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.

Les SPA sont des moteurs piézoélectriques inertiels amplifiés. Ils fonctionnent en convertissant des vibrations asymétriques en μ-déplacements par frottement, grâce au phénomène d’adhérence-glissement. Ces vibrations et ce frottement soulèvent des problématiques liées à l’usure et au bruit. Pour y répondre, ces travaux étudient les comportements tribologique et vibratoire de ces moteurs. Dans un premier temps, un tribomètre pion-plan, actionné par un SPA, a été développé. Il a permis d’observer, in-situ et en fonctionnement, les débits solides interfaciaux: le 3ème corps. Ces observations directes, couplées à des analyses post-mortem ont permis de décrypter les sollicitations tribologiques et de multiplier par dix la durée de vie des moteurs. Dans un second temps, des analyses numérique et expérimentale ont été proposées afin de mieux appréhender le comportement vibratoire des SPA. Le modèle existant, à constantes localisées, a été modifié en une version hybride, constantes localisées-FEM, plus versatile. Les tests expérimentaux ont permis de déterminer le principal contributeur acoustique et de réduire le niveau de bruit de seize dBA. Finalement, la double approche tribologie/mécanique vibratoire a permis de mieux saisir les subtilités des SPA. Elle a notamment mené au développement de structures innovantes tels qu’un moteur à trois degrés de liberté et deux moteurs rotatifs. / SPA are amplified piezoelectric inertia motors. They operate by converting asymmetrical vibrations into μ-displacements by means of friction through stick-slip. These vibrations and this friction raise issues related to wear and noise. So, the present work investigates both the tribological and vibratory behaviours of these motors. First, a pin-on-pad tribometer, actuated by a SPA, was developed. It led us to observe, in-situ and in operation, interfacial solid flows: the 3rd body. These direct observations carried out in conjunction with post-mortem analyses resulted in decrypting the tribological solicitations and in increasing by ten the lifetime of the motors. Second, numerical and experimental considerations have been proposed to better grasp the vibratory behaviour of SPA. The existing lumped model was modified to a more versatile hybrid lumped-FEM model. The experimental tests made it possible to determine the main acoustic contributor and to reduce the noise level by sixteen dBA. Finally, this dual - tribology/vibratory - approach provided a better understanding of the SPA intricacies. In particular, it led to develop innovative structures such as a motor with three degrees of freedom and two rotary motors.

La thèse concerne la prévision du comportement dynamique non linéaire d’équipements optique. Les travaux de recherche menés se concentrent sur la simulation des phénomènes vibratoires en jeu, afin de prévoir la réponse harmonique de l’équipement. Ces travaux ouvrent ainsi la voie à des préconisations d’évolutions dans la conception mécanique du projecteur pour augmenter sa durabilité et le confort de vision. En effet les essais pratiqués montrent que de forts niveaux de vibrations endommagent les composants du projecteur et détériorent la stabilité du faisceau d’éclairage. Afin d’éviter de telles nuisances, la conception du projecteur doit être adaptée grâce à un modèle mécanique qui intègre des comportements non linéaires causés essentiellement par les liaisons pour prévoir le mieux possible les niveaux de vibrations du projecteur embarqué. L’état de l’art est réalisé sur les comportements dynamiques non linéaires, les modèles et méthodes de résolution associés, puis les estimateurs existants de quantification des non linéarités. Les essais d’analyse modale réalisés mettent en évidence la présence de phénomènes non linéaires dus à de multiples causes (jeux-butées, frottements, stick-slip, …) localisées dans les liaisons réflecteur-boitier. Les caractérisations expérimentales menées sur les liaisons, délivrent des boucles efforts-déflexion qui montrent différents types de comportement non linéaire, aident au choix des modèles les plus pertinents et au calage de leurs paramètres. Les limites de validité des modèles de calculs linéaires sont déterminées par des critères formulés empiriquement. Les modèles non linéaires de liaison sélectionnés sont intégrés dans un modèle réduit à un puis à deux degrés de liberté d’un projecteur. La réprésentativité du modèle est évaluée sur la base des analyses modales mesurées du projecteur. Les équations décrivent le comportement dynamique de projecteur et les non linéarités sous l’hypothèse de régime stationnaire. La méthode de balance harmonique associée à une technique de continuation par longueur d’arc résout rapidement les équations et détermine avec précision les réponses dynamiques établies. L’étude est complétée par l’analyse de stabilité selon la théorie de Floquet qui met en évidence la présence des branches de solutions stables ou instables. Enfin des réponses harmoniques sont calculées avec un modèle aux éléments finis du projecteur complet. Les calculs sont basés sur l’identification des modes qui reposent sur la répartition des masses dans