Thèse doctorat : Génie Electrique : Villeurbanne, INSA : 2006. / Titre provenant de l'écran-titre. Bibliogr. p. 150-155. Publications de l'auteur p. 148-149.

Reproduction de : Thèse doctorat : Mécanique acoustique : Reims : 2008. / Titre provenant de l'écran titre. Bibliogr. f.

Les matériaux viscoélastiques sont utilisés dans tous les domaines de l'ingénierie et des systèmes mécaniques, de l'électroménager, spatial, l'automobile, l'aéronautique ou le génie civil (ponts...) grâce à leur capacité d’amortir les chocs ou de filtrer les vibrations. Ce travail constitue une contribution à l’étude du comportement dynamique non linéaire des composants viscoélastiques notamment les élastomères. Dans ce mémoire, on introduit, d’abord, les propriétés mécaniques des élastomères, pour les aspects viscoélasticité et friction. Un rappel des différents phénomènes physiques et une liste non-exhaustive des modèles existants dans la littérature sont présentés. Ensuite, on propose des techniques expérimentales afin de décrire le comportement dynamique sous sollicitations uniaxiales d’un élastomère. Une description des bancs d’essais, des chaines d’analyse vibratoire, des méthodes de traitement des données des essais et d’analyse des mesures expérimentales est détaillée dans ce manuscrit. Une nouvelle approche du modèle de Maxwell généralisé a été proposée pour décrire le comportement dynamique du composant viscoélastique. Ce modèle permet une description précise et une bonne connaissance du comportement dynamique des composants viscoélastiques en fonction de l’amplitude, de la précharge et de la fréquence. La dissipation d'énergie identifiée sous forme d'amortissement peut être issue de l'amortissement intrinsèque des matériaux polymère comme de la friction aux interfaces dans le cas de composants caoutchoucs non adhérisés sur les pièces, dans ce travail, un nouveau modèle visco-tribologique a été développé en couplant les propriétés rhéologiques linéaires du modèle de Maxwell généralisé et le modèle de frottement de Dahl pour la description du comportement de frottement hystérétique des liaisons viscoélastiques non adhérisées. / Viscoelastic materials are used in all areas of engineering and mechanical systems, appliances, aerospace, automotive, aerospace and civil engineering (bridges...) through their ability to absorb shock and vibration filtering. This work is a contribution to the study of nonlinear dynamic behavior of viscoelastic components particularly elastomers. In this dissertation, we introduced the mechanical properties of elastomers, for both viscoelasticity and friction aspects. A review of the different physical phenomena and a non-exhaustive list of existing models in the literature are presented. Then, we propose experimental techniques to describe the dynamic behavior under uniaxial stress of an elastomer. A description of test benches, vibration analysis chains, methods of processing data and analysis of experimental measurements is detailed in this manuscript. A new approach of generalized Maxwell model was proposed to describe the dynamic behavior of viscoelastic component. This model allows an accurate description and a good knowledge of the dynamic behavior of viscoelastic components depending on amplitude, frequency and preload. Energy dissipation identified as damping can be from intrinsic damping of the polymer as friction at the interfaces in case of not bonded rubber component to mechanical part, a new viscoelastic model tribological was developed by combining the rheological properties of linear generalized Maxwell model and the Dahl friction model for describing the behavior of viscoelastic hysteretic friction of not bonded connections.

