélisation du métabolisme plante/levure•Équipement d’Excellence EQUIPEX FIGURES portant sur la réalisation d'une plateforme de recherche et de formations chirurgicales appliquées à la tête. Le Laboratoire est impliqué dans la caractérisation du comportement des matériaux du vivant.

L'Unité est particulièrement active dans les pôles de compétitivité à vocation mondiale IAR, iTrans, MOVEO et SYSTEMATIC.

L’Unité développe quatre Plateformes :• PILCAM2:plateformeinter-laboratoiredecalculintensifpourlamodélisation multidisciplinaire.• Essaisaéroetvibro-acoustique.• Essais mécaniques et expérimentation multi-échelle des matériaux et des surfaces.•Élaborationdestructurescomposites3Dtisséesetcousues.

paRtenaRiatsIndustriels Automobile, Ferroviaire, Aéronautique et Spatial : RENAULT, PSA, SAINT-GOBAIN,ARCELORMITTAL,VALEO,INERGY,ALSTOM,SNECMA,EADS,AIRBUS,CNES, ONERA… Energie:EDF,CEADéfense:DGAEditeur de Logiciels : ESI Group Centres Techniques:CETIM,CETMEF

Universitaires : NPU Northwestern Polytechnical University de X’ian (groupe de recherche commun Virtual Prototyping for Design and Fabrication), EcoleNationale des Ingénieurs de Sfax, Université de Santiago du Chili, Ecole des Mines de Cracovie, Université de Technologie de Wroclaw, Universités du Québec, Université Libre de Bruxelles, Imperial College of London, ISVR Southampton.

ReseaRch gROups and themes

The Roberval Laboratory focuses on research in the areas of material sciences and engineering, solid and fluid mechanics, acoustics and vibrations. The Research Unit has three groups working on: •Materials and Surfaces: Mechanical characte- rization of surfaces and interfaces, multi-material configurations, modeling of material behavior at various scales, the interaction with the environment (such as corrosion, surface damage, etc.), • Acoustics and Vibrations : aero-acoustics, propagation in fluid flows, acoustic and vibratory aspects of comfort, the identification and characterization of noise sources, noise absorbent materials: specifications and optimization,• Computational Mechanics : development of original models to simulate multi-physical coupled phenomena, robustness of the simulation models, multidisciplinary design optimization, discretization and approximation techniques, digital image correlation.

ReseaRch pROjects

The Roberval Laboratory is a partner in four projects qualified under the French Government’s “Invest-ments for the Future” initiative :• The Institute for Technological Research IRT RAILENIUM specializes in rail transportation systems - the Roberval Laboratory is involved in material sciences and engineering, monitoring of rail networks and infrastructures and is res- ponsible for a project “computational pre- certification and virtual prototype methodology” CERVIFER,• The Laboratory for Excellence LABEX MS2T, acronym for “Control of Technological Systems of Systems”. The Laboratory is involved in mechatronic studies, assessment of uncertainty factors and multidisciplinary optimization in mechanical systems, • The Institute for Excellence on Carbon-free Energies IEED PIVERT. The Laboratory is involved in the mechanical aspects of agro-based materials and modelling of plant/yeast metabolic processes,• The Equipment for Excellence EQUIPEX FIGURES is used for research into surgeon training proto- cols specific to head and facial surgery. The Laboratory is involved in characterizing the behavior of living tissues.

The Research Unit is especially active in the world-class poles of competitivity such as IAR, iTrans, MOVEO and SYSTEMATIC. NB – the expres-sions above, Laboratory for Excellence, Equipment for Excellence, Poles of Competitivity are part of a Government nomenclature and labeling scheme, tied to special ministerial funding. The research Unit is currently developing 4 experi-mental platforms :• PILCAM2: an inter-lab. high-performance computing center for multidisciplinary modeling,• An aero and vibro-acoustic test bench,• Mechanical and multi-scale experimentations for materials and surface testing and metrology,• Elaboration of 3D woven and stitched composites.

paRtneRships Industry: Automotive, Rail, Aeronautical and Space sectors: RENAULT, PSA, ARCELORMITTAL, VALEO, SAINT-GOBAIN, INERGY, ALSTOM, SNECMA, EADS, AIR-BUS, CNES, ONERA… Energy sector: EDF, CEA, Defence: DGA, Software: ESI Group, Technical Expertise Centers: CETIM, CETMEF.

Academia: North-Western Polytechnical University at Xi'an, China (joint research group Virtual Prototyping for Design and Fabrication), Ecole Nationale des Ingénieurs de Sfax, Tunisia, University of Santiago du Chili, Ecole des Mines, Cracovie, University of Technology Wroclaw, Universities of Québec, Université Libre de Bruxelles, Imperial College London, ISVR Southampton.

