Dissertations / Theses on the topic 'Vibration mécanique'

Poro-viscoelastic materials are well modelled with Biot-Allard equations. This model needs a number of geometrical parameters in order to describe the macroscopic geometry of the material and elastic parameters in order to describe the elastic properties of the material skeleton. Several characterisation methods of viscoelastic parameters of porous materials are studied in this thesis. Firstly, quasistatic and resonant characterization methods are described and analyzed. Secondly, a new inverse dynamic characterization of the same modulus is developed. The latter involves a two layers metal-porous beam, which is excited at the center. The input mobility is measured. The set-up is simplified compared to previous methods. The parameters are obtained via an inversion procedure based on the minimisation of the cost function comparing the measured and calculated frequency response functions (FRF). The calculation is done with a general laminate model. A parametric study identifies the optimal beam dimensions for maximum sensitivity of the inversion model. The advantage of using a code which is not taking into account fluid-structure interactions is the low computation time. For most materials, the effect of this interaction on the elastic properties is negligible. Several materials are tested to demonstrate the performance of the method compared to the classical quasi-static approaches, and set its limitations and range of validity. Finally, conclusions about their utilisation are given.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdorales, 2016-2017
Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdorales, 2016-2017
L'alimentation électrique d'un appareil électronique sans fil est souvent effectuée via une pile électrique. Une solution alternative pour produire une alimentation en continue est de récupérer l'énergie provenant des vibrations d'une structure mécanique. Il a déjà été démontré que le récupérateur d'énergie vibratoire classique est efficace uniquement lorsque la source d'excitation vibratoire a un contenu fréquentiel à bande étroite. Les sources vibratoires étant souvent composées d'un large spectre fréquentiel, le récupérateur classique est alors peu performant. L'objectif principal de cette thèse est donc de proposer et d'évaluer une architecture de récupération d'énergie permettant de récupérer efficacement de l'énergie provenant d'une source vibratoire dont le contenu fréquentiel est déterministe ou aléatoire. Une revue de documentation scientifique permet d'abord de classifier et de hiérarchiser les différentes stratégies qui ont déjà été proposées pour récupérer de l'énergie à partir des sources vibratoires les plus courantes. Basée sur cette revue, une architecture composée de plusieurs récupérateurs piézoélectriques couplés via des impédances électriques est ensuite proposée. Afin de prédire la densité de puissance adimensionnelle de cette architecture, un modèle électromécanique de celle-ci est développé puis validé expérimentalement avec un prototype composé de deux récupérateurs. Ce modèle est ensuite introduit dans une procédure d'optimisation qui maximise un critère de performances basé sur le type de source vibratoire d'excitation, soit une source stationnaire ou non-stationnaire. Les résultats d'optimisation sont par la suite analysés sous forme d'études paramétriques. Pour différentes sources vibratoires, ces études établissent l'influence de chacun des paramètres composant l'architecture sur ses performances tout en développant un outil de conception de l'architecture proposée. La première partie de ces études considère le cas où l'architecture est excitée par une source vibratoire harmonique tandis que la seconde partie le fait pour une source aléatoire stationnaire et non-stationnaire. Finalement, des cas d'application sont présentés pour démontrer comment utiliser l'outil de conception. Bien que les résultats obtenus dans ces cas ne soient pas généraux, il y est démontré que l'utilisation de l'architecture proposée permet d'augmenter la densité de puissance ou de l'uniformiser sur un plus large spectre fréquentiel : comparativement au récupérateur classique, une architecture de deux récupérateurs permet un gain de performances de 51% pour une source vibratoire harmonique, de 184% pour une source de type passe-bas et de 212% pour une source non-stationnaire.
L'alimentation électrique d'un appareil électronique sans fil est souvent effectuée via une pile électrique. Une solution alternative pour produire une alimentation en continue est de récupérer l'énergie provenant des vibrations d'une structure mécanique. Il a déjà été démontré que le récupérateur d'énergie vibratoire classique est efficace uniquement lorsque la source d'excitation vibratoire a un contenu fréquentiel à bande étroite. Les sources vibratoires étant souvent composées d'un large spectre fréquentiel, le récupérateur classique est alors peu performant. L'objectif principal de cette thèse est donc de proposer et d'évaluer une architecture de récupération d'énergie permettant de récupérer efficacement de l'énergie provenant d'une source vibratoire dont le contenu fréquentiel est déterministe ou aléatoire. Une revue de documentation scientifique permet d'abord de classifier et de hiérarchiser les différentes stratégies qui ont déjà été proposées pour récupérer de l'énergie à partir des sources vibratoires les plus courantes. Basée sur cette revue, une architecture composée de plusieurs récupérateurs piézoélectriques couplés via des impédances électriques est ensuite proposée. Afin de prédire la densité de puissance adimensionnelle de cette architecture, un modèle électromécanique de celle-ci est développé puis validé expérimentalement avec un prototype composé de deux récupérateurs. Ce modèle est ensuite introduit dans une procédure d'optimisation qui maximise un critère de performances basé sur le type de source vibratoire d'excitation, soit une source stationnaire ou non-stationnaire. Les résultats d'optimisation sont par la suite analysés sous forme d'études paramétriques. Pour différentes sources vibratoires, ces études établissent l'influence de chacun des paramètres composant l'architecture sur ses performances tout en développant un outil de conception de l'architecture proposée. La première partie de ces études considère le cas où l'architecture est excitée par une source vibratoire harmonique tandis que la seconde partie le fait pour une source aléatoire stationnaire et non-stationnaire. Finalement, des cas d'application sont présentés pour démontrer comment utiliser l'outil de conception. Bien que les résultats obtenus dans ces cas ne soient pas généraux, il y est démontré que l'utilisation de l'architecture proposée permet d'augmenter la densité de puissance ou de l'uniformiser sur un plus large spectre fréquentiel : comparativement au récupérateur classique, une architecture de deux récupérateurs permet un gain de performances de 51% pour une source vibratoire harmonique, de 184% pour une source de type passe-bas et de 212% pour une source non-stationnaire.
The power supply of a wireless electronic device is often conducted via an electric battery. An alternative solution to produce a continuous supply is to harvest energy from the vibrations of a mechanical structure. It has already been shown that the classical vibration energy harvester is effective only when the vibration excitation source has a narrowband frequential content. Vibration sources are often composed of a broad frequency spectrum so the classic energy harvester is inefficient. The main objective of this thesis is to propose and evaluate an energy harvester architecture that would lead to efficient energy harvesting from a vibration source of any frequential content. A review of the scientific literature allows to classify and prioritize the different strategies that have previously been proposed to harvest energy from the most common vibration sources. Based on this review, a harvester architecture composed of several piezoelectric harvesters coupled via electric impedances is then proposed. To predict the dimensionless power density of this architecture, its electromechanical model is developed and experimentally validated with a two-harvester prototype. This model is then introduced into an optimization procedure that maximizes a performance criterion based on the type of vibration excitation source, which is either stationary or non-stationary. The optimization results are then analyzed as parametric studies. For various vibration sources, these analyses establish the influence of every architectural parameter on its performance while developing a design tool for the proposed architecture. The first part of these studies considers the case where the architecture is excited by a harmonic vibration source, while the second part deals with stationary and non-stationary random sources. Finally, case studies are presented to demonstrate how to use the design tool. Although the results obtained in these cases are not general, it is shown that the use of the proposed architecture increases the power density or uniformizes it on a broader frequency spectrum. Indeed, when compared to the conventional harvester, a two-harvester architecture enables a performance gain of 51% for a harmonic vibration source, 184% for a low-pass source and 212% for a non-stationary source.
The power supply of a wireless electronic device is often conducted via an electric battery. An alternative solution to produce a continuous supply is to harvest energy from the vibrations of a mechanical structure. It has already been shown that the classical vibration energy harvester is effective only when the vibration excitation source has a narrowband frequential content. Vibration sources are often composed of a broad frequency spectrum so the classic energy harvester is inefficient. The main objective of this thesis is to propose and evaluate an energy harvester architecture that would lead to efficient energy harvesting from a vibration source of any frequential content. A review of the scientific literature allows to classify and prioritize the different strategies that have previously been proposed to harvest energy from the most common vibration sources. Based on this review, a harvester architecture composed of several piezoelectric harvesters coupled via electric impedances is then proposed. To predict the dimensionless power density of this architecture, its electromechanical model is developed and experimentally validated with a two-harvester prototype. This model is then introduced into an optimization procedure that maximizes a performance criterion based on the type of vibration excitation source, which is either stationary or non-stationary. The optimization results are then analyzed as parametric studies. For various vibration sources, these analyses establish the influence of every architectural parameter on its performance while developing a design tool for the proposed architecture. The first part of these studies considers the case where the architecture is excited by a harmonic vibration source, while the second part deals with stationary and non-stationary random sources. Finally, case studies are presented to demonstrate how to use the design tool. Although the results obtained in these cases are not general, it is shown that the use of the proposed architecture increases the power density or uniformizes it on a broader frequency spectrum. Indeed, when compared to the conventional harvester, a two-harvester architecture enables a performance gain of 51% for a harmonic vibration source, 184% for a low-pass source and 212% for a non-stationary source.

The work of this thesis concerns to study of a particular technique related to the treatment of generated voltage by the piezoelectric elements. This nonlinear technique increases the effect of electromechanical conversion of piezoelectric materials considerably. This technique called Synchronized Switching Damping (SSD) has been developed in laboratory of electrical engineering and ferroelectricity of INSA-Lyon. The advantage of these techniques is that can be self-powered by using the converted electrical energy by piezoelectric elements. The presented work propose a new approach of control for the SSD techniques that allowing to increase of damping in the case of complex vibration such as random excitations. This new approach is the statistical approach on the sliding time window of the piezoelectric voltage or displacement of structure. Numerical as well as the experimental results have been presented for a cantilever beam. These results show the ability of the piezoelectric patches with passive shunting to damp out the structural vibration and also show that this new strategy of control is very efficient. The effect of the size of piezoelectric patches on the vibration damping and their damping sensibility to the variations of the excitation force parameters have been presented as well. Finally, it shows the effect of boundary conditions on the SSDI technique
Les travaux de cette thèse concernent l'étude d'une technique particulière se rapportant au traitement de la tension générée par les éléments piézoélectriques. Cette technique non linéaire augmente considérablement l'effet de la conversion électromécanique des matériaux piézoélectriques. Cette technique appelée synchronise switch damping (SSD) a été mis au point en laboratoire de génie électrique et férroélectricite de l'INSA-Lyon. L’un des avantages de ces techniques est la possibilité d’être autoalimenté par la conversion de l’énergie électrique par des éléments piézoélectriques. Le présent travail propose une nouvelle approche du contrôle pour les techniques SSD permettant l'augmentation de l'amortissement dans le cas de vibrations complexes tels que les excitations aléatoires. Cette nouvelle approche est l'approche statistique sur fenêtre glissante dans le temps par rapport à la tension piézo-électrique ou le déplacement de l'ouvrage. Les résultats numériques et expérimentaux ont été présentés pour une poutre encastrée libre. Ces résultats montrent l’efficacité de cette nouvelle stratégie de contrôle, avec la capacité des patchs piézoélectrique pour amortir les vibrations de la structure. L'effet de la taille des patchs piézo-électrique sur l’amortissement des vibrations et leur sensibilité aux variations de la force d'excitation sont aussi présentées. Enfin, il montre l'effet des conditions aux limites sur la technique SSDI

Methode experimentale de mesure des pressions parietales d'un rotor, a axe vertical, de type savonius en rotation. Les resultats obtenus ont ete utilises dans un modele de calcul afin de determiner les parametres mecaniques c::(m)et c::(p) de la machine. Determination des coefficients de trainee et de portance ainsi que du comportement vibratoire du rotor sous l'effet des forces aerodynamiques. Correlation du champ des pressions d'aube avec le systeme des emissions tourbillonnaires engendrees par l'eolienne en rotation. Etude de dispositifs de suspension de type "pilotis" destines a isoler, en vibration, un rotor savonius tripale

L'allègement des structures imposé par les réductions de coût se traduit par des structures de plus en plus souples qui les rendent de plus en plus sensibles aux vibrations. Le contrôle des vibrations devient donc un enjeu majeur dans de nombreuses applications industrielles et les limites des matériaux imposent maintenant un recours au contrôle actif de plus en plus fréquent. L'évolution des structures au cours du temps (viellisement, conditions aux limites, architecture, ...) pose le problème de la robustesse du contrôle. Par ailleurs, l'actionnement de plus en plus présent dans le domaine mécanique constitue à la fois une source supplémentaire de vibrations, mais aussi de contrôle et d'évolution d'architecture des structures. La thèse s'intéresse au contrôle actif autoadaptatif des vibrations permettant de maintenir automatiquement la performance et la stabilité des structures évolutives. Il s'agit donc de s'affranchir de la connaissance des causes et des informations sur les évolutions. La méthode proposée s'appuie sur un développement modal permettant de limiter le nombre de composants de contrôle et de cibler les modes à contrôler en limitant l'énergie de contrôle. Ainsi, il est nécessaire de reconstruire les caractéristiques du modèle modal indispensables pour réactualiser le contrôle en figeant seulement une structure de modèle. S'affranchissant à la fois des causes d'évolution de la structure et utilisant seulement une structure de modèle, la méthode est généralisable à toute application en mécanique des structures. La méthode proposée, basée sur l'utilisation d'un identificateur exploitant à la fois excitation et réponse de la structure, prend en compte les limites imposées par le contrôleur. Le modèle constitue le lien qui doit être établi entre identificateur et contrôle pour permettre la réactualisation. Par ailleurs, un compromis entre l'objectif d'atténuation des vibrations et les performances de l'identification est alors nécessaire du fait du couplage identification/contrôle apparaissant dans la boucle fermée. Ce compromis est également conditionné par le matériel utilisé. La méthode proposée est exploitée sur une structure discrète mettant en évidence une inversion de formes modales au cours de son évolution qui déstabilise un contrôle figé. Le choix opéré pour répondre aux différents compromis cités ci dessus a conduit à l'utilisation d'un contrôleur classique (LQG) et un identificateur basé sur la méthode des sous-espaces (N4SID). Cette application sur une structure simple a permis de caractériser un certain nombre de limites physiques : la bande passante, densité modale, vitesse d'évolution, Le contrôle modal autoadaptatif proposé s'avère robuste en performance et efficace lorsque la réactualisation est systématique. Une variante conditionnelle, toujours basée sur l'analyse de la réponse de la structure, est enfin proposée pour optimiser le processus de réactualisation afin de suivre plus efficacement les évolutions.