Les matériaux viscoélastiques sont utilisés dans tous les domaines de l'ingénierie et des systèmes mécaniques, de l'électroménager, spatial, l'automobile, l'aéronautique ou le génie civil (ponts...) grâce à leur capacité d'amortir les chocs ou de filtrer les vibrations. Ce travail constitue une contribution à l'étude du comportement dynamique non linéaire des composants viscoélastiques notamment les élastomères. Dans ce mémoire, on introduit, d'abord, les propriétés mécaniques des élastomères, pour les aspects viscoélasticité et friction. Un rappel des différents phénomènes physiques et une liste non-exhaustive des modèles existants dans la littérature sont présentés. Ensuite, on propose des techniques expérimentales afin de décrire le comportement dynamique sous sollicitations uniaxiales d'un élastomère. Une description des bancs d'essais, des chaines d'analyse vibratoire, des méthodes de traitement des données des essais et d'analyse des mesures expérimentales est détaillée dans ce manuscrit. Une nouvelle approche du modèle de Maxwell généralisé a été proposée pour décrire le comportement dynamique du composant viscoélastique. Ce modèle permet une description précise et une bonne connaissance du comportement dynamique des composants viscoélastiques en fonction de l'amplitude, de la précharge et de la fréquence. La dissipation d'énergie identifiée sous forme d'amortissement peut être issue de l'amortissement intrinsèque des matériaux polymère comme de la friction aux interfaces dans le cas de composants caoutchoucs non adhérisés sur les pièces, dans ce travail, un nouveau modèle visco-tribologique a été développé en couplant les propriétés rhéologiques linéaires du modèle de Maxwell généralisé et le modèle de frottement de Dahl pour la description du comportement de frottement hystérétique des liaisons viscoélastiques non adhérisées.

Cette thèse s'inscrit dans la continuation du travail de Younes Achkire, consacré au contrôle actif des ponts haubanés. Elle traite de l'implémentation d'un système de contrôle actif sur des maquettes de structures câblées. Deux types de structures sont étudiés expérimentalement: les ponts haubanés et les treillis spatiaux. Après une brève introduction sur l'usage du contrôle actif dans ces domaines, le chapitre 2 traite numériquement des mécanismes d'interaction entre le câble et la structure. Au chapitre 3, nous présentons la stratégie de contrôle que nous utilisons pour stabiliser une structure câblée: il s'agit d'un contrôle décentralisé, basé sur des paires capteur/actionneur colocalisées, placées au niveau des ancrages des câbles, chacune équipée d'un contrôleur Intégral Force Feedback. Nous présentons une théorie linéaire simplifiée permettant de dimensionner le système et de prévoir son efficacité. Elle est illustrée sur un exemple, et nous discutons de la validité de certaines hypothèses simplificatrices. Le chapitre 4 est consacré au contrôle actif des ponts haubanés. Nous y présentons 2 maquettes. La première, de petite taille (3m) représente un pylône de pont haubané en construction. Elle est équipée d'actionneurs piézoélectriques. La seconde, installée au Centre Commun de Recherche d'Ispra (Italie), mesure 30m de long, et est équipée d'actionneurs hydrauliques. Les expériences réalisées sur ces maquettes ont démontré l'efficacité du contrôle et la fiabilité de la théorie prédictive. Le contrôle du flottement des ponts est traité sur un exemple numérique. Le chapitre 5 relate nos expériences d'amortissement actif des treillis spatiaux. Deux structures ont été étudiées: une colonne en treillis équipée de 3 câbles actifs, et une structure triédrique suspendue à des cordons élastiques pour simuler l'absence de gravité, également munie de câbles actifs. Deux concepts d'actionneur piézoélectrique ont été testés. Nous avons ensuite examiné le problème de la saturation des actionneurs, et celui du contrôle actif des microvibrations (~10nm) d'une structure câblée. Le chapitre 6 conclut ce travail, en souligne les aspects originaux et donne quelques perspectives de développement.

