Le fort niveau de bruit (plus de 100dBA) présent dans une cabine d'hélicoptère est très inconfortable pour l'équipage et les passagers. Le niveau de bruit en cabine est aujourd'hui un critère de vente primordial pour les constructeurs aéronautiques. Bien souvent, et sur la flotte des aéronefs existants, il n'est pas possible de remédier de façon passive aux problèmes de bruit. Dans le cas étudié de l'hélicoptère, les vibrations du support du rotor principal sont contrôlées activement à l'aide d'un ensemble d'actionneurs à empilements piézocéramiques. En effet, c'est l'énergie vibratoire du toit qui est ensuite transmise sous forme d'énergie acoustique en cabine, et donc en bruit inconfortable pour les passagers. Cette énergie vibratoire se propage de la transmission au toit par les supports de transmission. Un actionneur de contrôle à empilement a été développé et validé à cet effet. Cet actionneur se doit d'être à la fois résistant aux efforts de traction subis par la structure en vol et facilement intégrable à la structure existante, tout en remplissant complètement sa fonction dans un système de contrôle actif. Plusieurs modélisations ont été effectuées pour développer cet actionneur, puis validées expérimentalement. La théorie d'un empilement de céramiques piézoélectriques a été étudiée afin d'aboutir à la conception d'un actionneur à empilement précontraignable et vissable sur une structure à contrôler. Le comportement de l'actionneur développé a été étudié dans le cas où il est vissé sur une poutre simple de section rectangulaire pour des cas de flexion et d'extension. Un modèle analytique simplifié de la poutre surmontée de l'actionneur a été developpé puis confronté à un modèle par éléments finis qui prend en compte la géométrie exacte de l'actionneur et utilise une analogie thermoélectrique pour la représentation des potentiels électriques appliqués à l'actionneur. Pour la flexion, ces deux modèles ont été par la suite comparés à des résultats expérimentaux obtenus par vibrométrie laser, et ont permis de les valider. Une optimisation de certains paramètres de l'actionneur a permis de montrer qu'il est possible de tirer les meilleures performances de l'actionneur en respectant certaines conditions. Une simulation de contrôle actif optimal a également été faite pour l'actionneur à empilement en comparaison d'un actionneur collé employé précédemment. L'action passive de l'actionneur à empilement s'est vu que peu influençable sur la structure à contrôler. Un système de quatre actionneurs a finalement été positionné sur le modèle par éléments finis du support réel de la transmission de l'hélicoptère. Une simulation de contrôle optimal a également été possible et a permis de mettre en avant une méthode par superposition des résultats pour contourner les limitations du logiciel d'éléments finis.

La réduction du bruit rayonné par une paroi est une préoccupation pour toutes les applications où un fort bruit peut être transmis par le biais d’une cloison. Dans de tels cas, on peut faire appel à des méthodes de contrôle actif vibro-acoustique pour injecter (ou "absorber") de l’énergie vibratoire dans la paroi dans le but d’en réduire le rayonnement acoustique. Dans le cas du contrôle actif vibratoire décentralisé, la mise en oeuvre demande l’installation de plusieurs unités actionneur/capteur co-localisés indépendantes qui sont réparties sur la surface. L’utilisation d’un sensori-actuateur – transducteur qui peut actionner et mesurer simultanément – est intéressante pour obtenir une co-localisation parfaite. La réalisation par un piézoélectrique assure en plus la dualité des variables d’entrée et de sortie ce qui permet de créer un port Hamiltonien sur la structure. Le défi est la conception d’une électronique et d’un algorithme de compensation capable d’isoler explicitement la partie du courant électrique mesuré par le sensori-actuateur, qui correspond à la vibration globale de la structure à laquelle il est couplé. Ce dernier n’étant qu’une fraction du courant qui traverse le piézoélectrique, qui inclut aussi un courant dû au fonctionnement électrique du sensori-actuateur et un courant découlant d’une déformation locale non liée à la vibration globale et au rayonnement acoustique de la structure. L’objectif de ce mémoire est de présenter la conception et la validation d’un sensori-actuateur piézoélectrique pouvant être utilisé pour faire du contrôle actif harmonique de vibrations d’une plaque. Le circuit électronique du sensori-actuateur est d’abord présenté, de même que la démarche pour le choix des composants. Puis, le courant mesuré à l’aide de ce circuit est validé en regard du courant théorique attendu. Une correction dans le domaine fréquentiel du courant mesuré est proposée afin d’isoler la partie du courant correspondant à la vibration globale de la plaque. Cette correction est obtenue expérimentalement et son efficacité a été vérifiée par une mesure de la vitesse transversale de la plaque à la position du sensori-actuateur. Ce sensori-actuateur a ensuite été utilisé comme transducteur lors d’essais de contrôle actif de vibrations. Les performances d’atténuation des vibrations obtenues ont été au moins comparables à ce qui est obtenu avec l’utilisation d’un couple actionneur/capteur co-localisés. La nécessité de tenir compte de l’effet local du piézoélectrique sur la structure a aussi été mise en évidence. L’originalité du sensori-actuateur piézoélectrique présenté ici tient du fait que la compensation complète du signal est toute numérique et appliquée en temps réel.