Les vibrations de flexion des structures minces sont étroitement liées au rayonnement sonore et à l'endommagement des structures. Ainsi, des méthodes de modélisation des vibrations et des techniques d'amortissement sont indispensables dans divers domaines scientifiques et techniques. La première partie de la thèse traite du développement d'un modèle des vibrations de flexion de plaques minces polygonales excitées ponctuellement, basé sur la méthode des sources image. Le modèle développé permet de prédire les vibrations d'une plaque et d'un assemblage de plaques dont la géométrie et les conditions aux limites sont arbitraires. La particularité de la méthode est que la précision des simulations s'améliore avec la fréquence et l'amortissement structural, ce qui est contraire à la méthode des éléments finis ou aux méthodes dites modales. Un outil de mesure du module d'Young et du facteur d'amortissement de panneaux fortement amortis est également proposé. La deuxième partie de la thèse traite de l'amortissement des vibrations par l'effet de ``trou noir acoustique''. La célérité des ondes de flexion dépend de l'épaisseur de la structure dans laquelle elles se propagent. Ainsi, une onde se propageant dans une plaque d'épaisseur décroissante ralentit et, dans certaines conditions, peut s'arrêter complètement. Un modèle est développé, permettant d'estimer les valeurs optimales des paramètres des matériaux utilisés afin de maximiser l'amortissement. Les résultats numériques, ainsi que des études expérimentales, montrent une réduction de niveau vibratoire atteignant 20 décibels
Flexural vibrations of thin structures are strongly related to sound radiation and structural damage, for which they deserve careful attention in many domains of science and engineering. Two aspects of crucial importance are the development of accurate tools for the prediction and analysis of vibrations and efficient vibration damping. In the first part of the thesis, a model of the flexural vibrations of thin convex polygonal plates based on the image source method is presented. The developed approach allows to predict the vibrations of individual plates and plate assemblies of arbitrary convex polygonal geometry and having arbitrary boundary conditions. The method is particularly suitable for mid- and high-frequency dynamics, in that its accuracy is improved with an increase in frequency or structural damping. A tool for estimating the Young's modulus and structural damping ratio of highly damped flat panels is also proposed. The second part of the thesis concerns vibration damping using the acoustic black hole effect. It is weel-known that a flexural wave travelling in a thin plate or beam slows down in a zone of decreasing thickness. Thus, if the thickness decreases sufficiently smoothly to zero, the wave stops travelling, without being reflected back. Such is the principle of the so-called acoustic black hole effect. A model of the flexural vibrations of such profile is proposed, allowing to determine optimal geometrical and material properties in order to maximise vibration damping. Simulated and measured responses show a reduction of vibration level up to 20 decibels

Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) sensors are used in an increasing range of applications such as inertial guidance or automotive safety systems, in which damping has a significant and negative effect on the device performances. Support loss, which governs the losses from the resonator to its foundation through the supporting structure, is an important source of damping in MEMS resonators. This thesis focuses on improving an understanding of this particular damping mechanism so that efficient models can be developed to predict the amount and relative importance of support loss at the design stage. The coupling between resonator and support is of principal interest to evaluate the interaction and energy transmission between them. To quantify the stresses acting on the support, a model that predicts vibration transmission through common MEMS structures is first developed. A general wave propagation approach for the vibration analysis of networks consisting of slender, straight and curved beam elements and complete ring is presented. The analysis is based on a ray tracing method and a procedure to predict the natural frequencies and mode shapes of complex ring/beam structures is demonstrated. An analytical method is then used to model the support, approximated to a semi-infinite domain, and quantify support losses. The work focuses mainly on in-plane vibrations for single-axis gyroscopes. However, new generation of multi-axis resonators is being currently developed, and the in-plane models are extended to cope with out-of-plane vibration transmission and support loss. To illustrate the effectiveness of the models, several numerical examples are presented, by applying them first to simple beam-like structures and subsequently to structures of increasing complexity. Strategies for improving the quality factor of common MEMS sensors, and specific ring-based resonators designs that minimise support losses, are also considered.

Malgré d’excellentes propriétés mécaniques dans le plan, les stratifiés présentent un problème propre aux matériaux réalisés par stratification : le délaminage.Ainsi, ce travail de thèse a pour objet d’analyser le comportement en statique, en fatigue et en vibration linéaire et non linéaire des matériaux composite en présence d’endommagement de type délaminage. Dans ce but nous avons, dans un premier temps mis en place un modèle analytique simplifié, permettant de décrire le comportement élastique en flexion du composite multicouche en fonction de la longueur du délaminage.Une étude expérimentale détaillée a été menée pour caractériser le comportement mécanique en statique et en fatigue de ces matériaux. Des essais ont été conduits en flexion 3-points sur des poutres de ces matériaux pour plusieurs longueurs de délaminage. Ensuite, le comportement en vibration de ces matériaux a été étudié dans le cas de la flexion de poutres. Nous nous sommes intéressés à l’identification de l’amortissement et des propriétés élastiques de ces matériaux et à leur évolution en fonction de la longueur du délaminage.L’étude expérimentale de la réponse en fréquence à une excitation forcée a permis de mesurer les fréquences propres et les amortissements de ces matériaux autour de chaque pic de résonance pour plusieurs longueurs de délaminage. Les résultats déduits de l’analyse expérimentale ont été comparés aux résultats obtenus à partir d’une analyse par éléments finis. Enfin, une méthode de vibration non linéaire a été appliquée pour caractériser le comportement des matériaux composites en présence de délaminage. Les paramètres non linéaires relatifs au décalage fréquentiel et à l’amortissement sont mesurés en faisant varier l’amplitude d’excitation. Cette étude a permis de montrer que les paramètres non linéaires sont plus sensibles au délaminage que les paramètres linéaires
The aim of this work is to investigate the effects of delamination lengths on the static, fatigue, linear and nonlinear vibration behaviour of composite materials. An analytical model is first presented using laminated beams theory of bending behavior. A study was conducted in static and cyclic fatigue loading with various debonding lengths. Flexural modulus in static tests was determined using the composite plate theory. The effects of delamination lengths on the stiffness, hysteresis loops and damping were studied for various numbers of cycles during fatigue tests. Then, modeling of the damping of a composite with delaminaton was established considering finite element analysis which evaluated the different energies dissipated in the material directions. The effects of delamination variable lengths on natural frequencies and damping were studied numerically and compared with experimental results. Finally, the nonlinear vibration method was used to characterize the behaviour of composite beams with delamination. The nonlinear parameters corresponding to the elastic modulus and damping were determined for each frequency mode and each debonding length. The results showed that nonlinear parameters were much more sensitive to damage than linear parameters

Sous l’action d’une excitation ultrasonore spécifique, les microbulles d’agents de contraste présentent des oscillations non linéaires. Considérant leur taille et la complexité du phénomène, des expériences et/ou des simulations complexes et onéreuses sont requises. Pour éviter cela, l’utilisation d’une analogie est proposée et validée numériquement. Lorsqu’elles sont soumises aux ultrasons, les microbulles (1-8 µm) présentent une dynamique assez riche et néanmoins complexe dont certains aspects peuvent être décrits par un réseau d’oscillateurs couplés non-linéaires. Dans cette thèse, nous proposons d’étudier le comportement oscillatoire d’une microbulle via un système acousto-mécanique de pendules couplés paramétriquement excités par une force verticale. Il s’agit de comprendre la dynamique d’une bulle unique pour l’étudier ensuite dans des conditions expérimentales et cliniques pour des applications en imagerie et en thérapie. Du point de vue théorique, nous avons montré que les deux systèmes sont décrits par une équation de Mathieu. D’un point de vue expérimental, nous avons développé la chaîne de pendules. Celle-ci consiste en un cercle d’aluminium sur lequel sont fixés des pendules à l’aide de fil de nylon. La chaîne de pendules repose sur le système d’excitation qui génère une excitation sinusoïdale variant de 1 Hz à 5 Hz. Les résultats obtenus (modes de vibration, oscillation sous-harmonique, oscillation radiale) ont été validés par une étude numérique et sont en accord avec les résultats obtenus pour les microbulles
Under specific ultrasound excitation, contrast microbubbles undergo nonlinear oscillations. Considering the size and the complexity of the phenomenon, expensive and complex experiments and/or simulations are required. To overcome this, the use of an analogy is proposed and validated numerically. When subjected to ultrasound, microbubbles present a fairly rich and complex dynamics of which some aspects can be described by a lattice of nonlinearly coupled oscillators. In this thesis, we propose to study the oscillatory behavior of a microbubble through an acousto-mechanical setup of coupled pendula parametrically excited by a vertical force. The aim of this work is to understand the dynamics of a single bubble, to subsequently study it in experimental and clinical conditions for both imaging and therapy. From the theoretical point of view, we have shown that both systems are described by a Mathieu type equation. From the experimental point of view, we have developped the pendula ring. It consists of an aluminum ring on which pendula are fixed with nylon strings. The pendula chain lies on the excitation system that generate a sinusoidal excitation ranging from 1 Hz to 5 Hz. Results obtained (vibration modes, subharmonic oscillations, radial mode) are in agreement with simulations and are similar to the results obtained for microbubbles

Les systèmes VHMS (Vibration Health Monitoring System) installés sur les hélicoptères ont un rôle stratégique pour augmenter la sécurité en vol des opérateurs et passagers. Ces systèmes consistent à enregistrer des données opérationnelles en vol, en particulier de nature vibratoire, et à surveiller l’intégrité des ensembles mécaniques par le biais d’indicateurs issus du traitement des signaux. Le principe de base se fonde sur le postulat que l’apparition d’un mode de défaillance engendre une évolution caractéristique des valeurs des indicateurs. Une limite rencontrée par les systèmes VHMS est cependant liée à la forte dépendance des indicateurs aux conditions de vol qui, pour les hélicoptères, sont susceptibles de varier rapidement et de manière complexe. Ces variations, aujourd’hui difficilement maîtrisées, peuvent masquer la signature d’une défaillance mécanique. Il en résulte donc une ambigüité sur l’interprétation de l’origine d’évolution observée des indicateurs. Dans ce manuscrit, des méthodes de normalisation sont développées permettant d’estimer des indicateurs vibratoires normalisés, c’est-à-dire insensibles aux conditions de vol. Dans un premier temps, une revue des méthodes de normalisation couramment utilisées dans la littérature est présentée. Dans un deuxième temps, un cadre statistique paramétrique modélisant les indicateurs vibratoires est proposé et repose sur des modélisations cyclostationnaires du signal vibratoire. Ce cadre paramétrique sera utilisé pour construire deux approches de normalisation des indicateurs vibratoires. La première basée sur le clustering-classification permettant de lier les phases de vol de l’hélicoptère à la statistique de l’indicateur vibratoire. Puis, une deuxième basée sur la régression de paramètres de distributions de quantile conditionnées sur les paramètres de vol expliquant la variabilité des indicateurs de santé. En parallèle, une étude de sensibilité permettant d’identifier ses paramètres de vol est menée
The VHMS (Vibration Health Monitoring System) installed on helicopters plays a strategic role in increasing the safety of operators and passengers during flight. These systems consist of recording operational data during flight, particularly vibration-related data, and monitoring the integrity of mechanical components through indicators derived from signal processing. The basic principle is based on the assumption that the appearance of a failure mode generates a characteristic evolution of indicator values. However, one limitation of VHMS systems is the strong dependence of indicators on flight conditions, which can vary rapidly and complex for helicopters. These variations, which are difficult to control, can mask the signature of a mechanical failure, resulting in ambiguity in interpreting the origin of the observed indicator evolution. In this manuscript, normalization methods are developed to estimate normalized vibration indicators, which are insensitive to flight conditions. First, a review of normalization methods commonly used in the literature is presented. Second, a parametric statistical framework modeling vibration indicators is proposed based on cyclostationary modeling of the vibration signal. This parametric framework will be used to construct two approaches to normalizing vibration indicators. The first approach is based on clustering-classification, linking the helicopter flight phases to the statistics of the vibration indicator. Then, a second approach is based on the regression of quantile distribution parameters conditioned on flight parameters that explain the variability of health indicators. In parallel, a sensitivity analysis is conducted to identify these flight parameters

L'os humain est à la fois un matériau (tissu osseux) et une structure (e. G. , le fémur). Les traumatismes engendrent des défaillances (fractures) structurelles évidentes de l'os, mais l'intégrité mécanique de celui-ci peut aussi être atteinte d'une manière insidieuse, et non moins dangereuse, par certaines maladies. Très schématiquement, on peut dire que les traumatismes sont la cause de macrofractures (à la structure-os), et les maladies la cause de microfractures (du matériau-os). Celles-ci se développent progressivement en macrofractures, et si des soins ne sont pas prodigués ou efficaces, l'os perd sa fonction de soutien. Cette thèse concerne essentiellement une des maladies de l'os : l'ostéoporose. Pour traiter cette maladie, et/ou prévenir les macrofractures dont elle est à terme la cause, il faut d'abord en faire le diagnostic. Ce problème est compliqué du fait qu'il s'agit d'une caractérisation (essentiellement mécanique) de matériau vivant et qu'il est impératif que le sondage soit de type non-destructif, surtout si l'examen doit se répéter souvent (notamment pour suivre les progrès d'un traitement). Le travail de cette thèse concerne donc le développement de nouvelles méthodes, et/ou l'amélioration de méthodes plus anciennes relatives à l'évaluation non-destructive (END) d'altérations mécaniques du tissu osseux en rapport avec l'ostéoporose. Comme l'END est aussi un terme employé pour la caractérisation de matériaux inertes, le domaine d'application de ce travail dépasse celui des matériaux vivants
The human bone is both a material (bone tissue) and a structure (e. G. The femur). Trauma often generates structural failure (fractures) of the bone, but its mechanical integrity can also be affected in an insidious manner, and not the less dangerous, by certain diseases. Very schematically, one can say that trauma is the cause of macrofractures (to the bone structure), and diseases cause of microfractures if no treatment (of the bone material) is undertaken. The microfractures develop gradually into macrofractures, or if the treatment is not effective, the bone loses its function of support. This thesis relates primarily to one of the diseases of bone : osteoporosis. To treat this disease, and/or to prevent the macrofractures of which it is in the long term the cause, it is initially necessary to make its diagnosis. This problem is complicated owing to the fact that it is about characterization (primarily mechanical) of living material (biological tissue) and that it is imperative that the probe be of nondestructive type, especially if the examination must be repeated often (in particular to follow the progress of a treatment). The work of this thesis thus relates to the development of new methods, and/or improvement of more older methods relating to the nondestructive evaluation (NDE) mechanical deteriorations of bone tissue in connection with osteoporosis. As the NDE is also a term employed for the characterization of inert material, the applicability of this work's framework exceeds that of living tissue

Le phénomène de vibration offre deux facettes dans le monde sportif. Bien maîtrisé, il peut être bénéfique pour le renforcement musculaire, pour la rééducation mais dans le cas contraire ce phénomène engendre des effets délétères pour le corps humain. Ces effets délétères dépendent de la nature de la vibration mais aussi de son environnement de propagation, structural ou humain. Les vibrations ressenties par l'homme ne peuvent pas, le plus souvent, être découplées de l'analyse de mouvement et de l'analyse de la fatigue musculaire. Ainsi cette thèse s'inscrit autour de trois notions : la vibration, le mouvement et la physiologie. L'objectif est de définir les caractéristiques de performance et de santé à travers l'étude de la réponse vibro dynamique et physiologique du corps humain
Vibration phenomenon presents two faces in the sports world. Got under control ; it can be useful in body and muscle building and muscle re-education ; otherwise this phenomenon leads deleterious consequences for the human body. These deleterious effects depend on the vibration nature but also of its propagation background : structural or human. Usually, the vibration suffered by the human body cannot be decoupled either the motion analysis or the analysis of muscular fatigue. This topic research is based in three notions : vibration, motionand the physiologie. The aim of this work will be to define the characteristics of performance and health through the study of the dynamical and physiological response of the human body