L’amélioration du confort des usagers ainsi que l’augmentation du niveau de sécurité des structures requièrent le développement de techniques permettant de limiter efficacement les vibrations. Dans cette optique, les travaux exposés ici proposent le développement et l’analyse de méthodes de contrôle vibratoire pour des structures de faibles dimensions et utilisant peu d’énergie. Afin de satisfaire à ces deux critères, il est ici proposé d’utiliser des éléments piézoélectriques électriquement interfacés de manière non-linéaire et périodiquement distribués sur la structure-cible à contrôler. Ainsi, l’approche proposée permet de bénéficier à la fois des avantages des techniques de contrôle non-linéaires appliquées aux matériaux intelligents de type piézoélectrique, offrant des performances remarquables tout en étant peu consommatrices d’énergie, avec ceux des structures périodiques exhibant des bandes fréquentielles interdites présentant de fortes atténuations de la propagation d’onde. Plus particulièrement, ce mémoire s’intéresse à différentes architectures d’interconnexion des interfaces électriques non-linéaires permettant un bon compromis entre la bande fréquentielle contrôlée et les performances en termes d’atténuation des vibrations. Ainsi, trois architectures principales sont proposées, allant de structures totalement périodiques, tant au niveau mécanique qu’électrique (interconnexions), à des structures présentant un certain degré d’apériodicité sur le plan électrique (entrelacement), impactant ainsi la propagation de l’onde acoustique en élargissant la bande de contrôle, pour enfin proposer une architecture hybride entre interconnexion et entrelacement conduisant à des systèmes large bande performants. / For ameliorating vibration reduction systems in engineering applications, miscellaneous vibration control methods, including vibration damping systems, have been developed in recent years. As one of intelligent vibration damping systems, nonlinear electronic damping system using smart materials (e.g., piezoelectric materials), is more likely to achieve multimodal vibration control. With the development of meta-structures (a structure based upon metamaterial concepts), electronic vibration damping shunts, such as linear resonant damping or negative capacitance shunts, have been introduced and integrated abundantly in the electromechanical meta-structure design for wave attenuation and vibration reduction control. Herein, semi-passive Synchronized Switch Damping on the Inductor (SSDI) technique (which belongs to nonlinear electronic damping techniques), is combined with smart meta-structure (also called smart periodic structure) concept for broadband wave attenuation and vibration reduction control, especially for low frequency applications. More precisely, smart periodic structure with nonlinear SSDI electrical networks is investigated from the following four aspects, including three new techniques for limiting vibrations: First, in order to dispose of a tool allowing the evaluation of the proposed approaches, previous finite element (FE) modeling methods for piezoelectric beam structures are summarized and a new voltage-based FE modeling method, based on Timoshenko beam theory, is proposed for investigating smart beam structure with complex interconnected electrical networks; then, the first developed technique lies in smart periodic structure with nonlinear SSDI interconnected electrical networks, which involves wave propagation interaction between continuous mechanical and continuous nonlinear electrical media; the second proposed topology lies in smart periodic structures with nonlinear SSDI interleaved / Tri-interleaved electrical networks involving wave propagation interaction between the continuous mechanical medium and the discrete nonlinear electrical medium. Due to unique electrical interleaved configuration and nonlinear SSDI electrical features, electrical irregularities are induced and simultaneously mechanical irregularities are also generated within an investigated periodic cell; the last architecture consists in smart periodic structures with SSDI multilevel interleaved-interconnected electrical networks, involving wave propagation interaction between the continuous mechanical medium and the multilevel continuous nonlinear electrical medium. Compared with the SSDI interconnected case, more resonant-type band gaps in the primitive pass bands of purely mechanical periodic structures can be induced, and the number of such band-gaps are closely related to the interconnection / interleaved level. Finally, the main works and perspectives of the thesis are summarized in the last chapter.