la structure, la nature des liaisons. Des études d’influence sont réalisées. Les paramètres étudiés sont les raideurs et précontraintes de contact, le coefficient de frottement, l’amortissement introduit. Leurs impacts sur les niveaux des vibrations sont quantifiés ce qui amène au recalage du modèle éléments finis pour améliorer les résultats modaux du projecteur automobile et sa réponse harmonique forcée. / The thesis deals with the prediction of nonlinear dynamic behavior of automotive headlamps. The attention is focused on building models to estimate the vibration behavior of lighting system to enhance its durability and comfort of vision. Vibration tests show that high levels of vibration damage projector components and degrade the stability of the illuminating beam. To avoid these issus, headlamps design must be adapted to include nonlinear phenomena provided from the joints connecting the reflector and housing subsets. The state of the art is performed on the non-linear dynamic behavior, models and methods and existing estimators quantifying nonlinearities. The modal tests performed demonstrate the presence of non-linear phenomena (clearance, friction, stick-slip, …) located in reflector-housing joints. Experimental investigations carried out on joints show different types of nonlinear behavior and help to identify the most important contact parameters (stiffness and damping). The limits of validity of the linear models are determined by empirically formulated criteria. Selected nonlinear models are integrated in a 1D-model reduced to one then two degrees of freedom of a projector. The representativeness of the model is evaluated basing of modal measurement of headlamp. The Harmonic Balance Method was used to calculate the periodic response. The algorithm calculates also the stability of the periodic solutions found, using Floquet theory, and follows stable or instable branches versus varying system parameters via the arc-length continuation technique. Finally, harmonic responses are predicted with a finite element model of the entire headlamp. The calculations are based on the identification of modes that are based on the weight distribution in the structures and joints proprities. Sensibility studies are carried out on stiffness and preloaded contact, coefficient of friction and damping. Impacts on the vibration levels were quantified that leads to update the finite element model and improve modal and harmonic results of headlamp.

De nombreux travaux dans la littérature se sont concentrés sur la modélisation vibro-acoustique de coques cylindriques raidies immergées, du fait des nombreuses applications industrielles, en particulier dans le domaine aéronautique ou naval. Cependant, peu d'entre elles prennent en compte des structures internes non-axisymétriques telles que des supports moteurs, des planchers ou des carlingages, qui peuvent avoir une influence importante sur le comportement vibro-acoustique du système. C'est pourquoi une méthode de sous-structuration baptisée CTF est présentée dans cette thèse. Elle est développée dans le cas général de deux structures minces couplées le long d'une ligne. Un ensemble de fonctions orthonormées, baptisées fonctions de condensation, est défini afin d'approximer les forces et déplacements à la jonction entre les sous-systèmes. Des fonctions de transfert condensées sont définies pour chaque sous-système découplé. L'utilisation du principe de superposition, de l'équilibre des forces et de la continuité des déplacements permet de déduire le comportement des sous-systèmes couplés. La méthode est d'abord développée et validée dans le cas de plaques, puis ensuite appliquée au cas d'une coque cylindrique raidie immergée couplée à des structures internes non-axisymétriques. Le système est dans ce cas décomposé en 3 familles de sous-systèmes : la coque cylindrique immergée décrite par une méthode semi-analytique basée sur la résolution des équations de Flügge dans le domaine des nombres d’onde, les structures internes axisymétriques (raidisseurs, cloisons) décrites par éléments finis axisymétriques et les structures non-axisymétriques décrites pas des modèles éléments finis. La méthode CTF est appliquée à différents cas tests afin de montrer l'influence des structures internes non-axisymétriques sur le comportement vibro-acoustique d'une coque cylindrique pour différents types d'excitations pertinents dans le domaine naval : une force ponctuelle, une onde plane acoustique et un champ de pression aléatoire (tel qu'un champ acoustique diffus ou une couche limite turbulente). / Many works can be found in the literature concerning the vibroacoustic modelling of submerged stiffened cylindrical shells, because of high interest in the industrial domain, in particular for aeronautical or naval applications. However, only a few of them take into account non-axisymmetric internal frames, as for instance engine foundations or floor partitions, that can play a role on the vibroacoustic behavior of the system. That is why a substructuring approach called the Condensed Transfer Function (CTF) approach is proposed in the first part of this thesis. The aim is to take advantage of both analytical models