Cette recherche porte sur le développement d’un modèle de structure de géométrie complexe équipée de composants à comportement non linéaire viscoélastique dans le but de simuler sa réponse à des excitations définies par des densités spectrales de puissance (DSP). L’application industrielle concerne l’isolation vibratoire d’un module de refroidissement automobile monté sur plot de suspension en élastomère. Une revue du comportement des élastomères en fonction de leurs conditions d’environnement et de sollicitations identifie les paramètres des différents modèles analysés. Des essais préliminaires ont été menés pour définir les intervalles des niveaux de sollicitations et quantifier l’échauffement des plots. La caractérisation expérimentale de la suspension porte sur des plots en élastomère munis de leurs interfaces afin d’agréger dans un seul modèle les non linéarités du comportement viscoélastique, des glissements et des frottements. Les boucles effort-déflexion axiales et radiales mesurées sont traitées avec un système expert développé spécialement pour caler les paramètres du modèle retenu. Il s’agit du modèle de Dahl généralisé qu’il a fallu étendre aux aspects viscoélastiques. Ce processus de calage automatique a été codé avec un logiciel développé sous Octave/Matlab. Des méthodes d’interpolations et extrapolations rendent opérationnel ce modèle sur toute la gamme fonctionnement de l’application définie dans l’espace fréquence-déflexion. Ce processus a été codé dans le module UserSubroutine pour Abaqus. Soumettre le système mécanique non linéaire à des excitations définies par une DSP nécessite de s’appesantir sur le traitement des vibrations aléatoires. En effet il faut, pour calculer les réponses, considérer le passage fréquence-temps et inversement pour les comparer éventuellement aux exigences des normes. De plus, la taille et la complexité du modèle EF de la structure industrielle rendent impossible une résolution temporelle sur l’ensemble de ses degrés de liberté. Il s’agit alors de faire appel à des techniques d’homogénéisation et de condensation dynamique afin de prévoir la réponse aux excitations à large bande fréquentielle dans le but d’analyser les performances de l’isolation vibratoire
This research work regards the development of a complex structure model with non-linear viscoelastic components. The purpose of this study is to simulate the response of this structure submitted to a random vibration excitation based on a power spectral density definition (PSD). The industrial applicative case is the vibratory insulation of a automotive engine cooling module supported by elastomer mounts. A brief review of elastomers behavior depending on solicitations types enables to identify the parameters of the different investigated models. Preliminary tests have been conducted to define the range of amplitudes of excitations and evaluate the internal warming of rubbers during the full structure validation test. The experimental characterization of the suspension is based on rubbers mounts and their interfaces with the cooling module, in order to take into account in a unique model all nonlinearities due to the viscoelastic behavior, the slidings, and the friction. Measured force-deflection hysteretic cycles in axial and radial direction are post-processed with an expert system developed to obtain the parameters of the retained model: the modified Dahl’s model, generalized to viscoleastic aspect. This process has been developed with Octave/Matlab code. Interpolation and extrapolation methods enable to obtain a good model response on the global operating range. These methods have been coded in an Abaqus UserSubroutine. Imposing random vibration excitation of a non linear mechanical system based on PSD imposes to take into account signal processing aspects. To evaluate response levels versus norms requirements, it’s mandatory to consider the time-frequency transfer. In addition, the size and the complexity of the total finite element model of the industrial structure don’t allow a global resolution in the time domain for all the degrees of freedom. Homogenization and dynamic reduction techniques are used to evaluate the response of the system submitted to large frequency range excitations, and to analyse the behavior of the suspension

Dans le cadre de l'étude des vibrations de structure assemblées excitées par une sollicitation stationnaire ou instationnaire, deux démarches différentes mais complémentaires ont été adoptées- l'une s'appuie sur le développement d'un problème énergétique moyennes fréquences comportant une équation simplifiée du second ordre que suit une variable énergétique moyennée dans l'espace et en fréquence et les conditions aux discontinuités lui étant associées. Ce développement est effectué dans le cas de deux poutres couplées et met bien en évidence l'importance des moyennes pour la simplification du problème. Une brève généralisation est faite au cas bidimensionnel avec une plaque simplement appuyée. Le' caractère quelconque de l'excitation est pris en compte par la recherche d'un résultat dans le domaine temporel, grâce, d'une part à la reconstruction d'une phase, et d'autre part à une hypothèse de décroissance exponentielle. -la deuxième démarche forme une référence pour la première, de par le caractère plus exacte de sa résolution : le problème de deux poutres couplées est ainsi traité par décomposition géométrique de l'assemblage puis modélisation des structures isolées par des admittances impulsionnelles. Ceci permet finalement d'obtenir les efforts de couplage à la jonction, grâce à diverses méthodes de résolution que l'on décrit et compare numériquement: intégration numérique directe, transformation de Fourier inverse et méthode de type Galerkin
The study of vibration of assembled structure excited by stationary or non stationary forces is made through two different but complementary procedures: -The first one is based on the development of an energetic approach in the mid-frequency range, which consists of a simplified second order equation in terms of an energetic space- and frequency- averaged quantity and the associated conditions at the discontinuities. This development is applied to the case of two damped coupled beams and emphasis is placed on the influence of the averages for the simplification of the problem. A brief generalization is made for two dimensional systems such as s1mply supported plates. As the excitation can be either stationary or non-stationary, one cane calculate another energetic value domain, firstly through the construction of an approximate phase and secondly through the assumption of an exponential decay of energy with time. - The second procedure is more exact and is thus used as a reference for the first one, i. E. , the problem of two coupled beams is solved by geometrical decomposition of the assembly and modelling of the isolated structures by impulse admittances. This allows one to obtain the coupling moments at the junction using different solution methods that are described and numerically compared: direct numerical integration, inverse Fourier transform and a method of the Galerkin type

Les travaux présentés s'intègrent dans le cadre de la surveillance vibratoire des transmissions mécaniques d'hélicoptère. Après une présentation des principes généraux de l'analyse vibratoire et des différentes méthodes de diagnostic associées, une nouvelle méthodologie de diagnostic automatisable est défini. Cette démarche est matérialisée par une application informatique permettant d'effectuer un diagnostic vibratoire manuel ou automatique. La procédure d'étude de données est décrite avec les fonctionnalités du logiciel associées. Enfin une recherche sur les possibilités de modélisation permettant d'améliorer les capacités de diagnostic est présentée. Elle s'articule autour de deux axes : la vision statistique des indicateurs vibratoires et la modélisation mécanique des efforts dynamiques des transmissions de puissance
The presented works become integrated within the framework of the vibratory surveillance of the mechanical transmissions of helicopter. After a presentation of the general principles of the vibratory analysis and the various associated methods of diagnosis, a new methodology of automatic diagnosis is defined. This method is realized by a computer application allowing to make a manual or automatic vibratory diagnosis. The procedure of study of data is described with the features of the software associated. Finally a research on the possibilities of modeling allowing to improve the capacities of diagnosis is presented. It articulates around two axes: the statistical vision of the vibratory indicators and the mechanical modeling of the dynamic efforts

This thesis deals with the tribological and dynamic aspects of tactile perception given by the scanning of the finger on a surface. The attention is focused on a direct analysis of the vibration spectrum characteristics, induced by the surface features that is a relatively new research field. In fact, it is accepted that vibrations activate the tactile afferents and their essential role for the perception of fine textures (duplex theory of tactile texture perception) but it is still unknown the link with the surface texture characteristics and the features of the induced vibration spectra. The work is aimed to contribute to a better understanding of the mechanisms of the tactile sense, that is basilar for manifold different applications: textile quality quantification, ergonomics of everyday objects (which largely affects their commercial competitiveness), identification of surface imperfections, the design of tactile communication devices, the development of artificial tactile sensors for intelligent prostheses or robotic assistants, the development of human-machine interfaces for interaction with virtual realities or teleoperation systems, such as for telediagnosis or microsurgery, reproducing real perception (virtual reality), increasing the human perception (augmented reality), development of tests for evaluation of tactile sensitivity during diagnosis or monitoring process in rehabilitation. The study of a finger that moves on a surface involves different difficulties that are related to the material characteristics and to the measurements themselves. For these reasons, a new experimental set-up, named TriboTouch, has been developed to reproduce the finger/surface scanning phenomena under real values of the contact feature (scanning velocity and amplitude, surface roughness, etc..), avoiding undesired vibrations. The test bench has been designed to guarantee the measurements reproducibility and to perform measurements without introducing external noise. The set-up permits to carry out both measurements of the global dynamics and local ones (at the contact zone) employing a silicone fake finger. In the presented analysis, the behavior of the right hand index finger scanning on the surface sample with periodical and isotropic roughness and on textiles has been investigated for different scanning speed, highlighting the role of fingerprints A simple numerical model have been developed for reproducing the behavior of the induced vibrations when sliding two periodical surfaces and the numerical results have been compared with the experimental ones. The presented work has shown the possibility to obtain objective indexes for the tactile perception characterization, by means of the friction induced vibration spectrum analysis, in agreement with the neurophysiological studies present in literature.

Ces travaux de thèse se situent dans le cadre du développement et du transfert industriel de la méthode de mesure de l’état de surface par analyse vibratoire d’un tribomètre de type « lamelledisque » baptisé « MODALSENS ». L’étude des modes de vibration tant sur le plan énergétique que fréquentielle fournit des critères où la rugosité, l’adhésion et la compressibilité sont mêlées. Dans un premier temps, le te travail a consisté à faire le point sur les interactions frottement / vibrations, phénomène typique sur lequel s’appuie la technologie étudiée. En effet, la lamelle étudiée est fortement sujette au « stick slip ». Une approche expérimentale a permis de comparer, sur la base d’un échantillonnage varié de surfaces, les techniques de mesure conventionnelles et MODALSENS. En comparant les méthodes de référence et MODALSENS il a pu être vérifié que les différences entre les conditions géométriques, statiques et dynamiques des contacts rendent difficilement possible des corrélations entre les résultats obtenus. Une modélisation de la surface et de la lamelle MODALSENS s’est montrée indispensable pour comprendre et expliquer le principe même de l’interaction entre la lamelle vibrante de MODALSENS et la surface à analyser. Enfin, pour mieux visualiser les résultats expérimentaux, ceux-ci sont représentés sous la forme de graphiques tridimensionnels où sont portées la fréquence, l’énergie et la bande passante du mode étudié. Ainsi, les interprétations des résultats de mesure de MODALSENS (fréquences, énergies et amortissements des modes 1 et 3) sont aujourd’hui réalisées
These work lie in the development and transfer of an industrial method of measuring of the surface state by the vibrating analysis of a blade-disc tribometer "named" MODALSENS. " The study of the modes of vibration (frequency and energy) provides criteria where roughness, adhesion and compressibility are mixed. As a first step, the work has been to take stock of the interactions friction / vibration typical phenomenon which relies on the technology studied. Indeed, the blade is considered highly sensitive to "stick slip. " An experimental approach has led to compare, on the basis of a varied sampling of surfaces, conventional measurement techniques and MODALSENS. By comparing the reference methods and MODALSENS it has been showed that the differences between the geometric, static and dynamics conditions of contacts make hardly possible correlations between the results obtained. A model of the surface and the MODALSENS blade was essential to understand and explain the principle of interaction between the surface to be analyzed and the vibrating blade of MODALSENS. Finally, to better see the experimental results, they are represented in the form of three-dimensional graphs which contain the frequency, energy and bandwidth mode studied. Thus, interpretation of results measurement of MODALSENS (frequencies, energies and damping of modes 1 and 3) are now made

La thèse a pour objectif de définir les principes et les approches d’une mise en œuvre pratique des capteurs de vibrations pour l’évaluation dynamique des structures, notamment la détection d’endommagements. L’idée générale est d’étudier les combinaisons instrumentation/méthode de détection. Ainsi, une étude numérique de sensibilité de différentes méthodes de détection et de localisation d’endommagement utilisant les paramètres modaux (essentiellement fréquences propres et déformées modales) a été réalisée en fonction du type de capteur utilisé, du nombre de capteurs, de la sévérité du défaut et de la dispersion des paramètres modaux. Le cas d’application choisi est celui d’une poutre en aluminium bi-encastrée. Un panorama des capacités de chacune des méthodes pour l’évaluation dynamique des ouvrages a ainsi pu être dressé. Dans l’ensemble, l’application des méthodes de détection d’endommagement a fourni de meilleurs résultats à partir de jauges de longue base de mesure. Une méthode développée au sein de l’équipe Dynamique, appliquée numériquement et expérimentalement, a également permis de localiser un défaut de masse et/ou de rigidité ainsi que de quantifier ces changements
The aim of the thesis is to define principles and approaches of a practical implementation of vibration sensors for dynamic monitoring of structures, specially damage detection. The general idea is to study the combinations instrumentation /detection method. Thus, a numerical sensitivity study of different damage detection and localization methods using modal parameters (mainly natural frequencies and mode shapes) was performed according to the type of sensor used, to the number of sensors, to the severity of the damage, and to dispersion of modal parameters. The case-study is conducted on an aluminium clamped-clamped beam. A panorama of the capacity of each method for dynamic assessment of structures has been presented. Overall, long base strain gauges provide better results for damage detection methods. A method developed in the Dynamic group applied to numerical and experimental data, is able to locate mass and/or flexural rigidity modifications and to quantify these perturbations

Dans le domaine de la construction, le béton constitue le matériau le plus consommé. Afin de favoriser le remplissage des coffrages in situ, les bétons sont liquéfiés ponctuellement suite à l'insertion successive d'une aiguille vibrante. Malgré l'arrivée sur le marché des bétons très fluides à auto-plaçant, les bétons ordinaires représentent plus de 90% des formulations employés sur les chantiers. Cependant, les recommandations traditionnelles actuelles se basent sur des études établies au cours de la première moitié du siècle dernier. Ainsi, nous choisissons de les revisiter afin d'incorporer les progrès actuels sur la rhéologie des matériaux cimentaires. A partir d'une étude de la littérature, nous établissons les liens entre les caractéristiques mécaniques des matériels vibrants et le comportement en écoulement des bétons. Puis, dans le chapitre deux, nous mettons en évidence pour quelles consistances de matériau la vibration est réellement nécessaire. Par la suite, nous développons un modèle analytique simple afin de prédire le diamètre d'action d'un vibreur et nous le comparons à deux configurations de mises en œuvre. Enfin, nous proposons un temps minimal de vibration nécessaire au compactage du matériau et un temps maximal afin d'assurer un parement de qualité
In the field of construction, concrete is the most used material. In order to facilitate the casting process, concretes are liquefied punctually following the successive insertion of an internal vibrating poker. Despite the introduction of very fluid to self-compacting concrete, ordinary concrete represents more than 90% of the mix-design used on building sites. However, international recommendations are based on studies carried out during the first half of last century. Thus, we choose to investigate theses recommendations in order to incorporate the current progress on the rheology of cementitious materials. From a study of the literature, we establish the relationship between the mechanical properties of vibrating poker and the fresh behavior of concrete. Then, in chapter two, we determine, for which consistency, the vibration is really needed. Thereafter, we develop a simple analytical model to predict the diameter of action of internal poker and we compare two configurations of casting. Finally, we propose a minimum time of vibration required for compaction of the material and a maximum time to ensure a surface quality

Ce travail a pour objectif d’analyser le comportement en vibrations libres de composites stratifiés à fibres hybrides en utilisant d’une part, une théorie d’ordre élevé à quatre variables qui prend en considération l’effet de cisaillement transverse lors du calcul des déformations ; et d’autre part une analyse par la méthode des éléments finis. L’équation du mouvement de la plaque stratifiée est obtenue en utilisant de principe d'Hamilton. Les expressions mathématiques sont obtenues en utilisant la solution de Navier pour différentes conditions aux limites. Afin de valider les modèles proposés nous avons d’abord comparé nos résultats avec des modèles existants dans la littérature pour les matériaux non hybrides. Les modules élastiques de la plaque hybride sont calculés en utilisant la loi des mélanges. Ensuite, nous avons étudié les effets des dimensions de la plaque, de la fraction volumique et du type de fibres, de la position des couches (pour le cas de l’hybridation intercouche) ainsi que les conditions aux limites sur les fréquences fondamentales des plaques composites hybrides. Comme il n’y a aucune donnée disponible dans la littérature pourles plaques composites hybrides, la solution en éléments finis a été utilisée pour valider les résultats obtenus par la théorie d’ordre élevé. Les résultats montrent la bonne précision de la solution analytique proposée pour la prévision des fréquences fondamentales des plaques stratifiées hybrides. Comme les conditions hygrothermiques généralement dégradent la rigidité des structures, nous avons étudié les effets de température et de l’humidité sur la stabilité des plaques composites hybrides et non hybrides. Les résultats obtenus pour les fréquences fondamentales montrent que les conditions hygrothermiques affectent le comportement des plaques composites mais à moindre échelle
The aim of this work is to analyze the vibration behavior of hybrid fiber composite laminates by using, on the one hand, the fourvariable high order theory taking into account the transverse shear effect for strain calculation; and on the other hand by the finite element method analysis. The equation of motion of the laminated plate is obtained using Hamilton's principle. The mathematical expressions are obtained using the Navier solution for different boundary conditions. In order to validate the proposed models, we compared our results with existing models in the literature for non-hybrid composites. The elastic moduli of the hybrid plate were calculated using the law of mixtures. Then, we studied the effects of the plate dimensions, the volume fraction, the type of fiber, the position of layers (in the case of interlayer hybridization) on the fundamental frequencies of hybrid composite plates.Since, there is no data available in the literature for hybrid composite plates, the finite element solution is used to validate the results obtained by the high order theory. The results show good accuracy of the proposed analytical solution for the prediction of the fundamental frequencies of hybrid stratified plates. Hygrothermal conditions generally degrade the rigidity of structures, we studied the effects of temperature and humidity on the stability of hybrid and non-hybrid composite plates. The results obtained for the fundamental frequencies show that the hygrothermal conditions can affect the behavior of composite plates but with a lesser effect

