Le comportement dynamique de structures complexes, comme les alternateurs, doit être maîtrisé afin d’en garantir un fonctionnement fiable. Cependant, la modélisation comporte de nombreuses incertitudes rendant délicates la prédiction du comportement vibratoire. Ces travaux de recherche ont pour objectif de fournir des outils d’aide à la décision afin de faciliter la prise de décision rapide suite au redémarrage d’alternateurs. Basé sur la théorie info-gap, un premier outil d’aide à la décision est proposé : il a pour objectif d’évaluer la robustesse de réponses dynamiques vis-à-vis d’un modèle modal incertain. Nous avons également étudié comment de l’information nouvelle peut être intégrée au modèle d’incertitude pour améliorer sa représentativité à la réalité.Une expansion par l’erreur en relation de comportement étendue de modes propres identifiés permet ensuite d’enrichir la représentativité du modèle numérique fournissant ainsi un modèle qualifié d’hybride et permettant d’évaluer les niveaux de réponse. Comme la modélisation comporte de nombreuses méconnaissances, nous avons proposé le procédé d’expansion robuste dont l’objectif est d’obtenir des vecteurs étendus robustes. En présence de méconnaissances sévères, nous montrons enfin qu’il est préférable de calibrer un modèle en maximisant la robustesse vis-à-vis des incertitudes plutôt qu’en maximisant uniquement la fidélité vis-à-vis des données. Couplée à des techniques de réduction de modèle et de construction de méta modèles,nous appliquons cette démarche à une structure de complexité industrielle représentative du contexte industriel. / The complex structural dynamic behavior of alternator must be well understood in order to insuretheir reliable and safe operation. The numerical model is however difficult to construct mainlydue to the presence of a high level of uncertainty. The objective of this work is to providedecision support tools in order to assess the vibratory levels in operation before to restart thealternator. Based on info-gap theory, a first decision support tool is proposed: the objective hereis to assess the robustness of the dynamical response to the uncertain modal model. Based on realdata, the calibration of an info-gap model of uncertainty is also proposed in order to enhance itsfidelity to reality. Then, the extended constitutive relation error is used to expand identified modeshapes which are used to assess the vibratory levels. The robust expansion process is proposed inorder to obtain robust expanded mode shapes to parametric uncertainties. In presence of lack-ofknowledge,the trade-off between fidelity-to-data and robustness-to-uncertainties which expressesthat robustness improves as fidelity deteriorates is emphasized on an industrial structure by usingboth reduced order model and surrogate model techniques.

Ce travail s’inscrit dans le cadre de la mise en place d’une stratégie de SHM (Structural Health Monitoring) dédiée à la surveillance des structures en génie civil. Il a porté, d’une part, sur l’étude des méthodes de détection et de localisation de l’endommagement du bâti existant et, d’autre part, sur l’élaboration du cahier des charges d’un capteur « intégré » capable de délivrer des informations par transmission compacte des données pour les communiquer à une chaîne SHM. Des études numériques et expérimentales ont été réalisées dans cet objectif. L’état de l’art a clairement mis en évidence plusieurs points faibles des méthodes de détection et de localisation d’endommagements usuelles comme, par exemple, le manque de précision et/ou la complexité de mise en place. On observe aussi que la sensibilité de ces méthodes par rapport à plusieurs paramètres, essentiellement la direction de mesure, le positionnement des capteurs et la sévérité des endommagements, ne permet pas à ce jour de dresser un diagnostic précis de l’état de santé des structures. Pour répondre au cahier des charges d’une chaîne SHM, un Algorithme de Détection et de Localisation (ADL) a été élaboré. Cet algorithme fait appel à des méthodes utilisant les paramètres modaux, essentiellement les fréquences propres et les déformées modales. Leurs mises en œuvre séquentielles et itératives, judicieusement structurées et pilotées,a permis de répondre aux objectifs fixés. Les paramètres modaux requis sont identifiés à l’aide des techniques d’Analyse Modale Opérationnelle (AMO) et à partir de la réponse en accélérations des structures. Deux algorithmes d’AMO ont été utilisés pour leur efficacité et pour leur aptitude à l’automatisation: la méthode stochastique par sous ensemble (SSI), et la méthode de décomposition dans le domaine fréquentiel (FDD). En fusionnant les algorithmes d’AMO avec l’ADL, une chaîne complète de surveillance a été