Les matériaux évolués tels que les matériaux composites ou les fibres de carbone sont de plus en plus utilisés dans l'industrie. Ils rendent les structures plus légères et plus résistantes mais en contrepartie, ils apportent de nouveaux problèmes de vibration. De nombreuses recherches sont ainsi en cours pour apporter des solutions afin d'éliminer les vibrations indésirables tout en restant compactes, légères, intelligentes et modulaires. Récemment, des techniques de contrôle non linéaires, dénommées en anglais S.S.D. (Synchronized Switch Damping) ont été proposées et validées. Ces méthodes font commutées un élément piézoélectrique collé à la structure mécanique à amortir sur un circuit électrique de manière synchronisée avec la déformation de celle-ci. Un effet amortissant peut ainsi être obtenu en utilisant l'énergie de vibration de la structure mécanique elle-même. Basée sur ces concepts, une nouvelle technique appelée S.S.D.E.T. (Synchronized Switch Damping with Energy Transfer) est proposée dans ce manuscrit. Cette méthode permet d'amortir une vibration en utilisant de l'énergie extraite à partir d'autres vibrations. Les résultats de ce travail de thèse sont présentés de la manière suivante. Premièrement, le principe et les lois de commande de la technique S.S.D.E.T. sont introduits. Ainsi, un modèle mathématique est établi et permet de vérifier les concepts proposés par simulation. Ensuite, des validations expérimentales menées sur différentes configurations sont décrites et démontrent l'augmentation de l'amortissement sur un système composé de deux structures mécaniquement indépendantes, sur un système composé d'une seule structure qui vibre selon plusieurs modes et sur une combinaison des deux précédents. Enfin, une extension de la technique S.S.D.E.T. est introduite dans un cadre d'échange d'énergie bidirectionnel. Celle-ci permet d'obtenir un amortissement privilégié sur un mode tout en conservant un contrôle correct des autres modes. / Advanced materials such as carbon fiber, composite materials et al. are more and more used in modern industry. They make the structures lighter and stiffer. However, they bring vibration problems. Researchers studied numerous methods to eliminate the undesirable vibrations. These treatments are expected to be a compact, light, intellectual and modular system. Recently, a nonlinear technique which is known as Synchronized Switch Damping (SSD) technique was proposed. These techniques synchronously switched when structure got to its displacement extremes that leading to a nonlinear voltage on the piezoelectric elements. This resulting voltage showed a time lag with the piezoelectric strain thus causing energy dissipation. Based on the developed SSD techniques, a new synchronized switch damping e.g. Synchronized Switch Damping with Energy Transfer (SSDET) was proposed in this document. This method damped the vibration by using the energy from other vibrating form. The objectives of the work reported in this document were threefold. The first one consisted of introduction of SSDET principle and developing its control law. This part aimed at establishing the mathematical model and verifying the proposed method by mathematical tools. Then, the experimental validations were carried out. Three experiments with different configurations demonstrated that SSDET can be implemented not only between structures but also vibrating modes in one structure. A SSDET scheme with multi-patches was also investigated for improving the damping. Finally, a bidirectional SSDET concept was introduced based on the original SSDET technique. This technique be regarded as a multimode control SSDET. Since it privileged the target vibration while keeps a decent control effect on the source vibration.

Le contrôle des vibrations est devenu un enjeu majeur et a reçu une attention considérable dans de nombreuses applications industrielles. Diverses approches de recherche ont été exploitées pour réduire les vibrations indésirables. Les matériaux intelligents développés peuvent contrôler et supprimer les vibrations d'une manière efficace et intelligente avec un poids ajouté supplémentaire négligeable par rapport au système. La majorité des recherches sur les matériaux intelligents a mis l'accent sur le contrôle d’une structure composite constituée avec des transducteurs piézoélectriques intégrés ou liés à la structure. Les avantages des matériaux piézoélectriques sont une bande passante élevée, une grande compacité, leur légèreté, leur facilité de mise en œuvre et les leurs bonnes caractéristiques de couplage électromécanique, ce qui les rend appropriés en tant que actionneurs et capteurs. Récemment, une technique de contrôle de vibration semi-passif non linéaire, appelé SSD (Synchronized Switch Damping) a été développée. SSD s'appuie sur une élévation cumulative de la tension aux bonnes de l’élément piézoélectrique résultant de la commutation continue de ladite tension. Il a été montré que les performances d’amortissement sont fortement liées à cette amplitude de tension totale disponible. Basé sur les techniques SSD, une nouvelle approche globale pour l'amortissement des vibrations d’une structure “intelligente” est proposée dans cette thèse. Elle est fondée sur une