Dans le cadre de la maintenance conditionnelle, l'analyse vibratoire temporelle repose sur 50 ans d'expérience et jouit, de fait, d'une représentativité importante dans le secteur éolien. Cette analyse, appliquée sous des conditions de fonctionnement non stationnaires, fait néanmoins preuve d'un manque de précision dans la détection de défauts mécaniques. Afin de synchroniser l'échantillonnage avec les défauts des éléments tournants de la ligne d'arbre, il est alors nécessaire de s'appuyer sur une discrétisation angulaire du vecteur d'information. L'objet de cette étude est le développement d'un outil de surveillance disposant de cette qualité et s'appuyant sur les variations que présente la vitesse instantanée de la machine tournante pour évaluer l'état des éléments tournants. La vitesse angulaire instantanée, associée à l'analyse spectrale, est assujettie à des perturbations dont les origines sont identifiées et les influences quantifiées. Ainsi, il est envisageable de dimensionner un système de mesure en fonction des caractéristiques de la chaîne cinématique sous surveillance. Ce document propose également plusieurs outils de traitement originaux qui permettent, sous des conditions de fonctionnement non stationnaires, d'améliorer suffisamment l'observation pour que l'utilisation d'un seul capteur soit envisageable pour assurer la surveillance de la ligne d'arbre dans sa totalité. Ces outils mettent en exergue la dualité temporelle angulaire de la surveillance de machines tournantes et tirent parti des conditions de fonctionnement non stationnaires par la connaissance de la vitesse instantanée. Les procédés d'acquisition combinés aux outils de traitement sont mis à l'épreuve sur plusieurs banc d'essais. Sensible au degrés de désalignement, au type de défaut d'engrènement et à la gravité d'un écaillage, la vitesse angulaire instantanée est dorénavant une alternative confirmée à la surveillance vibratoire, même angulaire. Une vaste campagne de mesures a été lancée en parallèle et en continu sur une éolienne dans l'objectif ambitieux de mettre en place un procédé de pronostic. Les diverses conditions de fonctionnement sont prises en compte par une approche statistique permettant d'utiliser avantageusement leurs influences sur les mesures qui en sont issues. Ces travaux constituent une première étape dans la réalisation d'un modèle de surveillance multi-niveau adapté aux machines à fonctionnement variable dont les éoliennes sont un parfait exemple de complexité
The overall background for the thesis is the need to develop new methods for monitoring machines subject to nonstationary operating conditions of speed and load, as typified by wind turbines. This has become particularly important because of the increasing prevalence of wind turbines for the sustainable supply of electrical power. Because of the cost of installing and maintaining wind turbines, often situated in remote areas and increasingly used off-shore, it has become imperative to use the most up-to-date monitoring methods to avoid unforeseen failure. For the same reason there has been a tendency to increase the size of individual units, but this gives problems for the transmissions used to convert the low speed input at a fraction of a Hz to the speed of conventional generators in the range 16-30 Hz or so. The power delivered by a turbine is proportional to the square of its diameter, but the input torque is proportional to the cube, and a large part of the cost of the gearbox is related to the torque. Anecdotally, this appears to have resulted in a situation where many transmissions are failing in a shorter time than their design life, and this means not only that their design must be improved, but also that they must be monitored more closely than many other machines, to detect and diagnose incipient faults at the earliest possible stage. The thesis seeks to help to redress the situation by proposing a number of innovative methods to improve the detection and diagnosis of faults in machines with variable speed and load, and especially wind turbine transmissions, not only to make the monitoring more efficient, but also more economical

The aim of the thesis is to propose active damping as a potential control strategy for chatter instability in machine tools.

The regenerative process theory explains chatter as a closed loop interaction between the structural dynamics and the cutting process. This is considered to be the most dominant reason behind machine tool chatter although other instability causing mechanisms exist.

The stability lobe diagram provides a quantitative idea of the limits of stable machining in terms of two physical parameters: the width of contact between tool and the workpiece, called the width of cut and the speed of rotation of the spindle. It is found that the minimum value of the stability limit is proportional to the structural damping ratio for turning operations. This important finding provides the motivation of influencing the structural dynamics by active damping to enhance stability limits of a machining operation.

A direct implementation of active damping in an industrial environment may be difficult. So an intermediate step of testing the strategy in a laboratory setup, without conducting real cutting is proposed. Two mechatronic "Hardware in the Loop" simulators for chatter in turning and milling are presented, which simulate regenerative chatter experimentally without conducting real cutting tests. A simple cantilever beam, representing the MDOF dynamics of

the machine tool structure constitutes the basic hardware part and the cutting process is simulated in real time on a DSP board. The values of the cutting parameters such as spindle speed and the axial width of cut can be changed on the DSP board and the closed loop interaction between the structure and the cutting process can be led to instability.

The demonstrators are then used as test beds to investigate the efficiency of active damping, as a potential chatter stabilization strategy. Active damping is easy to implement, robust and does not require a very detailed model of the structure for proper functioning, provided a collocated sensor and actuator configuration is followed. The idea of active damping is currently being implemented in the industry in various metal cutting machines as part of the European Union funded SMARTOOL project (www.smartool.org), intended to propose smart chatter control technologies in machining operations.
Doctorat en sciences appliquées
info:eu-repo/semantics/nonPublished

L’une des principales sources d’inconfort dans un hélicoptère sont les vibrations transmises par le rotor à la structure de l’appareil. En vol d’avancement, des efforts aérodynamiques cycliques sont subis par l’ensemble des pales en tête rotor et génèrent de très fortes vibrations basse fréquence (aux alentours des 17Hz) transmises aux passagers via la boîte de transmission principale puis le fuselage lui-même. Afin de garantir le confort des membres d’équipage et des passagers, de nombreux systèmes antivibratoires ont été conçus. Ces systèmes sont généralement passifs car la majorité de l’énergie vibratoire transmise à la structure se situe à une fréquence unique ωc correspondant à bΩ avec b le nombre de pales et Ω la fréquence de rotation du rotor. Cependant, les appareils modernes évoluent et le régime rotor jusqu’alors fixe durant toutes les phases de vol varie à présent pour des préoccupations de performances et de consommation (variation de l’ordre de +/-10% autour de bΩ). Cette nouvelle contrainte dans la conception des hélicoptères rend pertinente la technologie des systèmes antivibratoires actifs, pouvant s’adapter à la sollicitation en termes d’amplitude et fréquence. Lors de ces travaux de thèse, la suspension passive SARIB de Airbus Helicopters basée sur le principe du DAVI (Dynamic Antiresonant Vibration Isolator) est modifiée afin d’être rendue active par ajout d’une partie actuation/commande. La théorie des lois et algorithmes de contrôle utilisés dans ces travaux, est présentée en détail afin de poser solidement les bases du contrôle actif du prototype de suspension conceptualisé ici à savoir le contrôle FXLMS (adaptatif) et le contrôle optimal LQG. Afin de simuler le fonctionnement du système, un modèle tridimensionnel de la suspension active est construit, couplé à la structure souple de l’hélicoptère (NH90). Sur ce modèle sont alors appliquées les différentes lois de commande introduites auparavant et leurs performances comparées dans différents cas de chargement en tête rotor et surtout pour différentes fréquences de sollicitation. De même, pour chaque algorithme, différentes localisations des capteurs d’erreur sont étudiées afin de converger vers une configuration optimale. Les simulations démontrent que l’algorithme FXLMS feedforward est très bien adapté au contrôle des perturbations harmoniques et permet de réduire très significativement le niveau vibratoire du plancher cabine, sans réinjection parasite dans le reste de la structure. Une comparaison de l’efficacité du SARIB actif avec les systèmes d’absorbeurs en cabine est ensuite effectuée pour démontrer la pertinence d’utiliser le principe du DAVI comme base d’un système actif. Les travaux de cette thèse traitent également des essais réalisés en laboratoire sur le prototype échelle 1 de la suspension SARIB active avec contrôle FXLMS
One of the main causes of discomfort in helicopters are the vibrations transmitted from the rotor to the structure. In forward flight, the blades are submitted to cyclic aerodynamic loads which generate low frequency (around 17Hz) but high energy mechanical vibrations. These vibrations are transmitted from the rotor to the main gearbox, then to the structure and finally to the crew and passengers. In order to maintain acceptable comfort for crew members and passengers, a lot of antivibration devices have been developed since the last 30 years. These systems are generally passive because most of the mechanical energy transmitted to the structure is at only one frequency ωc which is equal to the product bΩ with b the number of blades and Ω the rotor rotational speed. However, modern helicopters evolve and the rotor rpm, which has always been considered as fixed during flight is now a function of time, depending on the flight phases in order to increase performances and reduce energy consumption (variation bandwidth of Ω +/- 10%). This new constraint on the design of helicopters makes the active antivibration technology completely relevant with its capacity to adapt in terms of amplitude and frequency to the perturbation. During this thesis, the passive suspension called SARIB from Airbus Helicopters, based on the DAVI principle (Dynamic Antiresonant Vibration Isolator) is modified in order to implement active components and command (actuation). The theory of the control algorithms used in this thesis is presented in detail in order to define the theoretical tools of the active DAVI control which are : FXLMS control (adaptive control) and LQG (optimal control). To simulate the complete system, a 3D multibody model of the active suspension has been set up, coupled to a the flexible structure of a NH90 (Airbus Helicopters). On this model are applied the different control algorithms presented before and their performances are compared for different loads with variable frequency on the rotor hub. In the same way, different locations for the error sensors in the structure are studied to find the optimal control configuration. The simulations show that the FXLMS algorithm is well suited for the control of harmonic perturbations and reduce significantly the dynamic acceleration level on the cabin floor, without parasite reinjection on other parts of the structure. A comparison of the active SARIB with classical cabin vibration absorbers is also made in terms of efficiency in order to show the advantages of using the DAVI system as a base for an active antivibration device. Finally, this thesis also presents the experiments realized in the dynamics laboratory of Airbus Helicopters on a 1:1 scale prototype of the active SARIB suspension with FXLMS control. The results demonstrate the efficiency of the active suspension architecture and control algorithms

Cette recherche porte sur le développement d’un modèle de structure de géométrie complexe équipée de composants à comportement non linéaire viscoélastique dans le but de simuler sa réponse à des excitations définies par des densités spectrales de puissance (DSP). L’application industrielle concerne l’isolation vibratoire d’un module de refroidissement automobile monté sur plot de suspension en élastomère. Une revue du comportement des élastomères en fonction de leurs conditions d’environnement et de sollicitations identifie les paramètres des différents modèles analysés. Des essais préliminaires ont été menés pour définir les intervalles des niveaux de sollicitations et quantifier l’échauffement des plots. La caractérisation expérimentale de la suspension porte sur des plots en élastomère munis de leurs interfaces afin d’agréger dans un seul modèle les non linéarités du comportement viscoélastique, des glissements et des frottements. Les boucles effort-déflexion axiales et radiales mesurées sont traitées avec un système expert développé spécialement pour caler les paramètres du modèle retenu. Il s’agit du modèle de Dahl généralisé qu’il a fallu étendre aux aspects viscoélastiques. Ce processus de calage automatique a été codé avec un logiciel développé sous Octave/Matlab. Des méthodes d’interpolations et extrapolations rendent opérationnel ce modèle sur toute la gamme fonctionnement de l’application définie dans l’espace fréquence-déflexion. Ce processus a été codé dans le module UserSubroutine pour Abaqus. Soumettre le système mécanique non linéaire à des excitations définies par une DSP nécessite de s’appesantir sur le traitement des vibrations aléatoires. En effet il faut, pour calculer les réponses, considérer le passage fréquence-temps et inversement pour les comparer éventuellement aux exigences des normes. De plus, la taille et la complexité du modèle EF de la structure industrielle rendent impossible une résolution temporelle sur l’ensemble de ses degrés de liberté. Il s’agit alors de faire appel à des techniques d’homogénéisation et de condensation dynamique afin de prévoir la réponse aux excitations à large bande fréquentielle dans le but d’analyser les performances de l’isolation vibratoire
This research work regards the development of a complex structure model with non-linear viscoelastic components. The purpose of this study is to simulate the response of this structure submitted to a random vibration excitation based on a power spectral density definition (PSD). The industrial applicative case is the vibratory insulation of a automotive engine cooling module supported by elastomer mounts. A brief review of elastomers behavior depending on solicitations types enables to identify the parameters of the different investigated models. Preliminary tests have been conducted to define the range of amplitudes of excitations and evaluate the internal warming of rubbers during the full structure validation test. The experimental characterization of the suspension is based on rubbers mounts and their interfaces with the cooling module, in order to take into account in a unique model all nonlinearities due to the viscoelastic behavior, the slidings, and the friction. Measured force-deflection hysteretic cycles in axial and radial direction are post-processed with an expert system developed to obtain the parameters of the retained model: the modified Dahl’s model, generalized to viscoleastic aspect. This process has been developed with Octave/Matlab code. Interpolation and extrapolation methods enable to obtain a good model response on the global operating range. These methods have been coded in an Abaqus UserSubroutine. Imposing random vibration excitation of a non linear mechanical system based on PSD imposes to take into account signal processing aspects. To evaluate response levels versus norms requirements, it’s mandatory to consider the time-frequency transfer. In addition, the size and the complexity of the total finite element model of the industrial structure don’t allow a global resolution in the time domain for all the degrees of freedom. Homogenization and dynamic reduction techniques are used to evaluate the response of the system submitted to large frequency range excitations, and to analyse the behavior of the suspension

Cette thèse présente la méthode des matrices de rigidité dynamique exactes (MRD) pour la prévision des caractéristiques vibratoires des structures élastiques. La formulation est basée sur la solution exacte des équations d'équilibre du mouvement de la structure, conduisant à un problème aux valeurs propres non linéaire en fréquence de vibrations. Pour l'évaluation de la matrice de rigidité dynamique des différents éléments composant les systèmes unidimensionnels, nous utilisons différentes approches qui peuvent être appliquées pour toutes les structures unidimensionnelless dans leur comportement statique ou dynamique : _ l'écriture variationnnelle ou faible associée aux équations d'équilibre _ la formulation en fonction de transfert _ la formulation numérique générale dite exponentielle qui est basée sur la résolution d'un système de relations différentielles de premier ordre pour déterminer les solutions du problème non linéaire de valeurs propres, nous avons utilisé deux catégories de méthodes de résolution qui s'appuient principalement sur l'algorithme de Williams & Wittrick. Ce dernier permet d'identifier des intervalles de recherche ne contenant qu'une seule fréquence propre. La première catégorie de méthodes de calcul consiste à combiner les méthodes basées sur le calcul du déterminant de la matrice de rigidité dynamique et permettant le calcul des fréquences, avec une méthode de détermination des modes propres associés. La seconde consiste à linéariser le problème de valeurs propres en utilisant la méthode de Newton-Raphson et ensuite à appliquer l'itération inverse pour déterminer simultanément les caractéristiques propres du problème linéarisé. Pour la résolution des problèmes bidimensionnels, l'utilisation de l'approche des matrices de rigidité dynamique exactes est limitée au cas où les conditions aux limites possèdent deux bords simplement appuyés. Le problème bidimensionnel se ramène donc à un problème unidimensionnel et l'algorithme de localisation des fréquences propres, développé pour le cas unidimensionnel, est alors utilisé. Dans notre travail de thèse, nous avons développé une méthode efficace qui consiste à utiliser le modèle de rigidité dynamique avec des fonctions d'interpolation, solutions des équations d'équilibre, et à résoudre le problème aux valeurs propres en utilisant la méthode de Newton-Raphson avec l'itération inverse. Certes, pour les premiers modes, on obtient des valeurs qui sont proches de celles obtenues avec le modèle élément fini classique mais pour les modes élevés, les résultats sont meilleurs. Le modèle bidimensionnel développé est une membrane de forme rectangulaire et quadrilatère. De nombreux problèmes ont traités avec le modèle de rigidité dynamique exact afin de mettre en évidence la performance du modèle et les gains sur les facteurs temps de calcul et maillage qui sont importants. Pour des domaines bidimensionnels, les résultats sont légèrement moins fidèles mais encore de meilleur qualité que ceux obtenus par la méthode des éléments finis classique.

