Contribution à la dynamique des structures précontraintes : application aux roues de vélos à rayons
Institution:
Lyon, INSADisciplines:
Directors:
Abstract EN:
Optimizing the performance of professional cyclists and improving the comfort of amateur cyclists leads to research and development activities in the field of cycling equipment. The aim of this work is to obtain a reliable predictive model of spoked wheels in statics and dynamics. This research deals with the mechanical behaviour of non-linear prestressed structures. The mixed approach involves finite element modeling and measurements of static wheel stiff nesses, spoke tensions and experimental modal analysis. Specific software has been developed in the Matlab environment. First, the finite element modeling and the behaviour equations of spoked wheels are explained and the associated numerical solution methods are developed. Then, numerical results are used to analyze the non-linear wheel behavior under static and dynamic loadings. The influence of the principal design parameters is highlighted using sensitivity analysis. Specific experimental devices have been developed to qualify the structure and to validate the numerical models. These include a static test bed, on board force meters for road and off-road cycling and a specific aerodynamic test bench. Finally, the satisfactory comparison of numerical and experimental results proves the reliability of the finite element model and gives informations about its robustness. This research was carried out with the support of Mavic, a subsidiary of the Adidas-Salomon corporation.
Abstract FR:
L’optimisation des performances pour le cycliste de haut niveau et l’amélioration du confort pour l’amateur impliquent le développement d’études sur le comportement mécanique du matériel. La stratégie mise en place dans ce travail a pour objectif principal l’obtention d’un modèle fiable de prévision du comportement statique et dynamique de roues à rayons. D’un point de vue scientifique, le problème s’inscrit dans le domaine non-linéaire de structures précontraintes, en statique et dynamique. La démarche mixte est basée sur une modélisation par la méthode des éléments finis, couplée à la mesure statique des rigidités de roue et de tension de rayons, ainsi qu’aux résultats d’analyses modales expérimentales. Un logiciel spécifique a été développé dans l’environnement Matlab. Dans un premier temps, la modélisation de la roue, la mise en équation et les méthodes de résolution sont présentées. Les résultats numériques obtenus servent de support à l’analyse du comportement non-linéaire de la roue, notamment en terme de modification de rigidité sous chargement statique et dynamique transitoire. Les influences des principaux paramètres de conception de la roue sont cernées dans le développement d’analyses de sensibilités. La mise en place de procédures expérimentales a été nécessaire, d’une part pour qualifier la structure et d’autre part pour valider le modèle numérique. Il s’agit principalement de dispositifs d’essais statiques, de capteurs d’efforts embarqués sur le vélo et d’un dispositif de caractérisation aérodynamique. La comparaison des résultats numériques et expérimentaux a permis d’affirmer la fiabilité du modèle prédictif et de cerner sa robustesse. Cette étude, innovante dans le domaine du cyclisme, a été en collaboration avec la société MAVIC du groupe ADIDAS-SALOMON dans le cadre d’une convention CIFFRE