redistribution modale d'énergie par l'intermédiaire d'un réseau d'éléments piézoélectriques. L'objectif de ce travail est d’augmenter la tension piézo-électrique (directement lié à l'énergie opératoire d’amortissement) pour l'amélioration les performances d'amortissement. Dans cette approche semi-active proposée, l'énergie supplémentaire est fournie par un réseau d'éléments piézoélectriques qui recueille cette énergie sur les différents modes de vibration de la structure. Deux topologies de réseau d'origine sont développées pour le transfert d’énergie. L’une s'appelle SSDT "Synchronized Switch Damping by energy Transfer". L’autre est définie comme SSDD "Synchronized Switch Damping with Diode". L’évaluation et la comparaison des performances sont effectuées sur un modèle représentatif d'une plaque encastrée équipée de plusieurs éléments piézoélectriques dans le cas d’une excitation multimodale. Par rapport à la méthode SSDI modale, des résultats de simulation et un modèle global théorique sont enfin proposés pour démontrer la relation entre l'amélioration d’amortissement réalisable et l'énergie transférée par rapport à l'énergie mécanique de la structure. Ces résultats prouvent la capacité d'un réseau d'éléments piézoélectriques dans la gestion et la redistribution d'énergie de la structure pour améliorer l'amortissement de vibrations d’une structure intelligente. / Structural vibration control is an important issue and has received considerable research attention in many industry applications. Researches investigated various approaches to reduce undesirable vibrations. The smart materials can control and suppress vibration in an efficient and “intelligent” way without causing much additional weight. The majority of research in smart damping materials has focused on the control of composite structure using embedded or bonded piezoelectric transducers. The advantages of piezoelectric materials include high achievable bandwidth, compactness, lightness, easy implementation and good electromechanical coupling characteristics, thus making them appropriate for actuators and sensors applications. Recently, a non-linear semi-passive vibration control technique, so-called Synchronized Switch Damping (SSD), has been developed. SSD technique relies on a cumulative build-up of the voltage resulting from the continuous switching of the piezoelectric voltage and it was shown that the performance is strongly related to this total voltage amplitude available. Based on SSD techniques, a new global approach for improved vibration damping of smart structure, based on global energy redistribution by means of a network of piezoelectric elements is proposed in this thesis. The objective of this work is to propose a new approach to increase the piezoelectric voltage (also related to the damping operative energy) in order to improve the damping performance. In the proposed semi-active approach, the extra energy used to improve this voltage is gathered on the various modes of the structure using an interconnected piezoelectric element network. Two original network topologies are developed for transferring energy. One is named SSDT for “Synchronized Switch Damping by energy Transfer”. The second is defined as SSDD for “Synchronized Switch Damping with Diode”. Performance evaluations and comparisons are performed on a model representative of a clamped plate equipped with piezoelectric elements in the case of multimodal motion. Compared to the Modal-SSDI method used as a baseline, simulation results and a global theoretical model are proposed demonstrating the relationship between the achievable damping improvement and the ratio of transferred energy to the structure mechanical energy, thus proving the capability of a network of piezoelectric elements for global energy management and redistribution in order to improve the vibration damping of smart structures.

L’amélioration des performances des robots est un enjeu important dans le domaine industriel. Les objectifs visés sont l’augmentation de l’espace de travail, de la capacité de charge transportable, de la vitesse de travail et de la précision du robot. Pour atteindre ces objectifs, il faut en général augmenter la rigidité, diminuer la masse et augmenter la capacité d’amortissement du robot. Les robots actuels sont généralement fabriqués en métaux : aluminium ou acier, ce qui limite leurs performances en raison des faibles capacités d’amortissement des vibrations de ces matériaux. Les matériaux composites présentent l’avantage de combiner des matériaux différents, ce qui conduit à une variété de leurs performances. Parmi les types de renforts, les fibres de carbone présentent un module d’élasticité élevé permettant la conception de pièces de grandes rigidités statiques mais elles possèdent une faible capacité d’amortissement. Les fibres végétales, par contre, possèdent une faible densité, de bonnes propriétés spécifiques et des capacités d’amortissement élevées. Cette thèse porte sur l’amélioration des performances d’un robot parallèle 3CRS en utilisant des matériaux composites pour reconcevoir des pièces initialement fabriquées en aluminium. La thèse commence d’abord par une caractérisation des comportements statiques et dynamiques du robot initial