Cette thèse traite des aspects tribologiques et dynamiques de la perception tactile donnée par un doigt lors du balayage d'une surface. Une attention particulière est portée à l'analyse directe des spectres des vibrations induites par contact entre le doigt et la surface touchée, qui représente un nouveau champ de recherche. En fait, si le fait que les vibrations activent les afférentes tactiles et leur rôle essentiel pour la perception des textures fines est une chose acquise (duplex theory of tactile texture perception), le lien entre les caractéristiques de la surface, leur perception et les caractéristiques des spectres des vibrations induites est encore inconnu. Le travail de est animés par la volonté de contribuer à comprendre les mécanismes du toucher, élément clé de nombreuses applications touchant différents domaines : la quantification de la qualité des textiles, l'ergonomie des objets du quotidien (affectant grandement leur compétitivité commerciale), l'identification des imperfections de surface; la conception de dispositifs tactiles de communication , le développement de capteurs tactiles artificiels pour les prothèses intelligentes ou assistants robotisés, le développement des interfaces homme-machine pour l'interaction avec les réalités virtuelles ou des systèmes de télé-opération (télédiagnostic ou microchirurgie), ou encore le développement de tests d'évaluation de la sensibilité tactile lors d'un diagnostic. L'étude d'un doigt se déplaçant sur une surface, comporte plusieurs difficultés liées aux caractéristiques du contact et aux mesures mêmes. Ces problèmes ont fait que la première étape du travail présenté a été la conception d'un nouveau dispositif expérimental, baptisé TriboTouch, développé pour reproduire le balayage d'une surface par un doigt dans des conditions de contact réalistes (vitesse de balayage, charge normale, rugosité de surface, etc.) et surtout, en évitant la production de bruit. Le banc d'essai a été conçu pour garantir la reproductibilité des mesures et pour effectuer des mesures sans introduire de bruit parasite. Il permet de réaliser à la fois des mesures de la dynamique globale et des mesures de la dynamique locales (au niveau de la zone de contact) employant un doigt en silicone. L'analyse présentée s'intéresse au comportement de l'index de la main droite, en contact avec différentes surfaces (rugueuses périodiques ou isotropes et issues de textiles), analysé pour différentes vitesses de balayage et valeurs de la charge appliquée en soulignant le rôle des empreintes digitales. Un modèle numérique simple a été développé pour reproduire le comportement des vibrations induites lors du balayage de deux surfaces périodiques et les résultats sont comparés aux résultats expérimentaux. La correspondance de la distribution des fréquences de vibrations a mis en évidence le rôle clé des empreintes digitales dans les spectres de vibration et, en conséquence, pour la perception tactile
This thesis deals with the tribological and dynamic aspects of tactile perception given by the scanning of the finger on a surface. The attention is focused on a direct analysis of the vibration spectrum characteristics, induced by the surface features that is a relatively new research field. In fact, it is accepted that vibrations activate the tactile afferents and their essential role for the perception of fine textures (duplex theory of tactile texture perception) but it is still unknown the link with the surface texture characteristics and the features of the induced vibration spectra. The work is aimed to contribute to a better understanding of the mechanisms of the tactile sense, that is basilar for manifold different applications: textile quality quantification, ergonomics of everyday objects (which largely affects their commercial competitiveness), identification of surface imperfections, the design of tactile communication devices, the development of artificial tactile sensors for intelligent prostheses or robotic assistants, the development of human-machine interfaces for interaction with virtual realities or teleoperation systems, such as for telediagnosis or microsurgery, reproducing real perception (virtual reality), increasing the human perception (augmented reality), development of tests for evaluation of tactile sensitivity during diagnosis or monitoring process in rehabilitation. The study of a finger that moves on a surface involves different difficulties that are related to the material characteristics and to the measurements themselves. For these reasons, a new experimental set-up, named TriboTouch, has been developed to reproduce the finger/surface scanning phenomena under real values of the contact feature (scanning velocity and amplitude, surface roughness, etc..), avoiding undesired vibrations. The test bench has been designed to guarantee the measurements reproducibility and to perform measurements without introducing external noise. The set-up permits to carry out both measurements of the global dynamics and local ones (at the contact zone) employing a silicone fake finger. In the presented analysis, the behavior of the right hand index finger scanning on the surface sample with periodical and isotropic roughness and on textiles has been investigated for different scanning speed, highlighting the role of fingerprints A simple numerical model have been developed for reproducing the behavior of the induced vibrations when sliding two periodical surfaces and the numerical results have been compared with the experimental ones. The presented work has shown the possibility to obtain objective indexes for the tactile perception characterization, by means of the friction induced vibration spectrum analysis, in agreement with the neurophysiological studies present in literature

Cette étude porte sur le steeldrum, aussi appelé steelpan, percussion mélodique de Trinidad et Tobago, fabriquée à partir de bidons métalliques dont une des faces subit un ensemble de déformations irréversibles afin d'obtenir une cuve principale à l'intérieur de laquelle sont façonnées les différentes notes de l'instrument. Cette thèse s'organise autour de deux axes. D'une part les processus de fabrication sont étudiés afin de mieux comprendre le travail du facteur et de proposer une modélisation de la première étape de fabrication. D'autre part, des études vibratoires sont menées sur l'instrument fini, pour comprendre la dynamique complexe responsable de son timbre. La première partie rend compte de l'évolution des caractéristiques vibratoires au cours de la fabrication. On remarque une forte localisation vibratoire au moment de la création des notes, des évolutions marquées des amortissements et des fréquences propres lors du chauffage, et des relations harmoniques après l'accordage final. La seconde partie se concentre sur la première étape de fabrication au cours de laquelle le haut du bidon est martelé pour obtenir une calotte sphérique concave. Ce processus de plasticité est modélisé analytiquement sous les hypothèses de von Karman par une structure mince soumise à des contraintes initiales. L'influence du changement géométrique et celle de l'état de contraintes résiduelles sont alors quantifiées sur les paramètres dynamiques de la structure dans son nouvel état d'équilibre. Enfin la dernière partie s'intéresse aux vibrations de l'instrument terminé qui présente un comportement dynamique caractéristique des systèmes non linéaires géométriques. En mode de jeu usuel, des échanges d'énergie entre les modes sont clairement audibles. Cette richesse de timbre provient des résonances internes dues à l'accordage, si bien que des couplages complexes sont mesurés pour des amplitudes vibratoires très faibles. Des modèles originaux de résonances internes sont proposés.

Ce travail de thèse propose une approche dynamique pour les structures périodiques et l'application à la modélisation d'un pneumatique. Les propriétés statiques et dynamiques des matériaux constituants du pneu sont mesurées. Des modèles spécifiques d'homogénéisation sont aussi utilisés pour déterminer les caractéristiques équivalentes. Les fonctions de réponse en fréquence sont mesurées à plusieurs endroits sur le pneumatique dans les deux cas de force d'excitation : sur la bande de roulement et sur le flanc. La théorie dynamique utilisant la périodicité des structures est présentée. On propose une transformation en repère cartésien pour les structures ayant la périodicité dans un repère non-cartésien. L'utilisation de cette transformation dans le pneumatique assure les conditions de périodicité dans l'exploitation des matrices des cellules. Les mobilités à plusieurs points du pneu sont calculées et comparées avec les mesures. Ce travail permet d'une part l'étude dynamique d'un pneumatique à haute fréquence et d'autre part l'étude paramétrique de l'influence des propriétés de matériaux et de la pression interne dans le pneu.

Ce travail de thèse s’inscrit dans le cadre du développement d’un nouvel outil d’analyse et d’exploitation des expérimentations biomécaniques sur corps donnés à la science. Ces expérimentations pleine échelle, comme la reconstitution complète d’un accident réel, ou dit ‘fractionné’, comme l’investigation du comportement mécanique d’une articulation ou la validation d’un modèle éléments finis, utilisent des corps entier ou des segments anatomiques. L’exploitation de ces essais englobe l’analyse des résultantes accélérométriques et des vidéos rapides. Dans tous les cas l’objectif est de saisir les mécanismes lésionnels mis en jeu : si l’autopsie finale donne le bilan complet des lésions provoquées par l’essai expérimental, il est souvent complexe de retrouver la séquence chronologique d’apparition des lésions, voire de localiser anatomiquement cette lésion. Les méthodes actuelles souffrent d’un manque dans l’identification des lésions sur le traitement du signal : l’identification et la localisation temporelle d’une lésions sur un signal permettrait d’affiner la compréhension des mécanismes de destructions du corps humain et de compléter la validation des modèles éléments finis du corps humain. Les signaux accélérométriques issus de la biomécanique de chocs étant non stationnaires et fortement transitoires c’est vers le traitement du signal temps-fréquence que nous somme allé chercher de quoi localiser et discriminer l’apparition d’une lésion sur un signal. C’est plus précisément à partir de la transformée en ondelette continue que nous avons définit un critère de force de transitoire : un scalaire dépendant du temps reflète l’aspect transitoire du signal sur la bande fréquentielle supérieur du spectre temps-fréquence. Cette utilisation simple de la transformée temps échelle va être appliquée à deux structures critiques en biomécanique : le thorax, en tant que structure supportant les organes vitaux et faisant l’objet de moyen de protection spécifique, et le membre inférieur, en tant que premier segment anatomique touché en choc piéton. Dans le cas du thorax, le critère d’estimation de la force d’un transitoire a permis de cartographier de trajet d’un signal transitoire généré par la fracture d’une côte : ce résultat critique permettra de réduire l’instrumentation en biomécanique du thorax tout en en améliorant l’efficacité en terme de détection et localisation de fracture. Dans le cas du membre inférieur, le critère en transitoire a permis de discriminer les signaux transitoires provoqués par une fracture osseuse de ceux provoqué par une avulsion ligamentaire. L’accès à la distinction os/ligament est une avancée majeure dans l’exploitation des expérimentations biomécaniques sur le membre inférieur : les lésions pourront être associées plus facilement à une source lésionnelle et l’accès potentiel à l’état lésionnel de l’articulation du genou permettra de compléter la validation d’un modèle éléments finis. En conclusion cette thèse pose les bases de l’application de méthodes temps échelle à la biomécanique des chocs et permet d’analyser les signaux transitoires générés par les lésions pour améliorer leur localisation anatomique et temporelle. Ce travail très investigatoire devrait permettre de mettre au point un véritable outil d’exploitation expérimental à l’avenir
This work introduces a new tool to be used in biomechanical experiment based on human surrogates. Those xperiments need human bodies or anatomic segments. They can be ‘full scale’when dealing with crash reconstruction or ‘sub system’ when dealing with any investigation that focuses on mechanical behavior of biological structure. Actual means of post processing of these experiments include accelerometers signal processing, necropsy and fast video recording. The objectives are usually to understand all injury mechanisms. The final necropsy indicates a listing of all injuries sustained by a human surrogate and an important issue is to recover the chronology of these injuries. Current signal post processing methods lack any injury identification system. Accelerometric signals recorded during impact biomechanical tests are definitely non stationary. We propose to use an approach based on time frequency visualization in order to detect and characterize any injury occurrence within those signals. More precisely we applied continuous wavelet transform and introduced a new criterion that quantifies any transient, or singularity, of the signal: we made the hypothesis that singularities are images of injury occurrence. The quantification of the singularity is calculated from the amount of high frequency contained in the signal. The criterion is applied to two anatomical structures of the human body. Firstly on the thorax, as it supports all vital organs and it is the object of intense safety system development. Secondly the criterion is applied on the lower limb, as it s the primary impacted structure during car/pedestrian collision. The application of the transient criterion to the thorax showed that transient signal caused by rib fractures can be tracked down. The knowledge of the path of the transient signal through the thorax lead to a better understanding of the injury mechanism of the rib. Detection and localization of the fracture rib is then improved and further instrumentation for similar biomechanical test could be tremendously reduced in the future. In the case of the lower limb, the transient criterion was used to localize in time any injury occurrence. Moreover the criterion enabled to discriminate ligament failure from bone fracture. This differentiation gives access to the chronology of injury occurrence during sub system impact test or full scale car crash reconstruction. The knowledge of such an internal chronology can lead to car improvement and further validation tool for finite element modes. In conclusion this work introduces a new application of time scale representation to impact biomechanics. Transient signals coming from injury can be localized in time and the origin of the injury can be determined. This preliminary study can be further completed to build an actual tool for the post processing and exploitation of impact biomechanical experiments

Lightweight designs in engineering applications give rise to flexible structures with extremely low internal damping. Vibrations of these flexible structures due to an unwanted excitation of system resonances may lead to high cycle fatigue failure and noise propagation. A common method to suppress the vibrations is to increase the damping of the system using one of the classical control techniques i.e. passive, active, and/or hybrid. Passive techniques are those control systems that are simply integrated into the structures with no need of external power source for their operations, like viscoelastic damping, piezoelectric and electromagnetic shunt damping, tuned mass damper, etc. However, the control performance of these systems, in terms of the damping ratio and the robustness to uncertainties, is highly limited to the system properties. For example, viscoelastic damping may not perform well at low frequencies and the performance of shunt damping is dependent on the electromechanical coupling between the structure and the transducer. To overcome the limitations associated with passive controls, it has been proposed to use active control systems, which are less sensitive to the system's parameters, to improve the control performance. It requires an integration of sensors and actuators with a feedback loop containing control laws. However, the high requirement of the external power source is not favorable for engineering applications where energy efficiency is the key parameter. The combination of active and passive strategies, known as hybrid control systems, can provide a fail-safe configuration with a high control performance and low power consumption. The price to pay for such configurations is the complexity of the design. This doctoral thesis first investigates the conceptual designs of all kinds of classical control systems for a simplified mechanical system. They include 1) the passive shunt using an electromagnetic transducer, 2) the active control system using positive and negative feedback, and 3) the hybrid electromagnetic shunt damper using both an active voltage source as well as an active current source. The next part of this thesis is focused on bladed structures as real-life applications which highly require vibration control due to their low internal damping. Because of practical reasons, piezoelectric transducers are used for the application of control systems. The finite element model of the structure is made first without piezoelectric patches to optimize the best locations of piezoelectric patches. Then, the model is updated with the piezoelectric patches to numerically simulate different control strategies. The experiments are performed to validate the numerical designs.
Doctorat en Sciences de l'ingénieur et technologie
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Bien que le diagnostic des roulements par analyse vibratoire soit un domaine très développé, la recherche sur les représentations parcimonieuses des signaux de vibration est encore nouvelle et difficile pour le diagnostic des machines tournantes. Dans cette thèse, de méthodes nouvelles ont été développées, au moyen de différents modèles stochastiques, associées à des algorithmes efficaces afin de servir l’industrie dans le diagnostic des roulements. Tout d’abord, les modèles parcimonieux présentés dans la littérature sont revus. Les principales publications concernant le diagnostic des machines tournantes ont également été considérées. Enfin, en discutant des avantages et des inconvénients des représentations parcimonieuses, une interprétation des structures creuses d’un point de vue Bayésien est proposée, ce qui donne lieu à deux nouveaux modèles de diagnostic des machines tournantes. Dans un second temps, un nouveau modèle stochastique est proposé : il introduit une variable cachée relative à l’apparition d’impacts et estime le contenu spectral des transitoires correspondants ainsi que le spectre du bruit de fond. Cela donne lieu à un algorithme de détection automatique - sans besoin de pré-filtrage manuel - à partir duquel les fréquences de défaut peuvent être révélées. Le même algorithme permet également de filtrer le signal de défaut de manière très efficace par rapport à d’autres approches basées sur l’hypothèse stationnaire. La performance de l’algorithme est étudiée sur des signaux synthétiques. L’efficacité et la robustesse de la méthode sont également vérifiées sur les signaux de vibration mesurés sur un banc d’essai (engrenages et paliers). Les résultats sont meilleurs ou au moins équivalents à ceux de l’analyse d’enveloppes classique et du kurtogramme rapide. Dans un troisième temps, un nouveau schéma pour l’extraction de signaux cyclostationnaires (CS) est proposé. En considérant la variance périodique en tant que variable cachée, un filtre temporel est conçu de manière à obtenir la reconstruction intégrale des signaux CS caractérisés par une fréquence cyclique préétablie, qui peut être connue à priori ou estimée à partir de la corrélation spectrale. Un intérêt particulier de la méthode est sa robustesse lorsqu’elle est appliquée sur des données expérimentales ainsi qu’une capacité d’extraction supérieure par rapport au filtre de Wiener conventionnel. Finalement, ces exemples expérimentaux témoignent de l’utilisation polyvalente de la méthode à des fins de diagnostic de signaux composés. Pour finir, une analyse comparée utilisant le calcul rapide de la corrélation spectrale est réalisée sur une base de données publiquement disponible et largement utilisée. C’est un point crucial qui fixe un défis non-trivial à résoudre
Although vibration-based rolling element bearing diagnostics is a very well-developed field, the research on sparse representations of vibration signals is yet new and challenging for machine diagnosis. In this thesis, several novel methods have been developed, by means of different stochastic models, associated with their effective algorithms so as to serve the industry in rolling element bearing diagnostics. First, the sparsity-based model (sparse code, in natural image processing) is investigated based on the current literature. The historical background of sparse representations has been inquired in the field of natural scenes. Along three aspects, its mathematical model with corresponding algorithms has been categorized and presented as a fundamental premise; the main publications are therefore surveyed in the literature on machinery fault diagnosis; finally, an interpretation of sparse structure in the Bayesian viewpoint is proposed which then gives rise to two novel models for machinery fault diagnosis. Second, a new stochastic model is introduced to address this issue: it introduces a hidden variable to indicate the occurrence of the impacts and estimates the spectral content of the corresponding transients together with the spectrum of background noise. This gives rise to an automatic detection algorithm – with no need of manual prefiltering as is the case with the envelope spectrum – from which fault frequencies can be revealed. The same algorithm also makes possible to filter out the fault signal in a very efficient way as compared to other approaches based on the stationary assumption. The performance is investigated on synthetic signals with a high noise-to-signal ratio and also in the case of a mixture of two independent transients. The effectiveness and robustness of the method are also verified on vibration signals measured on a test-bench (gears and bearings). Results are found superior or at least equivalent to those of conventional envelope analysis and fast kurtogram. Third, a novel scheme for extracting cyclostationary (CS) signals is proposed. By regularizing the periodic variance as hidden variables, a time-varying filter is designed so as to achieve the full-band reconstruction of CS signals characterized by some pre-set characteristic frequency. Of particular interest is the robustness on experimental data sets and superior extraction capability over the conventional Wiener filter. It not only deals with the bearing fault at an incipient stage, but it even works for the installation problem and the case of two sources, i.e. bearing and gear faults together. Eventually, these experimental examples evidence its versatile usage on diagnostic analysis of compound signals. Fourth, a benchmark analysis by using the fast computation of the spectral correlation is provided. One crucial point is to move forward the benchmark study of the CWRU data set by uncovering its own unique characteristics