2 pROjets du labORatOiRe roberval

Les enjeux actuels et futurs en termes de rapport "performance / coût" des secteurs de l’aéronautique, du transport terrestre et naval imposent l’utilisation de matériaux innovants répondant à des exigences structurales et fonctionnelles.

Le développement des matériaux composites* à renfort 3D, domaine dans lequel l’UTC possède une expérience forte de plus de 15 ans, est une réponse pertinente à ces enjeux. Alors que les précédentes générations (renfort 1D et 2D) souffraient de carences des propriétés mécaniques dans la troisième direction de l’espace, ce renforcement 3D hors plan des tissus dits "techniques" vient ainsi proposer de nouvelles et plus nombreuses configurations architecturales (préformes) des matériaux composites. Les contraintes environnementales poussent également les industriels à développer des matériaux composites à renforts végétaux. Les fibres traditionnellement utilisées dans les renforts des composites (fibres de verre, carbone, …) se voient substituer par des fibres naturelles d’origine végétale issues des plantes ou de la cellulose (fibres de bois, chanvre, …), offrant des propriétés

adaptées : faibles densités, bonnes propriétés mécaniques, faibles coûts…

* Un matériau composite est constitué d’une ossature appelée renfort qui assure la tenue mécanique et d’une protection

appelée matrice qui assure la cohésion de la structure et la retransmission des efforts vers le renfort.

les cOmpOsites : des matÉRiaux à RenfORts 3d et à RenfORts vÉgÉtaux

Today’s (and tomorrow’s) challenges in terms of performance/cost ratios in aeronautics, land and sea transportation require the use of innovative materials that comply with the latest structural and functional standards.

The development of composite materials with 3D strengtheners* - an area of expertise where UTC Compiegne has an excellent track-record for the last 15 years – is an answer to these new challenges. Whereas previous generations of composites had 1D or 2D strengtheners, and subsequently displayed certain structural weaknesses in the 3rd dimension, this new 3D approach with reinforcement of so-called technical shaped tissues generates several possible architectural configurations for composite materials. The environmental constraints today have also encouraged the industrialists in this sector to focus on the deve-lopment of composites with vegetable strengtheners. The fibers typically incorporated are glass or carbon with an increasing preference for cellulose-based extracts (wood, hemp, …) with interesting properties such as low density, excellent mechanical characteristics, low cost … *A composite material has a skeleton called the strengthener to ensure its mechanical rigidity and an overlying matrix that both protects the structure and transmits mechanical stresses to the strengthener.

coMposite Materials: with 3D anD vegetable

strengtheners

La réduction des nuisances sonores est un enjeu majeur pour l’industrie mécanique. Le Laboratoire Roberval participe à l’effort de recherche dans ce domaine en développant en relation avec le secteur automobile dans le cadre du pôle de compétitivité à vocation mondiale Itrans et avec le secteur aéronautique dans le cadre de l’Initiative de recherche pour l'optimisation acoustique aéronautique (IROQUA) des outils numériques et expérimentaux sur les thèmes vibroacoustique et aéroacoustique.

On s’intéresse dans ce contexte au développement de systèmes originaux intégrés dans les nacelles permettant la réduction et le contrôle du bruit rayonné par les moteurs d’avions ou dans les systèmes de refroidissement automobile. Ces recherches, basées sur des expériences réalisées sur des bancs d’essai originaux et des modèles numériques développés au Laboratoire dans le cadre de programmes européens, bénéficient du support constant de Valéo Thermique Habitacle, de SAFRAN (SNECMA,TURBOMECA) et du CNRS. Ces travaux ont conduit au dépôt d’un Brevet Snecma-CNRS-UTC.

amÉliOReR le cOnfORt acOustique et l’enviROnnement sOnORe

Noise reduction is a major challenge for the mechanical engineering sector. The Roberval Laboratory is involved in research in this area by the development of computational and experimental tools for vibro-acoustics and aero-acoustics in par-tnership with automobile industrialists as part of the world-class “pole of competitivity” Itrans, and with the aeronautical sector in the framework of the Research Initiative for Acoustic Optimisation (IROQUA).

In the foregoing context, the Laboratory research groups focus on several original systems integrated in the aircraft engine pods or in the cooling systems in cars in order to reduce and control transmitted noise. The research uses test bed arran-gements and numerical models developed by the Roberval Laboratory in the framework of European research programmes, with continuous support from Valeo Thermique Habitacle, SAFRAN (SNECMA,TURBOMECA) and the CNRS. This research has resulted in a patent registration jointly lodged by Snecma, CNRS and UTC.

iMproving acoustic coMfort anD

environMental noise

Permettre la réduction et le contrôle du bruit rayonné par les moteurs d’avions ou dans les systèmes de refroidissement automobile