This work is centered on the modeling, experimental identification, and dynamic interaction of inherently present and intentionally designed nonlinearities of piezoelectric structures focusing on applications to vibration energy harvesting. The following topics are explored in this theoretical and experimental research: (1) frequency bandwidth enhancement using a simple, intentionally designed, geometrically nonlinear M-shaped oscillator for low-intensity base accelerations; (2) multi-term harmonic balance analysis of this structure for primary and secondary resonance behaviors when coupled with piezoelectrics and an electrical load; (3) inherent electroelastic material softening and dissipative nonlinearities for various piezoelectric materials with a dynamical systems approach; and (4) development of a complete approximate analytical multiphysics electroelastic modeling framework accounting for material, dissipative, and strong circuit nonlinearities. The ramifications of this research extend beyond energy harvesting, since inherent nonlinearities of piezoelectric materials are pronounced in various applications including sensing, actuation, and vibration control, which can also benefit from bandwidth enhancement from designed nonlinearities.

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Noise and vibrations belong under the sources of endangerment of the environment and can cause permanent damage of human health therefore it is necessary to legally control them. A protection is provided by a regulation by international and domestic law. The most influence on Czech law have the legislation of the European union. The foundation of the domestic public law regulation is the Public Health Protection Act and the order of the government Nr. 272/2011 Coll. which sets the highest admissible limits of noise and vibrations. The regulation of the private law is centered to the instruments of the Civil Code. The so called new Civil Code brings many changes into this legal area.

Les travaux de recherche menés dans cette thèse représentent une méthodologie de travail pour contribuer à l’étude du comportement dynamique non linéaire du système M – O – P en fraisage. Cette méthodologie est orientée selon les objectifs principaux relatifs à cette thèse. En effet, la recherche bibliographique réalisée a permis de donner un aperçu sur les travaux existants dans ce cadre et d’identifier les phénomènes vibratoires générés par la dynamique de coupe et les mécanismes d’instabilité mis enjeu. En fait, le processus de coupe génère, selon le cas, deux formes de vibrations : les vibrations forcées et les vibrations auto – entretenues. Dans une première approche, nous avons développé un modèle masse – ressort (à deux degrés de liberté) du système O – P pour étudier et analyser le comportement dynamique de la cellule élémentaire en fraisage. Ce modèle a permis d’examiner l’influence de la profondeur de passe sur la stabilité de la coupe. Cependant, ce modèle semble être insuffisant pour quantifier avec précision les vibrations en fraisage car les sources vibratoires générées par la dynamique de la machine ne peuvent être négligées. Dans une deuxième approche, nous avons modélisé le système globale Machine - Outil - Pièce. En effet, un modèle numérique basé sur la méthode de sous-structuration par éléments finis de l’ensemble M – O – P a été développé. Cette modélisation permet de tenir compte de l’effet de l’inertie des différents éléments tournants de la fraiseuse, de la structure de la machine et de la forme de l’outil. Nous avons ainsi réalisé des simulations du comportement dynamique global de l’opération du fraisage. L’influence de différents paramètres sur l’effort de coupe tels que l’avance, la profondeur de passe, les réponses dynamiques suivant les trois axes a été étudié. Cette étude a permis de conclure que ces paramètres sont fortement affectés par l’usinage. Pour compléter cette étude numérique, une étude expérimentale a été menée afin d’étudier l’influence de différents paramètres de coupe. En effet, la méthodologie expérimentale développée a mis en évidence les paramètres les plus importants qui influent sur le comportement dynamique globale du système M – O – P. Cette étude expérimentale a nécessité le développement d’un plan d’expérience complet pour pouvoir définir les paramètres d’entrées/sorties et organiser les essais à effectuer. L’analyse des résultats a permis de détecter l’influence de l’avance et de la profondeur de passe sur le niveau des vibrations générées. Le bilan de ces résultats a mis le point sur les niveaux extrêmes des variables provoquant le niveau vibratoire le plus élevé. De plus une confrontation entre les résultats expérimentaux et numériques a été effectuée et a montré une bonne concordance. / The research led in this thesis represents a methodology to contribute to the study of nonlinear dynamic behavior of the system M - O - P in milling. This methodology is directed according to the main objectives relative to this thesis. Indeed, the literature allows giving an overview of the existing work in this context and identifies the vibration phenomena generated by the dynamics of cutting mechanisms and the instability of the involved set cut. In fact, the cutting process generates, as applicable, two types of vibration: forced vibration and self – excited vibration. In a first approach, we developed a model mass - spring (with two degrees of freedom) of the system O - P to study and analyze the dynamic behavior of the elementary machining cell in milling. This model was used to examine the influence of the depth of cut on the stability of the cut. However, this model appears to be insufficient to accurately quantify the vibrations in milling because the sources vibration generated by the dynamics of the machine cannot be neglected. In a second approach, we modeled the overall system Machine - Tool - Part; indeed, a numerical model based on the substructure method by finite element of the M - O - P was developed. This modeling takes into account the effect of inertia of the various rotating elements of the milling machine, the machine structure and shape of the tool. We have conducted simulations of the dynamic behavior of the overall operation of milling. The influence of different parameters on the cutting force such as advance, the depth of cut, and the dynamic responses along the three axes was investigated. This study concluded that these parameters are strongly affected by machining. To complement this numerical study, an experimental study was conducted to study the influence of different cutting parameters. Indeed, the experimental methodology developed has highlighted the most important parameters that influence the overall dynamic behavior of the system M - O - P. This experimental study required the development of an experimental complete to define the parameters of Input / Output and arrange to be tested. The analysis of the results allowed detecting the influence of feed and depth of cut on the level of vibration generated. The outcome of these results put the item on the extreme levels of variables causing the vibration level is higher. Over a confrontation between the experimental and numerical results was performed and showed a good agreement.