constitué de bras en aluminium. Ensuite, la forme des segments des bras robotiques est optimisée par rapport aux sollicitations mécaniques sur le robot. Un nouveau composite stratifié hybride renforcé par des fibres de carbone et des fibres de lin est alors proposé. Cette combinaison permet d’allier les avantages des deux types de fibres dans un composite pour le dimensionnement des composants sous sollicitation élevée. La structure de ce nouveau composite a été optimisée puis un segment est fabriqué pour valider la conception. Finalement, l’étude du nouveau robot avec des bras en matériaux composites a été réalisée, les résultats montrent que la rigidité du robot augmente, sa masse diminue légèrement et sa capacité d’amortissement augmente considérablement par rapport au robot initial. Donc, l’application du composite stratifié hybride peut améliorer les performances statiques et dynamiques et augmenter significativement la précision en fonctionnement du robot 3CRS. / Improvement of the robot’s performances is a major challenge in the industrial field. In general, improvement objectives are increasing workspace, transportable capacity, speed and precision of the robot. To achieve these objectives, it must increase rigidity, reduce weight and increase damping capacity of the robot. Currently, the robots are generally made of metals: aluminum or steel, which limits their performances due to low damping capacity of these materials.Composite materials present an advantage to combine different materials, which leads to a variety of composite material properties. Among the types of reinforcements, carbon fibers show high modulus that enables robotic parts with high static rigidities to be designed. However, carbon fibers have generally a low damping capacity. Natural fibers have low density, good specific properties and high damping capacity.This thesis focuses on the improvement of the performances of the 3CRS parallel robot by using the composite material to redesign robot parts initially made of aluminum. The thesis begins with static and dynamic characterizations of the original robot. Then, the shape of segments of the robotic arms is optimized with respect to applying force on the robot. A hybrid laminated composite reinforced with carbon fibers and flax fibers is proposed for the use. This combination enables to combine the advantages of two fiber types in a composite for using in high loaded components. The structure of the new hybrid laminated composite is optimized and a composite segment is then fabricated in order to validate the design. Finally, the analysis of the new robot with composite arms is executed. The result shows that the new robot has a slightly higher rigidity, lighter mass and considerably greater damping capacity in comparison with the original robot. Therefore, the application of the hybrid composite could improve the static and dynamic performances and increases considerably the accuracy in operation of the robot 3CRS.

Cette thèse s'inscrit dans la continuation du travail de Younes Achkire, consacré au contrôle actif des ponts haubanés. Elle traite de l'implémentation d'un système de contrôle actif sur des maquettes de structures câblées. Deux types de structures sont étudiés expérimentalement: les ponts haubanés et les treillis spatiaux. Après une brève introduction sur l'usage du contrôle actif dans ces domaines, le chapitre 2 traite numériquement des mécanismes d'interaction entre le câble et la structure. Au chapitre 3, nous présentons la stratégie de contrôle que nous utilisons pour stabiliser une structure câblée: il s'agit d'un contrôle décentralisé, basé sur des paires capteur/actionneur colocalisées, placées au niveau des ancrages des câbles, chacune équipée d'un contrôleur Intégral Force Feedback. Nous présentons une théorie linéaire simplifiée permettant de dimensionner le système et de prévoir son efficacité. Elle est illustrée sur un exemple, et nous discutons de la validité de certaines hypothèses simplificatrices. Le chapitre 4 est consacré au contrôle actif des ponts haubanés. Nous y présentons 2 maquettes. La première, de petite taille (3m) représente un pylône de pont haubané en construction. Elle est équipée d'actionneurs piézoélectriques. La seconde, installée au Centre Commun de Recherche d'Ispra (Italie), mesure 30m de long, et est équipée d'actionneurs hydrauliques. Les expériences réalisées sur ces maquettes ont démontré l'efficacité du contrôle et la fiabilité de la théorie prédictive. Le contrôle du flottement des ponts est traité sur un exemple numérique. Le chapitre 5 relate nos expériences d'amortissement actif des treillis spatiaux. Deux structures ont été étudiées: une colonne en treillis équipée de 3 câbles actifs, et une structure triédrique suspendue à des cordons élastiques pour simuler l'absence de gravité, également munie de câbles actifs. Deux concepts d'actionneur piézoélectrique ont été testés. Nous avons ensuite examiné le problème de la saturation des actionneurs, et celui du contrôle actif des microvibrations (~10nm) d'une structure câblée. Le chapitre 6 conclut ce travail, en souligne les aspects originaux et donne quelques perspectives de développement. / Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished