Contributions au développement d'absorbeurs à vibro-impacts : de la caractérisation à la conception d'absorbeurs multiples
Contributions to the development of vibro-impact absorbers : from the characterization towards the design of multiple absorbers
Résumé
Structural vibrations take place in each systems because of their natural resonant behavior. In some cases though, these vibrations may become problematic since they lead to great amplitudes disturbing the systems, to noise, repeated stress and therefore fatigue, ending with failure of the structures. Accordingly, these vibrations should be controlled. Some well-known solutions exist, like Tuned Mass Dampers or the use of polymer materials that have very high dissipative capacity. However, the effectiveness of these solutions are reached if certain conditions are matched, such as a proper frequency tuning, or a specific range of temperature. Therefore, the solutions available to control the vibrations need a trade-off between the performance, the added mass, and the robustness of the device, among others.Recently, devices involving non-linear phenomena have emerged for their interesting properties. For instance, such devices are expected to be efficient on a widest frequency range, requiring a low added mass. Vibro-impact based technologies are part of this approach. The usually take benefit of the impacts between a main vibrating structure to control and small oscillating and embedded masses. Because of the vibrations of the main structure, vibro-impacts are triggered, leading to energy transfers and vibration reduction. Consequently, the main objective of this PhD is to take advantage of vibro-impact phenomenon for vibration mitigation application.The main contributions of this work concern new experimental approaches. To begin with, a method is proposed to measure and characterize vibro-impact phenomenon. Based on a high-speed camera and a Digital Image Correlation process, this new method allows to derive the Coefficient of Restitution and the friction forces acting on the ball in a vibro-impact system. Then, the effect of a vibro-impact absorber on a multi-modal structure is inquired. Experimentally, the cases of a beam and of a model plane are considered. On the beam, the performance of the absorber for various type of excitations is demonstrated. The results also highlights that the gap and the vibration amplitude plays analogous roles. Setting these two parameters fully determine the attenuation, and the occurrence of specific non-linear regime of vibration. Moreover, an energy-based approach is adopted numerically, demonstrating the important role of the modal energy transfers in vibro-impact problems. The case of the model plane aims to consider a more realistic structure before going towards industrial structures. A numerical approach based on the Finite Element method is developed to simulate the behavior of the plane equipped with a vibro-impact absorber. The simulation results are compared to experimental results, highlighting the limitations encountered with a single vibro-impact absorber. Finally, we took advantage of multiple vibro-impact absorbers to improve the vibration mitigation performance. More specifically, a multi-modal attenuation is achieved using a gap gradient and placing the vibro-impact absorbers at specific locations on the plane.
De par le caractère résonant des structures qui nous entourent, celles-ci se montrent plus ou moins sensibles aux vibrations auxquelles elles peuvent être soumises. Dans certaines conditions, ces vibrations peuvent devenir problématiques, notamment lorsqu’elles génèrent de grandes amplitudes de vibration qui perturbent le fonctionnement du système principal, du bruit, des contraintes répétées et donc de la fatigue pouvant conduire à la rupture. Des solutions existent, telles que les absorbeurs dynamiques (ou absorbeurs à masse accordée) ou encore l’utilisation de matériaux polymères qui possède une grande capacité de dissipation d’énergie. Cependant, des conditions particulières sont requises afin que ces solutions sont pleinement performantes. Il s’agit par exemple d’un bon accordage fréquentiel, ou d’une plage de température particulière. Par conséquent, les solutions de contrôle vibratoire sont nécessairement un compromis entre performance, masse ajoutée, et robustesse du dispositif notamment. Récemment, l’exploitation de phénomènes non-linéaires dans les solutions de contrôle vibratoire a fait son apparition car des propriétés intéressantes ont été démontrées. Par exemple, de tels dispositifs sont supposés avoir une bande de fréquence d’efficacité plus importante, et nécessitent un faible ajout de masse. Les technologies basées sur le vibro-impact en sont un exemple. Il s’agit généralement de tirer profit des impacts entre une structure principale à contrôler et des masses libres en translation intégrées à la structure. Les vibrations de la structure principale déclenchent alors le phénomène de vibro-impact, conduisant à des transferts d’énergie et finalement une réduction du niveau vibratoire. Par conséquent, l’objectif de cette thèse est d’exploiter le phénomène de vibro-impact à des fins d’atténuation vibratoire. Les principales contributions de ces travaux concernent des approches expérimentales nouvelles. Tout d’abord, une méthode de mesure et de caractérisation du vibro-impact est proposée. Basée sur une série d’image issue d’une caméra rapide et sur un calcul de corrélation d’images, cette nouvelle méthode permet d’obtenir le Coefficient de Restitution ainsi que les forces de frottement dans le système à vibro-impact. Puis l’effet d’un vibro-impacteur sur une structure multi-modale est investigué. Expérimentalement, les cas d’une poutre et d’un modèle d’avion sont étudiés. Sur la poutre, l’efficacité du vibro-impacteur pour plusieurs types d’excitation est démontrée. Par ailleurs, les résultats montrent que le gap et l’amplitude d’excitation jouent des rôles analogues. Ainsi, ces deux paramètres déterminent entièrement l’atténuation obtenue, ainsi que le régime de vibration non-linéaire du système. De plus, une étude énergétique numérique démontre l’importance du rôle des transferts d’énergie dans l’espace modal pour les problèmes de vibro-impact. Le cas du modèle d’avion vise quant à lui à considérer une structure plus réaliste avant de s’attaquer à des structures industrielles. Une méthode basée sur la méthode des éléments finis est développée pour simuler le comportement de l’avion équipé d’un vibro-impacteur. Les résultats de simulation obtenus sont comparés à des résultats expérimentaux, mettant bien en évidence les limitations rencontrées avec l’utilisation d’un unique vibro-impacteur. Finalement, des vibro-impacteurs multiples sont réalisés dans l’optique d’augmenter les performances vibratoires du dispositif. Il est ainsi possible d’obtenir une atténuation multi-modale en exploitant un gradient de gap et en choisissant judicieusement la localisation des vibro-impacteurs sur l’avion.
Origine : Version validée par le jury (STAR)