L’objet de cette thèse est d’étudier différents dispositifs d’amortissement de vibrations en basses fréquences des aubes de rotor de soufflante ("fan") d’un turboréacteur. Les solutions étudiées utilisent des pastilles piézoélectriques, liées à l’aube et connectées à un circuit électrique passif ou semi-passif. Dans la première partie, il s’agit de mettre en pratique le modèle électromécanique développé dans la thèse de Julien Ducarne, puis de l’étendre au cas tridimensionnel par l’utilisation de la méthode des éléments finis. Ce modèle de comportement prend en compte le couplage entre une structure mécanique quelconque et des pastilles piézoélectriques planes ou courbes. Par la suite, un modèle réduit à faible nombre de degrés de liberté est construit, ce qui permet après résolution de prédire l’efficacité des dispositifs amortissants. Deux techniques, nommées "shunt" et "switch" sont appliquées au cas d’une aube fan. La première consiste à utiliser un circuit électrique résistif ou résonant. La seconde, encore à l’état de recherche, comporte un circuit muni d’un interrupteur synchronisé aux oscillations de la structure, ce qui produit un amortissement analogue à celui d’un frottement sec. La modélisation et l’optimisation électrique de ces circuits, issus de différents travaux antérieurs, ne font l’objet que d’un rappel dans ce mémoire. Une procédure d’optimisation est développée pour pouvoir trouver les géométries et les emplacements des pastilles qui maximisent le couplage électromécanique. Deux algorithmes différents (recuit simulé et recherche avec liste taboue) sont utilisés et mis en interaction avec les outils de calcul éléments finis pour trouver des solutions optimisées. Afin de valider sur un cas industriel l’ensemble des travaux sur les dispositifs piézoélectriques, une campagne d’essai est menée sur une aube fan de CFM56-7b. Les niveaux d’atténuation mesurés et ceux prévus par le modèle sont ensuite comparés. La seconde partie est consacrée à l’évaluation de l’effet des nonlinéarités géométriques sur la dynamique d’une structure tournante. Initialement prévue pour être intégrée à la partie shunt piézoélectrique, ceci afin de pouvoir estimer l’efficacité de ce dernier lorsque la structure tourne et vibre en grande amplitude, l’étude n’a pas été poursuivie et constitue une partie sans lien avec les techniques de réduction de vibrations. Néanmoins, les résultats obtenus en 1D, ainsi que la méthode de prise en compte des nonlinéarités dans le cas 3D viennent compléter et enrichir les différentes études actuelles menées sur le sujet, raison pour laquelle ce chapitre a été ajouté à ce mémoire. La détermination des caractéristiques dynamiques modales et leurs évolutions en fonction de certains paramètres de fonctionnement de l’aube constituent l’objet de cette partie. Plusieurs modèles sont développés et comparés pour pouvoir juger de la présence et de l’importance des divers phénomènes non linéaires dans la réponse forcée d’une poutre en rotation. / Vibration reduction of a turbojet fan blade with piezoelectric patches connected to a passive or semipassive electrical circuit, commonly called "shunt", is addressed in this study. The purpose of this work is to present a method for maximizing the performance of piezoelectric shunts. To validate the model, 2 experiments on a CFM56-7b fan blade are then done. To improve the damping level, a key issue is the optimization of the whole system, in terms of location and size of the piezoelectric patches and electric circuit components choice. It was shown these two optimizations, mechanical and electrical, can be realized separately. Moreover, it is proved the only parameters to maximize are the modal electromechanical coupling factors, which characterize the energy exchanges between the mechanical structure and the piezoelectric patches for a given mode. Since the optimal value of the electric circuit parameters are known as functions of the coupling factors and the system structural characteristics, they can be evaluated in a second step. Thus, the mechanical optimization consists in maximizing the coupling factors by optimizing the patches positions and dimensions, i.e. finding the best design. To fulfill this requirement and in order to manage a complex geometry, a 3D finite element formulation of the coupled electromechanical problem is derived from the one developed by Julien Ducarne during his Ph.D. thesis. A reduced order model of the discretized problem is then obtained by expanding the mechanical displacement unknowns vector onto the short-circuit eigenmodes to get the modal electromechanical coupling factors. However, when the optimization aims to reduce the vibration level with several patches, the main concern arises from the huge number of possible designs to test. For that reason, a method is proposed to cut back simulations time as well as to cope with the many local minima. This method consists in splitting up the optimization procedure in two steps. In the first one, the influence of patches on the structural eigenmodes is neglected. Therefore, an analytic coupling indicator, based on the eigenmodes of the naked host structure, can be defined and gives rise to a first approximate optimization using a simulated annealing algorithm. Then, the solutions of the first step are used as a starting point for a second optimization, working with the tabu search algorithm and where eigenmodes are computed for each new tested design.