créée. La validation des algorithmes et de la chaîne de surveillance s’est faite à plusieurs niveaux. Tout d’abord, basés sur la théorie des éléments finis, des modèles numériques de la tour de l'Ophite et du pont canadien de la Rivière aux-Mulets ont permis d'évaluer l'ADL. Ces modèles sont endommagés par des signaux sismiques et fournissent les données accélérométriques, données d’entrée du logiciel que nous avons développé. Les résultats obtenus sont tout à fait satisfaisants voire meilleurs que ceux issus des méthodes usuelles. Dans un second temps, nous avons traité des données expérimentales «réelles », issues des mesures accélérométriques sur la tour de l’Ophite. La confrontation entre les résultats d’identification des fréquences propres et des déformées modales issus des algorithmes d’AMO et ceux reportés par la bibliographie, a révélé l’efficacité des algorithmes développés.Enfin, une maquette d’un bâtiment à échelle réduite a également été élaborée et instrumentée.L’application de la chaine de surveillance a permis, d’une part, de détecter et localiser l’endommagement introduit dans la structure et, d’autre part, de mettre en évidence l’intérêt de la surveillance automatique. Finalement, une étude a été menée dans le but de réduire la quantité d’informations enregistrées sur les structures et de faciliter le transfert des données servant comme entrées de la chaîne de surveillance. Les résultats de ces études ont contribué à la spécification d’un nouveau système de surveillance / The work presented in this thesis is part of the development of a Structural Health Monitoring(SHM) system dedicated to civil engineering applications. First, it studies the methods of damagedetection and localization. Furthermore, it helps elaborate the specifications of an integratedsensor capable of delivering information by compact transmission of data to an SHM chain.Numerical and experimental studies have been carried out for this purpose. The study of theliterature clearly highlighted several weak points of the traditional damage detection andlocalization methods, such as the lack of precision and the complexity of implementation. Thesensitivity of these methods with respect to several parameters, essentially the measurementdirection, the positioning of the sensors and the severity of the damage, makes it impossible todraw up an accurate diagnosis of the structures. In order to overcome these limitations, a damageDetection and Localization Algorithm (DLA) was developed. By applying Vibration-Based Damage Detection Methods, following a precise order and taking into account the sensitivity, the simplicityand the SHM level of each method, this algorithm made it possible to meet the objectives set at the beginning of this work. The required modal parameters, namely eigen-frequencies and modeshapes, were identified from the structure’s output-only response using Operational ModalAnalysis techniques (OMA). Two OMA algorithms were used for their efficiency and automationability: the Stochastic Subspace Identification method (SSI) and the Frequency DomainDecomposition method (FDD). By merging the OMA algorithms with the DLA, a complete SHMchain was created. The algorithms validation was made at several levels. First, the DLA wasevaluated using a Finite Element Model (FEM) of the Ophite tower and the Rivière aux Muletsbridge. The results obtained were quite satisfactory. Secondly, experimental data were processed,from accelerometric measurements on the Ophite tower. The confrontation between the results ofeigen-frequencies and mode shapes identification using OMA algorithms and those reported in theliterature revealed the efficiency of the developed algorithms. Finally, a scale model of a buildingwas developed, instrumented and damaged. The use of the surveillance chain allowed thedetection and localization of the damage. Moreover, it showed all the interest of using automatic surveillance. The last step of this work dealt with a study carried out to reduce the amount of datarecorded on structures in order to facilitate their transfer to the SHM chain. As a conclusion, the results of these studies contributed to the specification of a new monitoring system