Les travaux de recherche menés dans cette thèse représentent une méthodologie de travail pour contribuer à l'étude du comportement dynamique non linéaire du système M - O - P en fraisage. Cette méthodologie est orientée selon les objectifs principaux relatifs à cette thèse. En effet, la recherche bibliographique réalisée a permis de donner un aperçu sur les travaux existants dans ce cadre et d'identifier les phénomènes vibratoires générés par la dynamique de coupe et les mécanismes d'instabilité mis enjeu. En fait, le processus de coupe génère, selon le cas, deux formes de vibrations : les vibrations forcées et les vibrations auto - entretenues. Dans une première approche, nous avons développé un modèle masse - ressort (à deux degrés de liberté) du système O - P pour étudier et analyser le comportement dynamique de la cellule élémentaire en fraisage. Ce modèle a permis d'examiner l'influence de la profondeur de passe sur la stabilité de la coupe. Cependant, ce modèle semble être insuffisant pour quantifier avec précision les vibrations en fraisage car les sources vibratoires générées par la dynamique de la machine ne peuvent être négligées. Dans une deuxième approche, nous avons modélisé le système globale Machine - Outil - Pièce. En effet, un modèle numérique basé sur la méthode de sous-structuration par éléments finis de l'ensemble M - O - P a été développé. Cette modélisation permet de tenir compte de l'effet de l'inertie des différents éléments tournants de la fraiseuse, de la structure de la machine et de la forme de l'outil. Nous avons ainsi réalisé des simulations du comportement dynamique global de l'opération du fraisage. L'influence de différents paramètres sur l'effort de coupe tels que l'avance, la profondeur de passe, les réponses dynamiques suivant les trois axes a été étudié. Cette étude a permis de conclure que ces paramètres sont fortement affectés par l'usinage. Pour compléter cette étude numérique, une étude expérimentale a été menée afin d'étudier l'influence de différents paramètres de coupe. En effet, la méthodologie expérimentale développée a mis en évidence les paramètres les plus importants qui influent sur le comportement dynamique globale du système M - O - P. Cette étude expérimentale a nécessité le développement d'un plan d'expérience complet pour pouvoir définir les paramètres d'entrées/sorties et organiser les essais à effectuer. L'analyse des résultats a permis de détecter l'influence de l'avance et de la profondeur de passe sur le niveau des vibrations générées. Le bilan de ces résultats a mis le point sur les niveaux extrêmes des variables provoquant le niveau vibratoire le plus élevé. De plus une confrontation entre les résultats expérimentaux et numériques a été effectuée et a montré une bonne concordance.

Ce travail présente des méthodes simplifiées pour la simulation de l'usinage. Deux axes sont choisis, la simulation de l'erreur de forme ainsi que la prédiction du broutement. La pièce et l'outil sont supposés déformables. Ils sont modélisés par la méthode des éléments finis. La coupe est modélisée par l'application de l'effort de coupe comme un chargement ponctuel. Cet effort de coupe est obtenu en utilisant des lois expérimentales. Pour prédire l'erreur de forme, l'écart outil-pièce est calculé pour chaque configuration de l'application de l'effort de coupe et le défaut de forme final est reconstruit à partir de ces résultats. Les effets régénératifs ne sont pas pris en compte. Par conséquent, l'instabilité de la coupe ne peut pas être prévue. L'étude de l'instabilité fait l'objet des méthodes de prédiction du broutement. Elles utilisent une approche fréquentielle pour calculer la limite inconditionnelle de stabilité du système. Pour chacun des deux aspects, une première méthode basée sur la statique du système est présentée puis discutée. Une méthode basée sur le comportement dynamique du système est ensuite présentée. Les résultats calculés sont confrontés à des résultats expérimentaux.

The influence of periodic vibrations on the granular flow of materials is of great interests to scientists and engineers due to both theoretical and practical reasons. In this paper, the stability of a vertically vibrated granular layer is examined by linear stability analysis. This includes two major steps, firstly, the base state at various values of mass holdup (Mt) and energy input (Qt) is calculated and secondly, small perturbations are introduced to verify the stability of the base state by solving the resultant eigenvalue problem derived from the linearized governing equations and corresponding boundary conditions. Results from the base state solution show that, for a given pair of Mt and Qt, solid fraction tends to increase at first along the layer height and then decrease after a certain vertical position while granular temperature decreases rapidly from the bottom plate to the top surface. This may be due to the existence of inelastic collisions between particles that dissipate the energy input from the bottom. It is also found that more energy input results in a lower solid fraction and a higher granular temperature. The stability diagram is constructed by checking the stability property at different points in the Mt-Qt plane. For a fixed Mt, the base state is stable at low energy inputs, and becomes unstable if Qt is larger than a critical value Qtc1. A higher value of Mt corresponds to a larger Qtc1. There also exists a critical mass holdup (Mtc), for Mt larger than Mtc, the patterns corresponding to the instabilities are standing waves (stationary mode); otherwise the flat layer appears (layer mode). Moreover, the stationary mode turns into the layer mode when Qt is increased beyond a critical value Qtc2. These findings agree with the experimental observations of other researchers (Hsiau and Pan, 1998). The effects of restitution coefficients (ep, ew) and material properties (dp, ρp) on the stability diagram are also investigated. Together with Mt and Qt these variables can be classified into two groups, i.e. the stabilizing factors (Mt, dp, ρp) and the destabilizing factors (Qt, ep, ew). The stability of the system is enhanced with increasing stabilizing factors and decreasing destabilizing factors. / Singapore-MIT Alliance (SMA)

Tool chatter in longitudinal turning is addressed with a new perspective using a complex machining model describing the coupled tool-workpiece dynamics subject to nonlinear regenerative cutting forces, instantaneous depth-of-cut (DOC) and workpiece whirling due to material imbalance. The workpiece is modeled as a system of three rotors: unmachined, being machined and machined, connected by a flexible shaft. The model enables workpiece motions relative to the tool and tool motions relative to the machining surface to be three-dimensionally established as functions of spindle speed, instantaneous DOC, rate of material removal and whirling. Excluding workpiece vibrations from the cutting model is found improper. A rich set of nonlinear behaviors of both the tool and the workpiece including period-doubling bifurcation and chaos signifying the extent of machining instability at various DOCs is observed. Presented numerical results agree favorably with physical experiments reported in the literature. It is found that whirling is non-negligible if the fundamental characteristics of machining dynamics are to be fully understood. The 3D model is explored along with its 1D counterpart, which considers only tool motions and disregards workpiece vibrations. Numerical simulations reveal diverse behaviors for the 3D coupled and 1D uncoupled equations of motion for the tool. Most notably, observations made with regard to the inconsistency in describing stability limits raise the concern for using 1D models to obtain stability charts. The nonlinear 3D model is linearized to investigate the implications of applying linear models to the understanding of machining dynamics. Taylor series expansion about the operating point where optimal machining conditions are desired is applied to linearize the model equations of motion. Modifications are also made to the nonlinear tool stiffness term to minimize linearization errors. Numerical experiments demonstrate inadmissible results for the linear model and good agreement with available physical data in describing machining stability and chatter for the nonlinear model. Effects of tool geometry, feed rate, and spindle speed on cutting dynamics are also explored. It is observed that critical DOC increases with increasing spindle speed and small DOCs can induce cutting instability -- two of the results that agree qualitatively well with published experimental data.