Le travail présenté dans ce manuscrit est une contribution à l’étude des vibrations non-linéaires des poutres isotropes et en composite, en mouvement de rotation. Le modèle mathématique utilisé est basé sur la formulation intrinsèque et géométriquement exacte de Hodges, dédiée au traitement des poutres ayant des grands déplacements et de petites déformations. La résolution est faite dans le domaine fréquentiel suite à une discrétisation spatio-temporelle, en utilisant l’approximation de Galerkin et la méthode de l’équilibrage harmonique, avec des conditions aux limites correspondantes aux poutres encastrées-libres. Le systéme dynamique final est traité par des méthodes de continuation : la méthode asymptotique numérique et la méthode pseudo-longueur d’arc. Des algorithmes basés sur ces méthodes de continuation ont été développés et une étude comparative de convergence a été menée. Cette étude a cerné les aspects : statique, analyse modale linéaire, vibrations libres non-linéaires et les vibrations forcées non-linéaires des poutres rotatives. Ces algorithmes de continuations ont été testés pour le calculs des courbes de réponse sur des cas traités dans la littérature. La résonance interne et la stabilité des solutions obtenues sont étudiées / The work presented in this manuscript is a contribution to the non-linear vibrations of the isotropic beams and composite rotating beams study. The mathematical model used is based on the intrinsic formulation and geometrically exact of Hodges, developped for beams subjected to large displacements and small deformations. The resolution is done in the frequency domain after a spatial-temporal dicretisation, by using the Galerkin approximation and the the harmonic balance method, with boundary conditions corresponding to the clamped-free. The final dynamic system is treated by continuation methods : asymptotic numerical method and the pseudo-arc length method, whose algorithms based on these continuation methods were developed and a convergence study was carried out. This study surround the aspects : statics, linear modal analysis, non-linear free vibrations and the non-linear forced vibrations of the rotating beams. These continuation algorithms were tested for the response curves calculations on cases elaborated in the literature. Internal resonance and the stability of the solutions obtained are studied

A large body of literature exists regarding linear and nonlinear dynamic absorbers, but the vast majority of it deals with linear primary structures. However, nonlinearity is a frequency occurrence in engineering applications. Therefore, the present thesis focuses on the mitigation of vibrations of nonlinear primary systems using nonlinear dynamic absorbers. Because most existing contributions about their design rely on optimization and sensitivity analysis procedures, which are computationally demanding, or on analytic methods, which may be limited to small-amplitude motions, this thesis sets the emphasis on a tuning procedure of nonlinear vibration absorbers that can be computationally tractable and treat strongly nonlinear regimes of motion. The proposed methodology is a two-step procedure relying on a frequency-energy based approach followed by a bifurcation analysis. The first step, carried out in the free vibration case, imposes the absorber to possess a qualitatively similar dependence on energy as the primary system. This gives rise to an optimal nonlinear functional form and an initial set of absorber parameters. Based upon these initial results, the second step, carried out in the forced vibration case, exploits the relevant information contained within the nonlinear frequency response functions, namely, the bifurcation points. Their tracking in parameter space enables the adjustment of the design parameter values to reach a suitable tuning of the absorber. The use of the resulting integrated tuning methodology on nonlinear vibration absorbers coupled to systems with nonlinear damping is then investigated. The objective lies in determining an appropriate functional form for the absorber so that the limit cycle oscillation suppression is maximized. Finally, the proposed tuning methodology of nonlinear vibration absorbers may impose the use of complicated nonlinear functional forms whose practical realization, using mechanical elements, may be difficult. In this context, an electro-mechanical nonlinear vibration absorber relying on piezoelectric shunting possesses attractive features as various functional forms for the absorber nonlinearity can be achieved through proper circuit design. The foundation of this new approach are laid down and the perspectives are discussed.