Many different active control techniques can be used to control the vibrations of a mechanical structure: they however require at least a sensitive signal amplifier (for the sensor), a power amplifier (for the actuator) and an analog or digital filter (for the controller). The use of all these electronic devices may be impractical in many applications and has motivated the use of the so-called shunt circuits, in which an electrical circuit is directly connected to a transducer embedded in the structure. The transducer acts as an energy converter: it transforms mechanical (vibrational) energy into electrical energy, which is in turn dissipated in the shunt circuit. No separate sensor is required, and only one, generally simple electronic circuit is used. The stability of the shunted structure is guaranteed if the electric circuit is passive, i.e. if it is made of passive components such as resistors and inductors.

This thesis compares the performances of the electric shunt circuits with those of classical active control systems. It successively considers the use of piezoelectric transducers and that of electromagnetic (moving-coil) transducers.

In a first part, the different damping techniques are applied on a benchmark truss structure equipped with a piezoelectric stack transducer. A unified formulation is found and experimentally verified for an active control law, the Integral Force Feedback (IFF), and for various passive shunt circuits (resistive and resistive-inductive). The use of an active shunt, namely the negative capacitance, is also investigated in detail. Two different implementations are discussed: they are shown to have very different stability limits and performances.

In a second part, vibration isolation with electromagnetic (moving-coil) transducers is introduced. The effects of an inductive-resistive shunt circuit are studied in detail; an equivalent mechanical representation is found. The performances are compared with that of resonant shunts and with that of active isolation with IFF. Next, the construction of a six-axis isolator based on a Stewart Platform is presented: the key parameters and the main limitations of the system are highlighted.

Doctorat en Sciences de l'ingénieur
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Cette thèse porte sur l’étude du comportement mécanique et vibratoire d’un composite biosourcé incorporant un matériau viscoélastique. Les matériaux étudiés sont des stratifiés en composite lin/greenpoxy et des stratifiés viscoélastiques composés d'un noyau viscoélastique en caoutchouc naturel confiné entre deux composites. La première partie du travail a été consacrée à l’étude de l’influence de l’intégration de la couche viscoélastique sur le comportement mécanique des composites. L’analyse des résultats expérimentaux et l’observation des signaux d’émission acoustique obtenus dans ces composites soumis à différentes sollicitations mécaniques en statique et en fatigue ont permis d’identifier les signatures acoustiques des mécanismes d’endommagement prépondérants dans les deux matériaux. Dans un deuxième temps, les propriétés dynamiques de ces composites ont été déterminées à partir des essais de vibration. Les résultats obtenus ont montré que la couche viscoélastique a joué un rôle majeur dans l'amortissement et la dissipation d'énergie des composites. Suite à cette analyse, nous avons mis en place une procédure, utilisant la méthode des éléments finis, pour calculer l’amortissement de ces matériaux. Dans le but de mettre en évidence l’influence des caractéristiques de la couche viscoélastique, une étude paramétrique a été menée sur le composite viscoélastique, permettant d’optimiser l’amortissement de ce matériau en faisant varier divers paramètres. Enfin, le comportement visqueux des composites a été caractérisé par la méthode de résonance non linéaire en faisant varier l’amplitude d’excitation
This thesis focuses on the study of the mechanical and vibration behaviour of a flax fibre reinforced composites with and without an interleaved natural viscoelastic layer. The composite materials have been characterized experimentally using different mechanical and vibrational tests. First, both types of composites were studied using uni-axial tensile and three-points bending tests. Acoustic emission (AE) has been often used for the identification and characterization of micro failure mechanisms in composites. The results showed that these composites have very high specific characteristics. It can be used for applications currently using composites reinforced with synthetic fibres such glass, carbon…. Next, experimental and finite element vibration analyses were carried out on the composites with and without an interleaved natural viscoelastic layer. A good agreement between the two methods was obtained. It has been shown that the viscoelastic layer plays a major role in damping because it has a high level of energy dissipation. Therefore, it improves with a significant way the modal properties of the composite. Finally, nonlinear resonance tests were performed on the composites. It has been shown that the viscoelastic layer generates a nonlinear behaviour in the material. The linear and nonlinear, elastic and dissipative parameters have been calculated to deduce finally that nonlinear parameters are more sensitive to heterogeneities than those derived from linear vibration tests

L'usure ondulatoire des rails associée aux vibrations de torsion des essieux de métro a été mise en évidence il y a près d'un demi siècle. L'utilisation d'absorbeurs dynamiques comme solution potentielle à ce problème a été suggérée pour la première fois dans le projet américain du TCRP "Rail Corrugation Mitigation in Transit" en 1998. Cette thèse, réalisée dans le cadre du projet européén "Wheel-rail CORRUGATION in Urban transport", a pour objectif de concevoir un absorbeur dynamique et d'étudier son influence sur la réduction de l'usure ondulatoire liée aux vibrations de torsion. Dans le cadre de ce travail, d'autres types d'usure ondulatoire ont également été traités par des absorbeurs dynamiques.

Les trois premiers chapitres de cette thèse sont dédiés à la description des différents types d'usure ondulatoire et à la présentation des méthodes de prédiction. La méthode de dimensionnement des absorbeurs dynamiques est présentée au chapitre 4, ainsi que quelques perspectives de leur efficacité à réduire l'usure ondulatoire. Dans le chapitre 5, un tronçon réel du RER parisien a été étudié. D'une part les prédictions obtenues par différentes méthodes ont été comparées aux mesures sur site. D'autre part, le bénéfice résultant de l'utilisation d'un absorbeur dynamique a été étudié numériquement. Dans le chapitre 6, le cas de l'usure ondulatoire liée aux vibrations de torsion a été étudié spécifiquement. Un absorbeur dynamique a été développé pour réduire ce type d'usure ondulatoire. Son efficacité a été évaluée théoriquement et numériquement, avec un modèle multi-corps flexible du véhicule et de la voie. Dans le chapitre 7, un absorbeur dynamique visant à réduire les vibrations de torsion d'un essieu de métro à échelle réduite a été construit au laboratoire. Son efficacité a été validée expérimentalement en reproduisant les conditions d'apparition des vibrations de torsion de l'essieu sur le banc d'essais du Laboratoire des Technologies Nouvelles de l'INRETS. La correspondance entre les prédictions d'usure à échelle réduite et à échelle réelle a été établie. Une demande de brevet a été déposée par le Laboratoire des Structures Actives pour ce système (N° 06120344.4).
Doctorat en sciences appliquées
info:eu-repo/semantics/nonPublished

Cette thèse s'inscrit dans le cadre de l'étude de la stabilisation de modules d'un futur collisionneur linéaire, CLIC (Compact Linear Collider). Afin d'assurer le fonctionnement et la collision des particules dans ce futur grand instrument de physique, il faut garantir l'alignement de modules guidant des faisceaux de dimensions nanométriques. Les travaux développés ont pour support expérimental deux dispositifs : un dispositif de micropositionnement, avec une résolution inférieur au 1µm, où les perturbations peuvent être simulées et un prototype de nanostabilisation active pour charges importantes (>50kg @300Hz), avec une résolution validée expérimentalement inférieur à 0,15 nm, permettant de démontrer la faisabilité du contrôle de la stabilisation subnanométrique en s'intéressant particulièrement au rejet des mouvements du sol. Les problématiques traitées lors de ces travaux portent sur la méthodologie de conception de tels systèmes, ce qui inclue la conception électromécanique et l'instrumentation, ; la mise en œuvre et la modélisation du comportement des prototypes ,; le contrôle avec notamment les aspects de non linéarité des actionneurs. Les performances obtenues de ces différents travaux et validées expérimentalement incluent notamment les points suivants: La bande passante de fonctionnement pour du micro-positionnement à l'aide d'actionneurs piézoélectriques a été augmentée grâce à la compensation d'hystérésis : Rejet de perturbation issue du support jusqu'à 100 Hz et positionnement jusqu'à 190 Hz. Il a été démontré la faisabilité du contrôle à l'aide de capteurs sismiques. L'isolation active réalisée présente une atténuation des nano-mouvement du sol dans une bande passante comprise entre 12 et 100Hz. Expérimentalement, cela conduit à une réduction des mouvements du sol de 0,6nm [rms] à 0,25nm [rms] à 50Hz et de 3,7nm [rms] à 0,9nm [rms] à 20Hz.

Le désaccordage intentionnel, plus communément appelé detuning, a été identifié comme une possible technonologie pour réduire la sensibilité du comportement dynamique de roues aubagées soumises au désaccordage involontaire, aussi appelé mistuning, causé par les dispersions matérielle d'une aube à une autre engendrées lors du processus de fabrication et par la variabilité des propriétés mécaniques des matériaux. Le désaccordage intentionnel est mis en place par l'introduction de motifs à partir desquels différents types de secteurs générateurs, ayant des propriétés géométriques et matérielles différentes, sont assemblés. Cependant, les récentes innovations technologiques impliquant l'utilisation d'aubes de plus en plus flexibles et plus légères conduisent à de grands niveaux de déplacements et de déformations, requiérant l'utilisation des équations dynamiques non linéaires tenant compte des non-linéarités géométriques. Ce travail est dédié à l'analyse robuste des effets des non-linéarités géométriques sur la dynamique non linéaire de roues aubagées désacccordées intentionnellement, en rotation, en présence de désaccordage involontaire. Le désaccordage involontaire correspond à des incertitudes dans le modèle numériques et sont prises en compte par une approche probabiliste. Cette thèse de nouveaux résultats concernant la dynamique non linéaire des roues aubagées désaccordées intentionnellement en présense de non-linéarités géométriques et en présence de désaccordage involontaire. Les analyses dynamiques sont effectuées dans le domaine temporel et analysées dans le domaine fréquentiel. L'analyse fréquentielle des réponses non-linéaires mettent en évidence des réponses significatives en dehors de la bande d'excitation. Les intervalles de confiance des réponses stochastiques permettent d'analyser la robustesse du modèle vis-à-vis des incertitudes, c'est-à-dire du niveau de désaccordage involontaire. La roue aubagées utilisée pour les simulations numériques est composée de 24 secteurs pour lesquels différents motifs de roues aubagées désaccordées intentionnellement sont analysés, avec ou sans désaccordage involontaire
The intentional mistuning, also called detuning has been identified as an efficient technological way for reducing the sensitivity of the forced response of bladed disks to unintentional mistuning (simply called mistuning), caused by the manufacturing tolerances and the small variations in the mechanical properties from blade to blade. The intentional mistuning consists in detuning the bladed disk structure by using partial or alternating patterns of different sector types. However, the recent technological improvements that include the use of more flexible and lighter blades can lead to large strains/displacements, which requires the use of nonlinear dynamic equations involving geometric nonlinearities. This work is devoted to the robust analysis of the effects of geometric nonlinearities on the nonlinear dynamic behavior of rotating detuned bladed disks in presence of mistuning. The detuning corresponds to uncertainties in the computational model, and are taken into account by a probabilistic approach. This thesis presents a series of novel results in dynamics of rotating bladed disks with mistuning and detuning in presence of nonlinear geometrical effects. The structural responses are computed in the time domain and are analyzed in the frequency domain. The frequency analysis exhibits responses outside the frequency band of excitation. The confidence region of the stochastic responses allows the robustness to be analyzed with respect to uncertainties, that is to say with respect to the level of mistuning. The bladed disk structure, which is used for the numerical simulations, is made up of 24 blades for which several different detuned patterns are investigated with and without mistuning

Le travail présenté concerne la modélisation d'actionneurs piézoélectriques utilisés comme générateur de vibrations mécaniques pour l'assistance à la mise en forme de matériaux massifs. L'actionneur multicouche est monté en mode encastré-libre et seule la direction de déplacement longitudinale est considérée dans le cadre de ces travaux de recherche. La modélisation est fondée sur l'application du principe d'Hamilton pour établir les équations du mouvement du système global. L'approche analytique utilise une décomposition modale pour résoudre les équations de fonctionnement de l'actionneur piézoélectrique. Un modèle de type fonction de transfert entrées-sorties permet l'analyse des réponses dans les domaines temporel et fréquentiel. La difficulté du modèle analytique est de recalculer toutes les données modales dés que les conditions aux limites sont modifiées. Une approche par éléments finis placés selon la direction longitudinale de l'actionneur est également développée. Par comparaison au modèle analytique, une étude de la précision de modèle par éléments finis fonction du nombre d'éléments est effectuée. Les deux modèles développés sont ensuite couplés à un modèle analytique simplifié du procédé de forgeage basé sur des lois viscoplastiques afin de modéliser l'ensemble du procédé soumis à des vibrations mécaniques. Le principal avantage de ce modèle tient en la possibilité d'analyser et d'optimiser l'ensemble actionneur-procédé.Une comparaison entre les simulations par éléments finis sous Forge2008®, le modèle de couplage et les essais expérimentaux est présentée. Lors des essais, l'actionneur piézoélectrique alimenté par un onduleur de tension commandé en modulation à largeur d'impulsion fait vibrer la matrice inférieure à des amplitudes allant de 0 à et 80 um des fréquences entre 10 et 130Hz. La comparaison des résultats expérimentaux et des simulations dans le cas d'un écrasement plan est encourageante. La modélisation du comportement du dispositif expérimental constitue un élément de base d'un futur outil de conception des dispositifs mécaniques vibrants
The work presented concerns the modelling of piezoelectric actuators used as a generator of mechanical vibrations for assistance in shaping bulk materials. The multilayer actuator is set in clamped-free mode and only the direction of longitudinal displacement is considered in the context of this research. The modelling is based on the application of Hamilton principle to establish the equations of motion of the global system. The analytic approach uses a modal composition to solve the equations of operation of the piezoelectric actuator. A transfer function of Multiple-Input Multi-Output (MIMO) systems permits the analysis of the responses in time and frequency domains. The difficulty of the analytical model is to recalculate all the modal data when the boundary conditions are changed. A finite element approach placed along the longitudinal direction of the actuator is also developed. Compared to the analytical model, a study of the accuracy of finite element model function of the number of elements is performed. The two models developed are then coupled to a simplified analytical model of the forging process based on viscoplastic laws in order to model the entire process subject to mechanical vibrations. The main advantage of this model lies in the ability to analyze and optimize the entire process actuator. A comparison between the finite element simulations under Forge2008®, the coupling model and experimental tests is presented. During testing, the piezoelectric actuator fed by Pulse Width Modulated voltage inverter vibrates the lower die at amplitudes ranging from 0 to 80 um and frequencies between 10 and 130Hz. The comparison of experimental results and simulations in the case of upsetting process is encouraging. The modelling of the behaviours of the experimental device constitutes a basic element of a future design tool of vibrating mechanical devices