and element-based models, in order to be able to deal with the geometrical complexity, and to calculate at higher frequencies than with element-based methods only. The substructuring method is developed in the general case of thin mechanical structures coupled along curves. A set of orthonormal functions called condensation functions, which depend on the curvilinear abscissa along the coupling line, is considered. This set is then used as a basis for approximating and decomposing the displacements and the applied forces at the line junctions. Thanks to the definition and calculation of condensed transfer functions for each uncoupled subsystem and by using the superposition principle for passive linear systems, the behavior of the coupled subsystems can be obtained. The method is first developed and validated for plates and convergence criteria are defined in relation with the size of the basis of condensation functions. The CTF method is then applied to the case of a submerged stiffened cylindrical shell with non-axisymmetric internal frames. The system is partitioned in 3 types of subsystems: the submerged shell, the axisymmetric frames (stiffeners, bulkheads) and the non-axisymmetric frames. The submerged shell is described by a semi-analytical method based on the Flügge equations in the spectral domain. The axisymmetric frames are described by axisymmetric Finite Element models and the non-axisymmetric frames by Finite Element models. The CTF method is applied to different test cases in order to highlight the influence of non-axisymmetric internal frames on the vibroacoustic behavior of a submerged stiffened cylindrical shell, for different excitations particularly relevant in the naval domain: a point force, an acoustic plane wave, and a random pressure field (such as a diffuse sound field or a turbulent boundary layer for instance).

Afin de limiter les contraintes dans les matériaux pour accroître leur durée de vie et améliorer la sécurité des structures (par exemple dans les transports), ainsi que d’améliorer le confort des utilisateurs, le contrôle de vibrations mécaniques et leur amortissement a fait l’objet de nombreuses recherche scientifiques depuis de nombreuses décennies. De plus, la prolifération récente des matériaux dits « intelligents » couplant plusieurs disciplines de la physique telles que la mécanique et l’électricité a permis l’élaboration de techniques de contrôle de vibration fiables, robustes et performantes tout en étant très intégrables, permettant ainsi de disposer de méthodes totalement adaptées aux système embarqués ou aux structures où les contraintes d’encombrement sont relativement restrictives. Notamment, il a récemment été proposé l’utilisation de techniques non linéaires basées sur une commutation synchronisée d’éléments piézoélectriques sur une impédance afin d’amélioration la conversion d’énergie mécanique sous forme électrique et ainsi de disposer de systèmes de contrôle de vibrations très performants et intégrables. Néanmoins, du fait du principe de cette commutation synchronisée avec la déformation, le contrôle de vibrations large bande, très présents dans les environnements réels, conduit à une dégradation des performances de ces techniques. L’objectif des travaux rapportés dans cette thèse consiste à proposer et à étudier théoriquement et expérimentalement des approches dérivées de ces techniques mais totalement adaptées au large bande. Ainsi, après une introduction relatant l’état de l’art en termes de contrôle vibratoire, la première technique exposée dans cette thèse propose d’utiliser un filtrage spatial permettant de séparer les modes de vibrations pour ensuite connecter de manière appropriée des éléments piézoélectriques afin de pouvoir simultanément contrôler plusieurs modes de vibrations en flexion. La deuxième méthode pour disposer de systèmes de contrôle de vibrations efficaces se base sur la combinaison d’amortisseurs à masse accordée avec l’approche non-linéaire afin d’améliorer le pouvoir d’amortissement par un contrôle supplémentaire des transferts énergétiques via le couplage électromécanique, conduisant à une méthode efficace, robuste et pouvant être installée facilement. La troisième et dernière approche consiste à utiliser les propriétés remarquables des structures périodiques en les couplant avec l’approche non-linéaire, cette dernière permettant une augmentation de l’amortissement et un élargissement significatif des bandes fréquentielles réduisant significativement l’amplitude de l’onde. Enfin, une conclusion générale exposera les principaux résultats obtenus et proposera des pistes d’évolution des concepts exposés. / In order to protect structures, extend their lifespan and decrease the incomfort resulting from undesired vibrations, many works have been reported for reducing vibrations. Along with the development of smart materials such as piezoelectric materials which are extensively used for vibration control and noise reduction due to their unique features (high integrability, compactness, light weight and high bandwidth), control systems can be designed in a more compact and simple form. Additionally, due to the conversion between mechanical energy and electrical