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Cela fait environ soixante ans que l'on s'intéresse à la compréhension et à la modélisation du comportement Elastohydrodynamique (EHD) des joints à lèvres. Cependant, on peut considérer que, jusqu'à présent, leur modélisation n'a pas été totalement et rigoureusement traitée. En effet, même si de nombreuses études ont été consacrées à cette modélisation, plusieurs questions ont été soulevées et font toujours l'objet de controverses entre les chercheurs, à savoir l'impact sur les performances des joints à lèvre de l'effet des surfaces texturées de l'arbre, de la loi adoptée pour le comportement mécanique des joints à lèvre, de la démarche utilisée pour l'élaboration de la matrice de compliance (matrice de souplesse), de l'importance de supposer l'arbre lisse ou rugueux, ainsi que la valeur du rapport entre la largeur du contact et la longueur d'onde du défaut suivant la direction circonférentielle de la lèvre.Dans cette thèse, nous avons tenté d'apporter de façon rigoureuse des réponses claires et précises à toutes ces questions en élaborant et en validant un outil de simulation EHD complet pour les joints à lèvre qui tienne compte de presque tous les paramètres, à savoir une loi de comportement du matériau du joint précise, une matrice de souplesse rigoureusement validée et un arbre qui peut être lisse, rugueux et/ou texturé. De plus, un second modèle analytique est proposé. Il traite le comportement vibratoire du "squeeze film", en tenant compte de la non linéarité des caractéristiques intrinsèques du joint et du film. / It's about sixty years that we are interested in understanding and modeling the Elastohydrodynamic behavior (EHD) of rotary lip seals. However, we can consider that, until now, their modeling has not been accurately treated. Even though many studies have been devoted to this model, several questions have been raised and are still the subject of controversy among researchers, namely the parameters influencing on the rotary lip seals performance, such as: the shaft surface textured, the law adopted for the mechanical behavior of lip seals, the approach used to develop the matrix of compliance, the importance of assuming the smooth or rough shaft, and finally the ratio between the width of contact and the wavelength according the circumferential direction of the lip roughness.The main goal of this thesis is to answer rigorously these questions by developing and validating a numerical tool for EHD rotary lip seals modeling, that takes into account: the lip law behavior, the compliance matrix rigorously validated by assuming smooth shaft case, or rough and textured shaft case. In addition, an analytical approach is proposed, models the vibratory behavior of the "squeeze film". This implies a nonlinear comportment that is taken into account.

Ce travail de thèse a pour objet d’analyser le comportement en statique, en fatigue et en vibration linéaire et non linéaire des matériaux sandwichs en présence d’une décohésion de longueur variable. Une étude détaillée est d’abord menée pour caractériser le comportement mécanique en statique et en fatigue de ces matériaux. Les essais ont été conduits en flexion 3-points sur des poutres de ces matériaux pour plusieurs distances entre appuis et pour plusieurs longueurs de fissure. En vibration, une étude expérimentale de la réponse en fréquence à une impulsion, menée à l’aide d’un vibromètre laser a permis de mesurer les fréquences propres et les amortissements de ces matériaux autour de chaque pic de résonance en fonction de la longueur de fissure. Les résultats déduits de l’analyse expérimentale sont comparés à ceux obtenus à partir d’une analyse par éléments finis. Enfin, une méthode de vibration non linéaire a été appliquée pour caractériser le comportement des matériaux sandwichs endommagés par fissuration. Les paramètres non linéaires relatifs au décalage fréquentiel et à l’amortissement sont mesurés en faisant varier l’amplitude d’excitation. Cette étude a permis de montrer que les paramètres non linéaires sont plus sensibles à l’endommagement que les paramètres linéaires. / The aim of this work is to investigate the effects of debonding lengths on the static, fatigue, linear and nonlinear vibration behaviour of sandwich materials. First, a study was conducted in static and cyclic fatigue loading with various debonding lengths. Shear and flexural modulus in static tests were determined using the sandwich plate theory. The effects of debonding lengths on the stiffness, hysteresis loops and damping were studied for various numbers of cycles during fatigue tests. Then, modelling of the damping of a composite sandwich with debonding was established considering finite element analysis which evaluated the different energies dissipated in the material directions of the core and the skins. The effects of debonding variable lengths on natural frequencies and damping were studied numerically and compared with experimental results. Finally, the nonlinear vibration method was used to characterize the behaviour of sandwich beams with debonding. The nonlinear parameters corresponding to the elastic modulus and damping were determined for each frequency mode and each debonding length. The results showed that nonlinear parameters were much more sensitive to damage than linear parameters.