Cette thèse CIFRE (Conventions Industrielles de Formation par la REcherche), en collaboration avec Safran Aircraft Engines, concerne la réduction des vibrations de flexion en basse fréquence d'une aube de rotor de soufflante en matériau composite. L'intérêt premier est de réduire les marges au flottement en augmentant l'amortissement des aubages pour permettre l'utilisation des moteurs dans des plages de fonctionnement à haut rendement actuellement inexploitées. Les autres avantages directement liés à la réduction de vibration sont l'augmentation de la durée de vie des pièces ainsi que la réduction du bruit du moteur. L'objet de cette étude, est d'étudier différents dispositifs d'amortissement de vibrations piézoélectriques, en basses fréquences, applicables à une aube de turbomachine fabriquée en matériaux composites. Les applications principalement visées sont des aubes de rotor de soufflante ou des pales de rotor non caréné ("open-rotor"), de géométrie élancée et complexe. Les solutions étudiées utilisent des éléments piézoélectriques couplés à un circuit électrique passif ou semi-passif. Le coeur de ce travail de thèse, encore un verrou scientifique à l'heure actuelle, est de proposer des solutions performantes qui intègrent les éléments piézoélectriques aux aubes de soufflante afin de respecter les contraintes aérodynamiques imposées pour ce type de structure, tout en augmentant l'amortissement sur un des premiers modes de vibration. Les performances de ce genre de dispositifs sont directement liées à une grandeur : le facteur de couplage électromécanique, qu'il s'agit de maximiser. Il dépend de toutes les caractéristiques de la structure : les matériaux utilisés (structure composite hôte, matériau piézoélectrique), mais surtout du placement et de la géométrie des éléments piézoélectriques. L'utilisation de matériaux piézoélectriques connectés à des circuits actifs, semi-passifs ou passifs a été largement étudiée mais les expériences traitent presque toujours de cas académiques de poutres ou de plaques. L'objectif est ici, pour le dispositif piézoélectrique développé, de pouvoir évaluer les performances des shunts en terme d'atténuation sur une structure massive faiblement amortie. Une partie du travail consiste ainsi à bâtir un modèle éléments finis prédictif de la structure composite couplée aux matériaux piézoélectriques, en vue de quantifier les performances du dispositif. Plusieurs solutions sont testées sur une structure simple pour évaluer l'influence sur les performances du dispositif, (1) du choix du matériau piézoélectrique, (2) du placement et de la géométrie des éléments piézoélectriques ainsi que (3) du circuit électrique dissipatif. Différentes solutions d'intégration à l'aube sont proposées et une méthode de caractérisation des propriétés des matériaux tissés est développée dans la perspective d'intégrer les matériaux actifs à la préforme du composite. Cette étude est à la fois numérique et expérimentale : un démonstrateur, utilisant une aube en matériaux composites est conçu puis testé en laboratoire pour valider les concepts proposés
This thesis concerns the vibration reduction in the low frequency range of a composite fan blade of a turbojet engine with piezoelectric devices. The interest is to increase lifespan and avoid flutter phenomena by reducing the vibration amplitude. The purpose of this thesis is to study several shunted piezoelectric devices, in the low frequency range, that can be applied to a woven composite turbojet fan blade. The targeted applications are the LEAP fan blades or the “open-rotor” fan blade, both of them required to manage a complex geometry. The solutions investigated used piezoelectric elements coupled to a passive or semi-passive circuit. The core of this thesis, still a scientific obstacle at present, is to propose efficient solutions that integrate the piezoelectric elements to the fan blades in order to meet aerodynamic constraints for this type of structure, while increasing damping level on one of the first modes of vibration. The performances of such devices are directly related to a coefficient: the electromechanical coupling factor that requires to be maximized. This coefficient depends on all the features of the structure: materials used (host composite structure, piezoelectric material), but especially the placement and geometry of the piezoelectric elements. The use of piezoelectric material connected to active, semi-passive or passive circuits has been extensively studied but the experiences almost always deal with academic cases such as beams or plates. The aim is for the developed piezoelectric device, to evaluate the damping performance of a weakly damped massive structure.A part of the work is thus to develop a predictive finite element model of the structure coupled to the piezoelectric material to quantify the performance of the device. Several solutions are tested on a simple structure to evaluate the influence on the device performance of, (1) the choice of the piezoelectric material, (2) the placement and geometry of the piezoelectric elements, and (3) of the dissipative circuit. Various integration solutions in the blade are proposed and a method for characterizing the properties of woven materials is developed in the perspective of integrating the active materials in the composite preform.This study is both numerical and experimental: a demonstrator using a composite fan blade is designed and tested in the laboratory to validate the proposed concepts

Les systèmes de récupération d’énergies basées sur les vibrations mécaniques environnantes suscitent l’intérêt depuis de nombreuses années. Augmenter l’efficacité de la conversion d'énergie est primordial, mais celle-ci pour être bien maitrisée, passe par la mise au point de modèles précis et notamment par la prise en compte des lois régissant les matériaux piézoélectriques. En effet, ces matériaux sont à la base des couplages mécano/électriques et il est capital de comprendre comment ils fonctionnent quelque soit l'excitation externe. Un modèle précis du matériau ferroélectrique est indispensable pour établir des critères de conception des prototypes et leur optimisation. Dans cette thèse, un modèle précis, temporel, large bande tenant compte de l’ensemble des non-linéarités d’une céramique piézoélectrique a été développé. L’utilisation d’opérateurs fractionnaires a permis d’augmenter fortement la bande de fréquence de validité du modèle. Le modèle permet notamment de prévoir l’évolution de la polarisation diélectrique ainsi que le déplacement mécanique de l’échantillon testé et ceci quelque soit le type de stimulation (contrainte mécanique pure, champ électrique et même excitation hybride électriques/mécaniques). La dérivé fractionnaire a dans un premier temps été utilisée pour l’hystérésis sous excitation électrique pour décrire le comportement dynamique de la polarisation diélectrique. En effet, au delà d’un seuil de fréquence, lorsque l’état du matériau n’est plus quasi-statique, une contribution dynamique apparaît. Cette contribution joue un rôle primordial lorsque les niveaux de fréquence et d’amplitude sont élevés. La même étude a ensuite été menée sous contrainte mécanique, et le même opérateur fractionnaire a été utilisé avec succès. Nous avons entre autre constaté que sur un même échantillon les paramètres de simulation établis sous champ électrique étaient conservés sous contrainte mécanique. Ensuite, un modèle inverse permettant d’imposer la forme d’onde de la polarisation ou du déplacement a été proposé. Pour une polarisation ou un déplacement donné, le modèle inverse permet de déterminer avec précision l’effort mécanique à appliquer sur la céramique piézo-électrique. Ces modèles sont nécessaires pour optimiser une forme d’onde de contrainte mécanique ou électrique et obtenir un rendement supérieur des systèmes récupérateurs d’énergie. En effet, une nouvelle technique couplée champ électrique/contrainte mécanique de récupération d’énergie est présentée à la fin de la thèse, technique qui nous a permis de valider l’utilisation du modèle. L’utilisation du modèle permet d’optimiser la mise au point d’un prototype mais également d’obtenir la valeur exacte du rendement de la méthode en rendant compte notamment des pertes diélectriques. Dans la thèse, le modèle sous ses différentes variantes est décrit de manière exhaustive
Energy harvesting based on mechanical vibration has been a long time research topic for the last few decades. In addition to enhancing the energy conversion amount, another objective is to master and give a precise model with consideration of the disciplines of piezoelectric material behavior. A precise model for the ferroelectric material is mighty needed in the energy harvesting process, so as to give an instruction to the prototype designing and modelling optimizing. In this thesis, a model working on wide bandwidth considering the nonlinearity of the piezoceramic has been developed. The employment of the fractional derivative has broadened the usage of this model on expanded bandwidth. The model permit to predict the evolution of the dielectric polarization as well as the mechanical displacement, which has been tested on different samples under different kinds of stimulation (pure mechanical, pure electrical and hybrid of electrical and mechanical excitations). This fractional derivative factor has been first developed under electrical excitations to describe the dynamic behavior. In the development of this model to mechanical field, the fractional derivative factor was found available as well under the mechanical excitation in the same value. In the following study, an inverse of mechanical model has been developed as well. In the end, we stimulate the piezoceramic using both electrical and mechanical excitation to augment the energy harvesting amount which could become a promising method in energy harvesting field. Every model has been exhaustively demonstrated and specific measuring benches have been established to validate these models. Experiments results and simulations in different kinds of excitations (amplitudes, frequencies) for every kind of the above models have been compared. Good approximation has been acquired indicating the model has a good accuracy in describing the material property and dynamic behavior

Les systèmes mécaniques (e.g. structures flexibles) sont généralement peu amortis, et par conséquent des vibrations de fortes amplitudes peuvent apparaitre. Il apparait nécessaire de développer des stratégies de contrôle vibratoire pour atténuer ces vibrations mécaniques. Cette thèse a pour objectif de développer plusieurs techniques d'amortissement de vibration passives ou actives. La première partie porte sur l'utilisation d'un “inerter” pour améliorer les performances de contrôle vibratoire de deux dispositifs existants, l'amortisseur à masse accordée (TMD) et deux TMDs placés en série (SDTMD). Dans le cas avec un TMD, on considère un système mécanique avec incertitudes ainsi que son optimisation H-infinity (worst-case optimization) en adoptant une approche purement algébrique. Dans le cas de SDTMD, on vise à contrôler la vibration d'un système déterministe. Son optimisation H-infinity s'effectue ici en utilisant une version étendue de la théorie de points fixes (FPT). Dans une seconde partie, on cherche à améliorer les performances de ce type de dispositif en positionnant un élément linéaire de raideur négative entre la base et la masse accordée. Deux cas d'étude sont menés: le TMD seul et celui basé sur l'inerter (IDVA). Les deux dispositifs ont une configuration non-traditionnelle, dont la masse accordée est liée à la base par l'intermédiaire d'un amortisseur visqueux ou un réseau mécanique basé sur l'inerter. La réalisation de ces dispositifs non-traditionnelles avec ou sans raideur négative et leurs shunts piézoélectriques sont étudiés et une analogie électromécanique est établie. Cette analogie permet d'étendre l'applicabilité des amortisseurs mécaniques et de faciliter les réglages. Dans la dernière partie, deux techniques d'amortissement actif et semi-actif sont développées. La première stratégie concerne une loi de contrôle hybride applicable au TMD et à l'IDVA. Le contrôleur proposé est composé d'un seul ou plusieurs compensateurs identiques, qui est caractérisé par un pôle à l'origine et deux zéros coïncidents réels. Les expressions analytiques sont développées dans les deux cas. La seconde technique de contrôle s'appuie sur l'atténuation de vibration par shunt électromagnétique (EMSD), pour laquelle aucun capteur est requis. Une inductance négative (NI) est employée dans les shunts électromagnétiques afin d'améliorer l'amortissement. Trois architectures possibles de NI dans un EMSD sont évaluées à travers le facteur de couplage électromécanique, qui quantifie l'efficacité de conversion énergétique entre les domaines mécanique et électrique. Finalement, six shunts électromagnétiques utilisant des NIs sont optimisés et analysés
Mechanical systems (e.g. flexible structures) are usually lightly damped so that they vibrate severally in response to dynamic loads. Therefore, vibration control strategies should be adopted in order to reduce the undesired vibration of mechanical systems. The objective of this thesis is to develop multiple vibration control techniques, which are either passive or active. The first part focuses on the application of inerter to enhance the vibration control performance of two existing control devices, the tuned mass damper (TMD) and the series double TMD (SDTMD). The inerter is employed to relate the tuned mass to the ground. In the case of TMD, a mechanical system under stiffness uncertainty is considered and the worst-case H-infinity optimization is addressed by means of an entirely algebraic approach. In the case of SDTMD, the vibration of a deterministic mechanical system is to be controlled and the H-infinity optimal design is carried out via an extended version of fixed points theory (FPT). Instead of using the inerter, the second part consists in improving the control effect by incorporating a linear negative stiffness between the ground and the tuned mass. Two case studies are conducted based on the non-traditional TMD and inerter-based dynamic vibration absorber (IDVA), whose tuned mass is related to the ground by a viscous damper or an inerter-based mechanical network, respectively. Later, the exact electrical realization of non-traditional configurations with or without negative stiffness is proposed, which is based on the piezoelectric transducer enclosed by a particular shunt circuit. This electromechanical analogy enables to extend the applicability of mechanical control devices and to facilitate the precise tuning. In the last part, active and semi-active vibration control techniques are developed. The first strategy consists in enhancing the control capability of passive TMD and IDVA by feeding back the displacement signal of mechanical system to the electromagnetic actuator. The proposed controller can be regarded as one or multiple basic units arranged in series, which is featured by one pole at the origin and two coalesced zeros on the real axis. Distinguished from the previous strategy, the semi-active control technique is based on electromagnetic shunt damping (EMSD), therefore, no additional sensor is required to measure the information of mechanical system. In order to artificially increase the shunt damping performance, the employment of negative inductance (NI) in the shunt circuit is considered. Three possible layouts of NI in the EMSD are assessed in terms of the electromechanical coupling factor, which quantifies the energy conversion efficiency between mechanical and electrical domains. Finally, six types of shunt circuits are optimally tuned according to the FPT and the beneficial effect of NI and the influence of its layout can be underlined

Le travail de cette thèse propose une nouvelle méthode de contrôle appelée SSDH (Synchronized Switch Damping and Harvesting) basée sur l’idée de redistribution de l’énergie récupérée pour réduire l’énergie vibratoire d’une structure. De nombreuses recherches ont concerné le contrôle de vibration des structures souples. L’utilisation de l’approche modale pour ce genre de structure présente de nombreux intérêts. Dans le cadre de cette thèse l’idée est de récupérer l’énergie des modes qui ne sont pas contrôlés de façon à améliorer l’effet d’amortissement des modes ciblés par le contrôle sur une même structure. Pour cela, sur la base de la technique semi-active de contrôle, un circuit de contrôle modal a été conçu pour être compatible, via un convertisseur, avec des techniques semi-active de récupération d’énergie qui ont elles même été adaptées en modal. Plusieurs variantes de la méthode SSDH ont été testées en simulation. De façon à estimer l’efficacité du concept, une application sur un modèle expérimental d’une smart structure simple est proposée. Actionneurs et capteurs utilisent des matériaux piézoélectriques qui présentent les effets directs et inverses utiles pour la récupération d’énergie et le contrôle vibratoire. Après optimisation des différents paramètres électromécaniques et électriques, les résultats des simulations menées sous excitations bisinusoidale ou en bruit blanc, montrent que la nouvelle méthode de contrôle autoalimentée SSDH est efficace et robuste. Elle améliore sensiblement l’amortissement produit par les techniques semi-actives modales de base (SSDI) grâce à l’utilisation de l’énergie modale récupérée
In a context of embedded structures, the next challenge is to develop an efficient, energetically autonomous vibration control technique. Synchronized Switch Damping techniques (SSD) have been demonstrated interesting properties in vibration control with a low power consumption. For compliant or soft smart structures, modal control is a promising way as specific modes can be targetted. This Ph-D work examines a novel energy transfer concept and design of simultaneous energy harvesting and vibration control on the same host structure. The basic idea is that the structure is able to extract modal energy from the chosen modes, and utilize this harvested energy to suppress the target modes via modal control method. We propose here a new technique to enhance the classic SSD circuit due to energy harvesting and energy transfer. Our architecture called Modal Synchronized Switching Damping and Harvesting (Modal SSDH) is composed of a harvesting circuit (Synchronized Switch Harvesting on Inductor SSHI), a Buck-Boost converter and a vibration modal control circuit (SSD). Various alternatives of our SSDH techniques were proposed and simulated. A real smart structure is modeled and used as specific case to test the efficiency of our concept. Piezoelectric sensors and actuators are taken as active transducers, as they develop the direct and inverse effects useful for the energy harvesting and the vibration damping. Optimization are running out and the basic design factors are discussed in terms of energy transfer. Simulations, carried out under bi-harmonic and noise excitation, underline that our new SSDH concept is efficient and robust. Our technique improve the damping effect of semi-active method compared to classic SSD method thanks to the use of harvested modal energy

La mise en place d'un modèle théorique de coque composite multicouche est proposée. Parmi les objectifs du modèle, on retiendra: " la satisfaction exacte des conditions de continuité aux interfaces pour les déplacements et les contraintes, ainsi que des conditions aux limites ; " le raffinement des termes de membrane, de cisaillement transverse ; " l'amélioration du calcul des contraintes de cisaillement transverse, sans recours a des facteurs de correction. L'approche retenue est de type cinématique. Les raffinements des termes de membrane et de cisaillement sont pris en compte par l'intermédiaire de fonctions trigonométriques suivant la variable d'épaisseur, la continuité du champ de déplacement étant automatiquement assurée par l'introduction, dans le champ de cinématique, de la fonction de Heaviside. Les équations du mouvement et conditions aux limites sont déduites du principe de Hamilton. On ne conserve que cinq déplacements généralisés indépendants. La validité du modèle est testée sur des problèmes pour lesquels une solution tridimensionnelle exacte existe. La sensibilité aux effets de bord est également examinée. La comparaison avec des calculs éléments finis est effectuée. Enfin, l'application directe à des problèmes de dynamique est envisagée

L'objet de cette thèse est l'extension aux structures complexes de la méthode de Résolution Inverse Fenêtrée Filtrée (RIFF). L'idée principale se base sur le modèle Eléments Finis local et libre d'une partie de la structure étudiée. Tout d'abord, la méthode a été développée dans le cas des poutres. Les mesures de vibrations sont alors injectées dans le modèle Eléments Finis de la partie de poutre analysée. Les rotations sont estimées à l'aide de mesures de déplacements supplémentaires et des fonctions de forme sur le support élémentaire. La méthode étant sensible vis-à-vis des incertitudes de mesures, une régularisation a dû être développée. Celle-ci repose sur une double inversion de l'opérateur où une régularisation de type Tikhonov est appliquée dans la seconde inversion. L'optimisation de cette régularisation est réalisée par le principe de la courbe en L. A cause des effets de lissage induits par la régularisation, les moments ne peuvent être reconstruits mais ils apparaissent comme des ''doublets'' de forces. Ceci nous a conduit à résoudre le problème en supposant que seules des forces agissent sur la poutre. Enfin, une étude des effets de la troncature du domaine a été menée dans le but de s'affranchir des efforts de couplage apparaissant aux limites de la zone étudiée. Le cas des plaques a été considéré ensuite afin d'augmenter progressivement la complexité des modèles utilisés. L'approche Eléments Finis a permis d'intégrer à la méthode des techniques de condensation dynamique et de réduction par la méthode de Craig-Bampton. Le nombre de degrés de liberté est trop élevé pour permettre une estimation des rotations par mesures de déplacements supplémentaires, la condensation dynamique est employée afin de les supprimer dans le modèle théorique. Par ailleurs, la régularisation induisant une perte de résolution spatiale à cause de son effet de lissage, une procédure de déconvolution spatiale basée sur l'algorithme de Richardson-Lucy a été ajoutée en post traitement. Enfin, une application de la méthode à la détection de défauts a été envisagée de même que l'application de la méthode à l'identification des efforts appliqués par une pompe à huile sur un banc d'essais industriel. Le travail s'est donc appuyé sur des développements numériques et la méthode a été validée expérimentalement en laboratoire et en contexte industriel. Les résultats de la thèse fournissent un outil prédictif des efforts injectés par des sources de vibrations raccordées à une structure en s'appuyant sur un modèle Eléments Finis local et des mesures de déplacements vibratoires, le tout en régime harmonique
The object of this thesis is the extension to complex structures of the RIFF method (Résolution Inverse Fenêtrée Filtrée). Considering a subpart of a structure, the main idea is to build a local Finite Element model using free boundary conditions. First, the general method was developed on beams. Vibration measurements are injected in the Finite Element model of the analysed part of the beam. Rotations are estimated using extra-displacement measurements and elementary shape functions. The method is highly sensitive towards errors present in measurements, so a regularisation had to be used. This one consists in a double inversion of the operator where a Tikhonov regularisation is applied when performing the second inversion. The regularisation parameter is tuned by the L-curve principle. Because of the smoothing effect of the Tikhonov procedure, moments cannot be reconstructed anymore at this stage, but they do still appear as sets of opposite forces. This setback led us to solve the problem by restricting it to forces only equations. At last, the study of the truncature of the domain was conducted in the aim to suppress coupling forces appearing at the limits of the studied area. Then, the case of plates was considered in order to increase progressively the models’ complexities. The Finite Element approach permitted us to implement dynamical condensation as well as Craig-Bampton reduction techniques. This allowed us to reduce the total number of degrees of freedom to be taken into account both from a numerical and an experimental standpoint. For example, dynamical condensation allows to eliminate rotations in the model. Besides, regularisation induces a lack of spatial resolution because of its smoothing effect. A spatial deconvolution technique was therefore developed; it is based on the Richardson-Lucy algorithm which is applied at a post-processing stage. At last, it was successfully proposed to extend the method to the application of detecting defaults present in the structure. The method was also validated on an industrial test bench in order to identify the forces applied by an oil pump taken from a truck’s engine. This phD thesis relied on numerical developments and the method was validated experimentally both in laboratory and industrial context. Main results provide a predictive tool to evaluate injected forces by vibration sources linked to a structure. It necessitates to inject vibratory displacements measurements into a Finite Element model

Le comportement local au contact et son interaction avec la dynamique globale du système sont à l'origine d’innombrables problèmes de contact concernant plusieurs disciplines telles que la tribologie, la géophysique, la mécanique de vibration ou la mécanique de la rupture. Lorsque deux corps élastiques sont en mouvement relatif avec une interface de frottement, des vibrations induites se produisent dans le système. Dans un point de vue macroscopique, le scénario macroscopique de stick-slip survenant pendant le mouvement relatif est caractérisé par la chute soudaine de la force de frottement (état de glissement), séparées par des périodes d'accumulation d'énergie élastique (état d’adhérence). Autrement, une instabilité dynamique se produit quand un mode de vibration du système mécanique devient instable en raison des forces de frottement. Ces types d'instabilités, générées par des forces de frottement, ont été principalement objet de publies traitant de problèmes spécifiques dans différents domaines. Dans ce contexte, des analyses expérimentales et numériques ont été ici mis en place pour comprendre comme le comportement de l'interface locale affecte la réponse macroscopique du système et vice-versa, au cours de scénarios d'instabilité. Les scénarios macroscopiques (instabilité de « stick-slip macroscopique », instabilité modale, glissement continu stable), survenant entre deux milieux élastiques simples en mouvement relatif, ont été étudiés numériquement et expérimentalement. Un dispositif expérimental dédié (TRIBOWAVE) a été développé et a permis de reproduire et examiner les différents scénarios de frottement dans des conditions aux limites bien contrôlées. Les mêmes scénarios de frottement ont été reproduits par des simulations numériques transitoires. Une loi de frottement en fonction du temps d’adhérence (stick) a été définie à partir des essais expérimentaux. La loi de frottement obtenue a été mise en œuvre dans le modèle numérique, conduisant à une validation quantitative des scénarios de frottement par les expériences. Les simulations transitoires non linéaires, l’analyse aux valeurs propres complexes et les tests expérimentaux ont permis de dessiner des cartes de scénarios d'instabilité en fonction des paramètres clés du système. Validé par la comparaison avec les mesures des signaux expérimentaux globaux (forces, accélérations / vitesse), le modèle numérique a permis d'étudier le couplage entre le comportement du contact local (distribution de l'état du contact, propagation des ondes et des ruptures, précurseurs) et la réponse dynamique du système au cours du « stick-slip macroscopique », de l’instabilité due au couplage modale et du glissement continu stable. La compréhension du couplage entre le contact et la dynamique des systèmes apportera de nouvelles améliorations sur le contrôle des instabilités de contact et les problèmes d'usure connexes
Local contact behavior and its interaction with the global dynamics of the system are at the origin of innumerable contact issues concerning several different disciplines like tribology, geophysics, vibration mechanics or fracture mechanics. When two elastic media are in relative motion with a frictional interface, friction induced vibrations arise into the system. By a macroscopic point of view, the “macroscopic stick-slip” scenario occurring during relative motion is characterized by sudden friction force drops (sliding state) along the time, separated by periods of elastic energy accumulation (stick state). Instead, the mode dynamic instability occurs when a vibration mode of the mechanical system becomes unstable, due to frictional contact forces. This kind of instabilities, generated by frictional forces, have been mainly object of papers dealing with specific issues in different domains. In this context, experimental and numerical analyses have been focused here on understanding how the local interface behavior affects the macroscopic frictional response of the system, and, conversely, during instability scenarios. The macroscopic frictional scenarios (macroscopic stick-slip instability, mode coupling instability, stable continuous sliding) arising between two simple elastic media in relative motion have been investigated numerically and experimentally. A newer experimental setup (TRIBOWAVE) has been developed and it allowed to reproduce and to investigate the different scenarios under well-controlled boundary conditions. The same frictional scenarios have been reproduced by transient numerical simulations. A dedicated friction law as a function of adherence (sticking) time has been recovered by means of experimental tests. The obtained friction law has been implemented in the numerical model, leading to a quantitative validation of the simulated scenarios by the experiments. Nonlinear transient simulations, complex eigenvalue analyses and experimental tests allowed for drawing instability maps as a function of system key parameters. The numerical model, validated by the comparison with the experimental global measurements (forces, accelerations/velocity), allowed for investigating the coupling between the local contact behavior (contact status distribution, wave and rupture propagation, precursors) and the system dynamic response during macroscopic stick-slip instability, mode coupling instability and stable continuous sliding. The understanding of the coupling between contact and system dynamics will bring to further improvements on the control of contact instabilities and related wear issues

En raison de leurs grandes longueurs d'onde, les vibrations mécaniques en basses fréquences ne peuvent être facilement réduites dans les structures par l'utilisation de matériaux dissipatifs. Malgré ces difficultés, l'atténuation des vibrations en basses fréquences reste un enjeu important. Pour résoudre ce problème, différents axes de recherche ont été étudiés et ont été mis en application pour stocker et dissiper l'énergie vibratoire comme l'utilisation d'oscillateurs linéaires, composés d'une masse, d'un ressort et d'un amortisseur. Leur fréquence de résonance doit coïncider avec la fréquence de résonance de la structure que l'on veut atténuer. L'utilisation d'absorbeurs se comportant comme des oscillateurs ayant un comportement non linéaire est une alternative intéressante. En effet, grâce à un étalement fréquentiel de la réponse de l'oscillateur, celui-ci permet d'atténuer les vibrations de la structure sur une plus large bande de fréquence que ceux ayant un comportement linéaire, sans avoir de dédoublement de la résonance de la réponse en deux pics. Les travaux présentés ici se placent dans le cadre de la réduction vibratoire, à l'échelle macroscopique, en basses fréquences, pour lesquelles les premiers modes structuraux sont excités. Un absorbeur non linéaire a été conçu, réalisé et analysé expérimentalement, modélisé et identifié expérimentalement pour mettre en évidence le phénomène d'élargissement de la bande de fréquence de la réponse. Les effets de cet absorbeur sur le comportement dynamique d'une poutre console ont ensuite été numériquement étudiés, à partir d'un modèle de poutre couplée à des absorbeurs non linéaires. Un modèle réduit et son solveur stochastique ont été développés dans ce cadre. Les résultats ont exposé le fait que l'absorbeur non linéaire permet une atténuation de la réponse de la poutre, sans le dédoublement de la résonance
Due to their long wavelengths, mechanical vibrations at low frequencies cannot easily be reduced in structures by using dissipative materials. Despite these difficulties, the attenuation of vibration at low frequencies remains an important concern. To solve this problem, several ways of research have been explored and have been applied to vibration energy pumping such as linear oscillators, composed of a mass, a spring, and a damper. Their resonance frequency must coincide with the resonant frequency of the structure that has to be attenuated. The absorbers that are oscillators with a nonlinear behavior constitute an interesting alternative. The response of the nonlinear oscillator allows for obtaining an attenuation of vibration over a broader frequency band than the response of linear oscillator, without splitting the resonance that has to be attenuated into two resonances. The work presented here is in the frame of the vibratory reduction, on a macro-scale, at low frequencies, for which the first structural modes are excited. A nonlinear absorber has been designed, experimentally realized and analyzed, modeled and experimentally identified to highlight the phenomenon of broadening the frequency band of the response. The effects of this absorber on the dynamic behavior of a cantilever beam have been numerically studied, using a model of the beam coupled to nonlinear absorbers. A reduced-model and its stochastic solver have also been developed. The results obtained show that the nonlinear absorber allows for obtaining an attenuation on the beam response, without splitting of the resonance that has to be attenuated

Ce mémoire porte sur la conception d'un accouplement à roue-libre. Il est destiné à remplacer l'embrayage piloté d'un véhicule hybride parallèle " ZEV ", simple arbre, à boîte de vitesses pilotée. Le premier chapitre définit le véhicule hybride étudié. Il développe ses modes de fonctionnement et montre la nécessité d'isoler le moteur thermique du reste de la chaîne de traction, en fonction des conditions de roulage. Le chapitre deux présente et compare deux solutions possibles : l'embrayage à sec piloté et la roue-libre. La mise au point de la solution à roue-libre a nécessité d'étudier les vibrations de torsion dans la transmission. Un outil modulaire spécifique a été développé sous MATLAB SIMULINK. Il est présenté dans le chapitre trois. Enfin, le chapitre quatre montre comment cet outil a été employé en phase de conception et présente une solution constructive. Cet accouplement doit être implanté dans un véhicule hybride prototype réalisé conjointement par le LAMIH et PSA
This thesis deals with the design of a free-wheel clutch. This unit is intended to replace the automated dry single-plate clutch of a parallel hybrid car with thermal and electric powertrain. Furthermore, the car is a single shaft zero emission vehicle fitted with a controlled gearbox. Chapter one focuses on the type of hybrid vehicle studied. It shows the need to isolate the engine from the rest of the drive train, depending on the driving conditions. Chapter two presents and compares the two alternatives : automated clutch and free-wheel. In order to develop the free-wheel option, the torsional vibrations in the automotive drive line had to be closely studied. It required the design of a specific modular tool, as presented in chapter three, with the help of MATLAB SIMULINK. Lastly, chapter four shows how this tool was used during the design stage and specifies the way to build it. The free-wheel is then to be fitted to a prototype hybrid vehicle, constructed by both the LAMIH and PSA