energy, vibrations can be effectively attenuated by electromechanical approaches. Synchronized Switch Damping on Inductor (SSDI) technique attracted lot of attentions as an effective semi-passive technique which can artificially increase the converted energy by nonlinear voltage inversion process, thus allowing superior control performance compared to passive technique with low power requirement and simple control algorithm. Based on this semi-passive control technique, the objectives of this work are threefold. The first aim is improving the multimodal/broadband control performance of SSDI. An enhanced strategy based on spatial filtering according to the mode shapes of the vibrating structure is proposed. In order to separate the uninterested modes and effectively damp the targeted modes, sum and different switches respectively based on the sum of the piezovoltages of two anti-symmetrically bonded patches and the voltage difference of the two symmetrically bonded piezoelectric elements are introduced. Since the vibration modes can be spatially filtered by these connections, multimodal vibrations can be damped significantly and simultaneously as the sum and difference switches are employed, with an increase of total inversion coefficient. Then, electromechanical TMD (tuned mass damper) featuring piezoelectric materials combined with the semi-passive nonlinear technique SSDI is presented. Using this electromechanical semi-passive nonlinear TMD, the mechanical energy is not only transferred between host structure and TMD device but also converted as electrical energy stored in the piezoelectric patches and/or dissipated in the connected circuit, which allows excellent damping performance for limiting the vibrations. The last investigated method consists in electromechanical periodic structures featuring the nonlinear switching interface. Such a structure can effectively attenuate the elastic waves and damp the vibration in a wider frequency band since it has the capability of filtering propagative waves within stop bands attributed to the structural periodicity and the superior damping ability which is attributed to the nonlinear voltage inversion process that increases the voltage amplitude and decreases the phase between voltage and speed. Finally, a conclusion proposes a summary of the main results obtained in this thesis, as well as new extensions and ways of the proposed techniques.

Afin de limiter les contraintes dans les matériaux pour accroître leur durée de vie et améliorer la sécurité des structures (par exemple dans les transports), ainsi que d'améliorer le confort des utilisateurs, le contrôle de vibrations mécaniques et leur amortissement a fait l'objet de nombreuses recherche scientifiques depuis de nombreuses décennies. De plus, la prolifération récente des matériaux dits " intelligents " couplant plusieurs disciplines de la physique telles que la mécanique et l'électricité a permis l'élaboration de techniques de contrôle de vibration fiables, robustes et performantes tout en étant très intégrables, permettant ainsi de disposer de méthodes totalement adaptées aux système embarqués ou aux structures où les contraintes d'encombrement sont relativement restrictives. Notamment, il a récemment été proposé l'utilisation de techniques non linéaires basées sur une commutation synchronisée d'éléments piézoélectriques sur une impédance afin d'amélioration la conversion d'énergie mécanique sous forme électrique et ainsi de disposer de systèmes de contrôle de vibrations très performants et intégrables. Néanmoins, du fait du principe de cette commutation synchronisée avec la déformation, le contrôle de vibrations large bande, très présents dans les environnements réels, conduit à une dégradation des performances de ces techniques. L'objectif des travaux rapportés dans cette thèse consiste à proposer et à étudier théoriquement et expérimentalement des approches dérivées de ces techniques mais totalement adaptées au large bande. Ainsi, après une introduction relatant l'état de l'art en termes de contrôle vibratoire, la première technique exposée dans cette thèse propose d'utiliser un filtrage spatial permettant de séparer les modes de vibrations pour ensuite connecter de manière appropriée des éléments piézoélectriques afin de pouvoir simultanément contrôler plusieurs modes de vibrations en flexion. La deuxième méthode pour disposer de systèmes de contrôle de vibrations efficaces se base sur la combinaison d'amortisseurs à masse accordée avec l'approche non-linéaire afin d'améliorer le pouvoir d'amortissement par un contrôle supplémentaire des transferts énergétiques via le couplage électromécanique, conduisant à une méthode efficace, robuste et pouvant être installée facilement. La troisième et dernière approche consiste à utiliser les propriétés remarquables des structures périodiques en les couplant avec l'approche non-linéaire, cette dernière permettant une augmentation de l'amortissement et un élargissement significatif des bandes fréquentielles réduisant significativement l'amplitude de l'onde. Enfin, une conclusion générale exposera les principaux résultats obtenus et proposera des pistes d'évolution des concepts exposés.