Les structures soumises à des vibrations sont rencontrées dans diverses applications. Dans denombreux cas, elles sont de nature linéaires, mais quand les amplitudes des oscillations deviennentimportantes, cela provoque un comportement non-linéaire. Par ailleurs, les oscillations desstructures dans un milieu fluide entrainent une interaction fluide-structure. Cette thèse porte surla modélisation du problème fluide-structure non-linéaire. Les cas de non-linéarités étudiés sont lanon-linéarité grands-déplacements caractéristique des structures minces, la non-linéarité localiséegéométrique décrivant une liaison non-linéaire entre deux structures et la non-linéarité acoustiqueparticularité des très hauts niveaux de pression.Pour la modélisation de ces problèmes, il se peut que le calcul en réponse demeure infaisable enraison du temps de calcul. D’une part, on est amené à résoudre des systèmes matriciels (symétriquesou non) de grandes tailles générés par la méthode des éléments finis et d’autre part, cetterésolution demande une évaluation de la force non-linéaire à chaque itération. Afin de diminuer lecoût de calcul, la réduction de modèle par des bases de réductions couplées avec un algorithmeparallélisant l’évaluation de la force non-linéaire, est une alternative à la résolution du systèmecomplet. La construction des bases de réduction doit s’adapter au mieux à chaque problème traité.La base modale du problème linéaire est une première approximation puis elle est enrichie par desinformations qui proviennent à la fois de la nature du couplage et du comportement non-linéaire / Structures subjected to vibrations are found in various applications. In many cases, they behave ina linear way, but when the amplitudes of the oscillations become important, it causes a nonlinearbehavior. Moreover, the oscillations of structures in a fluid field lead to a fluid-structureinteraction. This thesis focuses on the modeling of nonlinear fluid-structure problem. Differentkind of nonlinearities are studied in this work including the large-displacement nonlinearitycharacteristic of thin structures, the localized geometrical nonlinearity describing a nonlinear linkbetween two structures, and the acoustic nonlinearity characteristic of very high levels ofpressure.Modeling such problems are time and memory consuming, that may lead to a limitations of themodel. Therefore, it is necessary to solve a large matrix system (either symmetric or not)generated by the finite element method and the resolution needs an evaluation of the nonlinearforce at each iteration. In order to reduce the computational cost, model reduction with reducedbases combined with parallelization of the nonlinear force evolution is proposed as an alternative tothe resolution of complete systems. Building reduction bases must be adapted to each concernedproblem. The eigenmode of the linear problem is a first approximation and it is enriched withinformation coming from both coupling and nonlinear behaviors.

<div>This body of work examines analytical and numerical models to simulate the response of structures in shock absorption applications. Specifically, the work examines the prediction of cushion curves of polymer foams, and a topological examination of a $\chi$ shape unit cell found in architected mechanical elastomeric metamaterials. The $\chi$ unit cell exhibits the same effective stress-strain relationship as a closed cell polymer foam. Polymer foams are commonly used in the protective packaging of fragile products. Cushion curves are used within the packaging industry to characterize a foam's impact performance. These curves are two-dimensional representations of the deceleration of an impacting mass versus static stress. The main drawback with cushion curves is that they are currently generated from an exhaustive set of experimental test data. This work examines modeling the shock response using a continuous rod approximation with a given impact velocity in order to generate cushion curves without the need of extensive testing. In examining the $\chi$ unit cell, this work focuses on the effects of topological changes on constitutive behavior and shock absorbing performance. Particular emphasis is placed on developing models to predict the onset of regions of quasi-zero-modulus (QZM), the length of the QZM region and the cushion curve produced by impacting the unit cell. The unit cell's topology is reduced to examining a characteristic angle, defining the internal geometry with the cell, and examining the effects of changing this angle.</div><div>However, the characteristic angle cannot be increased without tradeoffs; the cell's effective constitutive behavior evolves from long regions to shortened regions of quasi-zero modulus. Finally, this work shows that the basic $\chi$ unit cell can be tessellated to produce a nearly equivalent force deflection relationship in two directions. The analysis and results in this work can be viewed as new framework in analyzing programmable elastomeric metamaterials that exhibit this type of nonlinear behavior for shock absorption.</div>