Le bruit de roulement contribue fortement au bruit perçu à l'intérieur de l'habitacle des automobiles. Ce bruit a pour origine le contact du pneumatique sur une chaussée rugueuse. En basses fréquences (0-400 Hz), il est transmis dans l'habitacle du véhicule essentiellement par la voie solidienne. La méthode actuelle de prévision de ce bruit chez PSA Peugeot Citroën repose sur une approche mixte calcul-mesure longue, coûteuse et pas suffisamment prédictive. Pour contourner ces limitations, une filière purement numérique est envisagée. Elle demande de modéliser le comportement vibro-acoustique du pneumatique en prenant en compte les effets liés à la rotation et de résoudre le problème de contact avec une chaussée rugueuse. Concernant la modélisation d'un pneumatique en rotation, des formulations des effets tournants d'un solide déformable sont établies en utilisant une approche Arbitrairement Lagrangienne Eulérienne (ALE). Ces formulations sont validées par une application sur un nouveau modèle simplifié du pneumatique. Il s'agit d'un modèle d'anneau circulaire incluant les effets de cisaillement soumis localement à une charge représentative de la masse du véhicule. Un modèle plus complexe d'ensemble monté pneu/roue/cavité intégrant l'ensemble des effets liés à la rotation est également validé par une comparaison avec des essais. Ensuite, le contact avec une chaussée réelle est formulé par différentes approches permettant de réduire le temps de calcul pour une utilisation industrielle. En particulier, le calcul du contact est décomposé en un calcul statique non linéaire suivi d'un calcul dynamique linéaire. La validation du modèle de contact est réalisée par une comparaison calcul/essai. Les résultats sont très satisfaisants / The rolling noise contributes significantly to the noise inside cars. This noise comes from the tire/road contact. In low frequencies (0-400 Hz), it is mainly transmitted into the cabin through structural vibration. The current method used at PSA Peugeot Citroen to predict this noise, is a mixed simulation/experimental approach which is long, expensive and not sufficiently predictive. In order to overcome these difficult, a full numerical approach is considered. It requires modeling the tire vibration by taking into account the rotating effects and the contact with the rough surface. Concerning the model of rotating tire, a formulation of a deformable solid is constructed by using an Arbitrary Lagrangian Eulerian approach (ALE). This formulation is validated by an application on a new simplified tire model which is a circular ring including the shear stresses and the non linear effects due to the vehicle weight. A more complex model composed of tire/wheel/cavity including all the rotating effects is also validated by comparison with experiments. Then the contact with a real road is calculated by different approaches to get the acceptable computing time for industrial uses. In particular, the calculation of the contact is divided into a non-linear static analysis followed by a linear dynamic calculation. The validation of this model is successfully achieved by comparison test results

Coburn et Spence (2002) rappellent qu'au cours du dernier siècle, le coût des séismes ramené à la valeur de l'année 2000 est de l'ordre de mille milliard de dollars. Rapporté par an, ils constatent que cette valeur augmente au cours du XXème siècle, essentiellement à cause de l'augmentation et de la concentration des populations dans les grands centres urbains exposés à un aléa sismique fort. Des agglomérations de plus en plus grandes, exposées aux séismes et constituées d'un habitat hétérogène et de qualité très variable, sont donc les ingrédients qui positionnent le milieu urbain à l'étape la plus critique de l'évaluation du risque sismique. Cette position est renforcée du fait que de nombreuses villes gigantesques (mega-cities) exposées se trouvent, pour des raisons historiques et sociologiques, sur des remplissages sédimentaires majeurs, facteur aggravant de l'aléa sismique local. Le bâti existant va également présenter une hétérogénéité forte, conséquence de l'évolution de ses caractéristiques structurales au cours du temps, renforçant l'idée d'une ville vulnérable et fragile. Enfin, tandis que le risque sismique consiste bien souvent à aborder séparément l'aléa de la vulnérabilité, il n'est pas surprenant que l'urbain puisse modifier, perturber, voir même contaminer le mouvement sismique incident, en particulier lorsque l'habitat est dense et massif, ce qui à l'aube du 21ème siècle semble être l'évolution majeure des grandes concentrations urbaines. Au cours de cet exposé, nous aborderons la sismologie urbaine en essayant de comprendre sur des résultats expérimentaux récents la façon de réagir d'un milieu urbain à une sollicitation sismique. Deux échelles d'espace seront discutées: la réponse de la ville en montrant comment celle-ci peut à la fois subir le séisme (vulnérabilité sismique) et contribuer de façon significative au mouvement du sol (interaction site-ville); et la réponse d'une structure simple en évaluant sa capacité à se déformer sous une sollicitation sismique (analyse modale opérationnelle) et à prédire son intégrité à la fin de la secousse (courbes de fragilité et structural health monitoring).

La thèse s'inscrit dans le développement de systèmes d'instrumentation pour les structures intelligentes du génie civil. Elle dresse un panorama des capacités d'un nouveau capteur pour l'évaluation dynamique des ouvrages : l'Extensomètre à fibre optique de Longue Base de mesure Continûment Attaché (ELB-CA). Un modèle analytique complet de la mesure des capteurs est déterminé et appliqué au cas des poutres d'Euler-Bernoulli. Les divers traitements et études (par exemple par analyse en ondelettes) réalisés sur les réponses numériques et expérimentales de l'ELB-CA ont permis de dégager quelques caractéristiques des ELB-CA. Certaines sont spécifiques à la base de mesure du capteur : filtrage de modes pour le contrôle des structures et détection de défauts à partir de la courbure modale. D'autres, comme la détection de non-linéarités géométriques ou l'obtention de formes modales différentes, sont liées au type de mesure réalisée et peuvent s'appliquer à tous les extensomètres.

Le crissement de frein est une nuisance sonore classique dans l'automobile. L'augmentation des coefficients de friction et la réduction de la masse mènent aujourd'hui à de hauts niveaux vibratoires dans les fréquences auditives, et ces problèmes de qualité se traduisent par des pénalités économiques aux équipementiers, bien qu'il n'existe pas de méthode robuste de conception. La pratique industrielle repose donc sur de coûteuses phases de prototypage et d'ajustement. L'évolution de la puissance de calcul permet le calcul de grands assemblages mécaniques mais les études vibratoires non-linéaires restent généralement hors de portée. Dans ce contexte, l'objectif de la thèse est de fournir, dès les phases de conception, des outils de conception numérique d'aide à la résolution du crissement. Une méthode de réduction paramétrée utilisant comme base de Rayleigh-Ritz les modes réels du système assemblé permet la génération de modèles réduits très compacts, avec modes réels exacts. La méthode proposée d'ajustement des modes de composants utilise les modes libres de composants comme degrés de liberté explicites. L'étude des sensibilités et la réanalyse d'un assemblage en fonction de modifications à l'échelle d'un composant deviennent possibles. Les études temporelles non-linéaires sont rendues possibles par deux développements. Un schéma de Newmark non-linéaire modifié et un Jacobien fixe adapté aux vibrations de contact sont introduits. Le frein est réduit en un superélément avec modes réels exacts et une zone non réduite au niveau du contact. Un ensemble d'outils de conception est illustré sur un modèle industriel de frein. La stabilité instantanée et les trajectoires de modes complexes sont étudiées. Les interactions modales et les phénomènes non-linéaires au sein des cycles limites sont alors mieux compris. Des corrélations temps/fréquence sont obtenues par l'identification modale instantanée et une décomposition espace-temps. La grande utilité d'un modèle temporel d'amortissement modal est illustrée. Enfin, la modification d'un composant critique au crissement est testée et validée.

This dissertation deals with dynamics of engineering structures and principally discusses the identification of the modal parameters (i.e., natural frequencies, damping ratios and vibration modes) using output-only information, the excitation sources being considered as unknown and unmeasurable. To solve these kind of problems, a quite large selection of techniques is available in the scientific literature, each of them possessing its own features, advantages and limitations. One common limitation of most of the methods concerns the post-processing procedures that have proved to be delicate and time consuming in some cases, and usually require good users expertise. The constant concern of this work is thus the simplification of the result interpretation in order to minimize the influence of this ungovernable parameter. A new modal parameter estimation approach is developed in this work. The proposed methodology is based on the so-called Blind Source Separation techniques, that aim at reducing large data set to reveal its essential structure. The theoretical developments demonstrate a one-to-one relationship between the so-called mixing matrix and the vibration modes. Two separation algorithms, namely the Independent Component Analysis and the Second-Order Blind Identification, are considered. Their performances are compared, and, due to intrinsic features, one of them is finally identified as more suitable for modal identification problems. For the purpose of comparison, numerous academic case studies are considered to evaluate the influence of parameters such as damping, noise and nondeterministic excitations. Finally, realistic examples dealing with a large number of active modes, typical impact hammer modal testing and operational testing conditions, are studied to demonstrate the applicability of the proposed methodology for practical applications.

Les parties tournantes des turbomachines aéronautiques sont composées d'une succession de roues aubagées qui permettent le transfert de l'énergie entre l'air et le rotor. Ces roues aubagées constituent des pièces particulièrement sensibles car elles doivent répondre en termes de dimensionnement à des impératifs de performances aérodynamiques, d'aéroacoustique et de tenue mécanique à la rotation,à la température et à la charge aérodynamique. Le contact avec frottement existant au niveau des attaches aube-disque joue un rôle important sur les niveaux vibratoires.Ce travail porte sur l'étude de l'usure par fretting sous chargements dynamiques dans les interfaces frottantes. En effet, les vibrations de l'aube peuvent produire des micro-glissements en pied d'aubequi peuvent entraîner un phénomène d'usure par fretting. Les connaissances sur le comportement de l'usure sous sollicitations dynamiques sont faibles. Seuls existent des outils numériques pour modéliser l'usure dans le cas de sollicitations quasi-statiques. Nous proposons dans cette thèse des méthodes pour calculer l'évolution de l'usure au cours des cycles de chargement dynamique basées sur une approche multi-échelle en temps. La réponse vibratoire de la structure est liée à une échelle de temps rapide qui est calculée par une méthode d'équilibrage harmonique, dans laquelle les déplacements et les efforts sont projetés sur la base de Fourier. Différentes approches temps-fréquence de calcul des coefficients de Fourier des forces de contact sont présentées. La cinétique d'usure est liée à une échelle lente et différentes méthodes sont proposées pour l'intégrer. La prise en compte des géométries usées dans le modèle éléments finis se fait par l'ajout d'un vecteur des profondeurs d'usure dans le terme de pénalité des lagrangiens dynamiques. Des exemples académiques valident et illustrent les méthodes proposées. Ces méthodes sont ensuite appliquées à l'étude de l'usure par fretting en pied d'aube de soufflante. L'étude numérique met en lumière le couplage entre vibration et usure par fretting aux interfaces de contact. La modification du comportement dynamique global de la roue aubagée est aussi observée.

Cette étude porte sur la simulation dynamique de structures présentant des interfaces non linéaires et plus particulièrement sur le développement de diverses extensions à la méthode de balance harmonique. Cette méthode, qui permet le calcul de réponses vibratoires stationnaires, est basée sur l'approximation en série de Fourier tronquée de la réponse. En fonction de caractère plus ou moins non linéaire de la réponse, le nombre d'harmoniques à retenir pour approcher de façon satisfaisante la réponse peut être important et varier fortement sur l'ensemble de la plage de fréquence de simulation. Un des objectifs principaux de cette recherche a été de proposer une stratégie de calcul qui permette d'adapter le nombre d'harmoniques à chaque fréquence. Dans l'optique d'approcher le mouvement global de la structure, la méthodologie proposée se base sur le suivi de l'énergie de déformation du système en fonction de la richesse du contenu fréquentiel. La formulation développée reste simple à calculer et compatible avec les étapes de condensation interne à la méthode de balance harmonique. L'extension de cette technique au calcul de réponses quasi-stationnaires est en outre possible en redéfinissant les stratégies de choix des harmoniques à retenir. Parallèlement à ce but principal, la présence de variables internes dans les modèles non linéaires d'interface (modèle de frottement par exemple) a été prise en compte dans la formulation des équations de la balance harmonique adaptative. Ces méthodes spécifiques ont ensuite été mises en oeuvre sur des modèles numériques de structures aéronautiques. Un isolateur d'équipement utilisant un matériau viscoélastique non linéaire a ainsi pu être simulé. Ensuite, la méthode de balance harmonique adaptative a pu être appliquée à l'étude des effets dynamiques non linéaires observée sur les structures boulonnées. Enfin, le calcul de réponses quasi périodiques s'est effectué sur un tronçon de lanceur intégrant des amortisseurs à frottement sec.

Les structures sandwichs sont largement utilisées dans le domaine de l’aéronautique et de l’espace du fait de leur bon rapport rigidité sur masse. Cependant, leur amortissement doit être amélioré pour le confort des utilisateurs et la durabilité des structures. L’objectif de cette thèse est d’étudier l’amortissement apporté à une structure sandwich par l’utilisation d’un matériau d’âme récemment développé. Ce matériau est fabriqué à base de fibres de carbone enchevêtrées, réticulées avec de la résine époxy. Le matériau enchevêtré-Réticulé est d’abord étudié seul. Les mesures expérimentales montrent un comportement dépendant de l’amplitude et de l’historique de sollicitation, et indépendant de la fréquence. Un modèle d’hystérésis est développé pour décrire les boucles contrainte-Déformation mesurées. L’étude théorique d’une structure à un degré de liberté permet de détailler l’effet des différentes composantes de ces boucles sur la réponse dynamique. Le matériau est ensuite inclus dans une poutre sandwich. Un modèle de vibrations de poutres sandwichs en flexion est proposé pour inclure un comportement non-Linéaire dissipatif du matériau d’âme. Une étude expérimentale est menée sur des poutres sandwichs, montrant un amortissement très supérieur à celui apporté par un matériau d’âme classique comme le nid d’abeille. Les simulations réalisées avec le modèle de poutre sandwich et le modèle d’hystérésis permettent de bien capturer les phénomènes non-Linéaires observés. A la fin de l’étude, une utilisation mixte d’un matériau d’âme en nid d’abeille et d’un matériau d’âme enchevêtré-Réticulé est proposée afin d’obtenir un bon amortissement pour un faible ajout de masse. / Sandwich structures are widely used in aerospace applications for their very good stiffness to weight properties. However, the damping properties of these structures have to be improved for user comfort and structural durability. The aim of this thesis is to study how the use of a recently developped core material can increase damping in sandwich structures. This material is made with entangled carbon fibres cross-Linked with epoxy resin. The entangled-Cross-Linked material is first studied separately. Experimental measurements show that the behavior depends strongly on strain amplitude and excitation history, while it depends weakly on frequency. A hysteresis model is developed to describe measured stress-Strain loops. A single-Degree-Of-Freedom structure containing the material is studied theoretically to show the effect of the different parts of the hysteresis loops on the steadystateand transient responses. The material is then included in a sandwich beam. A model for the bending vibrations of a sandwich beam is developped to include any nonlinear nonconservative behavior of the core material. Sandwich beams are then studied experimentally, showing a much higher damping than for classical core materials such as honeycomb. Simulations made with the sandwich beam model and the hysteresis loop model capture well the observed nonlinear phenomena. At the end of the study, a mixed use of honeycomb and entangled-Cross-Linked core materials is proposed, in order to obtain a high level of damping without adding much weight to the structure.