Les systèmes et matériaux mécaniques non linéaires sont largement utilisés dans divers domaines. Cependant, leur modélisation et leur conception ne sont pas triviales car elles nécessitent une compréhension complète de leurs non-linéarités internes et d'autres phénomènes. Pour permettre une conception efficace, nous devons d'abord introduire des modèles de calcul afin de caractériser avec précision leur comportement complexe. En outre, de nouvelles techniques de conception inverse sont également nécessaires pour comprendre comment le comportement change lorsque nous modifions les paramètres de conception des systèmes mécaniques non linéaires et des matériaux. Par conséquent, dans cette thèse, nous présentons trois nouvelles méthodes pour la modélisation informatique et la conception de systèmes mécaniques non linéaires et de matériaux. Dans le premier article, nous abordons le problème de la conception de systèmes mécaniques non linéaires présentant des mouvements périodiques stables en réponse à une force périodique. Nous présentons une méthode de calcul qui utilise une approche du domaine fréquentiel pour la simulation dynamique et la puissante analyse de sensibilité pour l'optimisation de la conception afin de concevoir des systèmes mécaniques conformes avec des oscillations de grande amplitude. Notre méthode est polyvalente et peut être appliquée à divers types de systèmes mécaniques souples. Nous validons son efficacité en fabriquant et en évaluant plusieurs prototypes physiques. Ensuite, nous nous concentrons sur la modélisation informatique et la caractérisation mécanique des matériaux non linéaires dominés par le contact, en particulier les matériaux à emboîtement discret (DIM), qui sont des tissus de cotte de mailles généralisés constitués d'éléments d'emboîtement quasi-rigides. Contrairement aux matériaux élastiques conventionnels pour lesquels la déformation et la force de rappel sont directement couplées, la mécanique des DIM est régie par des contacts entre des éléments individuels qui donnent lieu à des contraintes de déformation cinématique anisotrope. Pour reproduire le comportement biphasique du DIM sans simuler des structures à micro-échelle coûteuses, nous introduisons une méthode efficace de limitation de la déformation anisotrope basée sur la programmation conique du second ordre (SOCP). En outre, pour caractériser de manière exhaustive la forte anisotropie, le couplage complexe et d'autres phénomènes non linéaires du DIM, nous introduisons une nouvelle approche d'homogénéisation pour distiller des limites de déformation à grande échelle à partir de simulations à micro-échelle et nous développons un modèle macromécanique basé sur des données pour simuler le DIM avec des contraintes de déformation homogénéisées. / Nonlinear mechanical systems and materials are broadly used in diverse fields. However, their modeling and design are nontrivial as they require a complete understanding of their internal nonlinearities and other phenomena. To enable their efficient design, we must first introduce computational models to accurately characterize their complex behavior. Furthermore, new inverse design techniques are also required to capture how the behavior changes when we change the design parameters of nonlinear mechanical systems and materials. Therefore, in this thesis, we introduce three novel methods for computational modeling and design of nonlinear mechanical systems and materials. In the first article, we address the design problem of nonlinear mechanical systems exhibiting stable periodic motions in response to a periodic force. We present a computational method that utilizes a frequency-domain approach for dynamical simulation and the powerful sensitivity analysis for design optimization to design compliant mechanical systems with large-amplitude oscillations. Our method is versatile and can be applied to various types of compliant mechanical systems. We validate its effectiveness by fabricating and evaluating several physical prototypes. Next, we focus on the computation modeling and mechanical characterization of contact-dominated nonlinear materials, particularly Discrete Interlocking Materials (DIM), which are generalized chainmail fabrics made of quasi-rigid interlocking elements. Unlike conventional elastic materials for which deformation and restoring forces are directly coupled, the mechanics of DIM are governed by contacts between individual elements that give rise to anisotropic kinematic deformation constraints. To replicate the biphasic behavior of DIM without simulating expensive microscale structures, we introduce an efficient anisotropic strain-limiting method based on second-order cone programming (SOCP). Additionally, to comprehensively characterize strong anisotropy, complex coupling, and other nonlinear phenomena of DIM, we introduce a novel homogenization approach for distilling macroscale deformation limits from microscale simulations and develop a data-driven macromechanical model for simulating DIM with homogenized deformation constraints.