Cette thèse suit une démarche " materials-by-design " avec pour objectif le développement d'une méthode de conception dédiée aux panneaux sandwichs architecturés pour l'obtention de propriétés multifonctionnelles. Cette méthode s'appuie sur l'utilisation d'un algorithme génétique permettant simultanément une sélection de matériaux (variables discrètes) et un pré-dimensionnement du panneau (variables continues). Trois architectures de coeur ont été étudiées : les mousses, les nids-d'abeilles hexagonaux et les treillis tétraédriques. Dans cette thèse, on définit deux approches différentes de sélection des matériaux. Dans un premier temps, les matériaux architecturés sont considérés comme des matériaux existants, dont les propriétés sont référencées dans une base de données fermée. Cette approche est appelée optimisation par " voie réelle ". Afin d'ouvrir les possibilités en termes de sélection de matériaux, la deuxième approche considère une description semi-continue des matériaux architecturés et est appelée optimisation par " voie virtuelle ". Le matériau coeur est décrit par un matériau constitutif (variable discrète) et par une ou plusieurs variables géométriques continues représentant l'architecture. Utilisant ces deux approches, différentes propriétés d'emploi des panneaux sandwichs sont évaluées : rigidité et résistance en flexion, atténuation acoustique, résistance et isolation thermique, et enfin résistance aux chocs impulsionnels. Chaque fonction est optimisée à masse minimale par optimisation bi-objectifs. Différents cas d'optimisation tri-objectifs sont également présentés afin d'évaluer la compatibilité entre propriétés. En effet, la forme de la surface de compromis obtenue donne une indication sur la compatibilité entre les différents critères. Cette étape d'optimisation permet également l'identification des paramètres de conception optimaux. Dans le cas d'une optimisation par " voie virtuelle ", une comparaison directe entre architectures est aussi possible. Cependant, la démarche d'optimisation mise en place est complexe car globale et travaillant avec des variables mixtes. Deux méthodes mixtes, couplant l'algorithme génétique avec d'autres approches, sont proposées pour permettre un accroissement de la complexité de l'analyse tout en garantissant une complexité raisonnable de l'optimisation

L’industrie aérospatiale doit faire face à de nouvelles exigences environnementales, tout particulièrement concernant la réduction des coûts de lancement. L’utilisation de matériaux sandwichs composites plus légers permet de répondre à ces besoins. Cependant, l’allégement des matériaux sandwichs favorise une transmission importante du bruit, d’où la nécessité de prendre en compte des critères vibroacoustiques dès la phase de préconception. Dans cette optique, le travail présenté dans ce mémoire a pour objectif de proposer une démarche d’optimisation vibroacoustique des panneaux sandwichs composites légers, sous contraintes de masse et rigidité. Une étude spécifique est consacrée à l’optimisation des variables géométriques de solides cellulaires à périodicité de type nid d’abeille. L’objectif principal est de minimiser la densité modale en s’appuyant sur des modèles homogénéisés fiables. Afin de calculer les propriétés mécaniques macroscopiques des panneaux sandwichs, une méthode numérique d’homogénéisation tridimensionnelle est développée. Cette méthode permet de calculer les propriétés mécaniques équivalentes en utilisant les déformations et contraintes moyennes sur le volume représentatif. Les résultats obtenus sont conformes à ceux calculés par des méthodes classiques basées sur des modèles analytiques. Dans le but d’identifier une fonction objectif riche en informations sur le comportement vibroacoustique de panneau sandwich, on choisit d’étudier la densité modale du panneau. Par la suite, la fréquence de transition, qui sépare la zone de comportement de flexion pure du panneau sandwich du comportement en cisaillement pur de l’âme, est utilisée pour définir la fonction objectif. Après une étude d’analyse de sensibilité sur les paramètres mécaniques et géométriques de la structure sandwich, une démarche globale d’optimisation mono-objectif est mise en oeuvre pour maximiser la fréquence de transition de la structure sandwich composite constituée d’une âme en nid d’abeille hexagonale. Enfin, cette démarche est étendue pour estimer les propriétés géométriques optimales de nouvelles âmes. / The aerospace industry has to adapt to new environmental requirements, especially concerning the reduction of the launch costs. The use of lighter composite sandwich materials can meet part of these requirements. However, their high stiffness-toweight ratio implies that they tend to increase noise transmission, which may be damageable to the payload. Vibroacoustic criterai should hence be taken into account from the early design stages. In this context, the work presented in this thesis aims to provide a vibroacoustic optimization approach of lightweight composite sandwich panels, under mass and stiffness constraints. A specific study is devoted to the optimization of geometric variables of periodic cellular solids such as honeycombs. The main objective is to minimize the modal density based on reliable homogenized models. In order to calculate the macroscopic mechanical properties of the sandwich panel, a numerical method of three-dimensional homogenization is developed. This method allows to calculate the equivalent mechanical properties by applying the average strains and stresses on a unit cell. The results obtained are consistent with those calculated by conventional methods based on analytical approaches. The modal density is chosen as an objective function for optimization, as it is closely related to the vibroacoustic behavior of the structure. The transition frequency, which separates the region of pure panel bending from the pure core shear zone, is further studied and considered as an alternative objective function. After a sensitivity analysis of the mechanical and geometric parameters of the sandwich structure, a mono-objective optimization approach is implemented to maximize the transition frequency of a composite sandwich structure with a hexagonal core. This approach is then extended to estimate the optimal geometric properties of new core shapes.

Ce travail de thèse porte sur l'étude de l'influence des micro-perforations sur la réponse vibratoire d'une structure cellulaire de type panneau sandwich NIDA (nid d'abeille). Les réflecteurs d'antenne de satellites placés sur les satellites de télécommunication, comme beaucoup d'autres éléments, sont fabriqués avec ce type de matériaux. Lors du décollage du lanceur pour la mise en orbite du satellite, les sollicitations mécaniques appliquées au système sont de nature acoustique et solidienne. La sollicitation acoustique liée au champ acoustique diffus et de très fort niveau présent dans la coiffe du lanceur est la plus importante. Elle joue un rôle important dans le dimensionnement et la conception du réflecteur d'antenne. L'enjeu de la thèse est d'évaluer le potentiel d'un traitement de ce panneau par micro-perforations pour en réduire les vibrations. L'effet des micro-perforations sur la réponse vibratoire du réflecteur d'antenne est double. D'une part, le chargement acoustique que constitue la pression excitatrice est réduit par un mécanisme d'absorption du à la présence des micro-perforations, couplées aux cavités formées par les cellules NIDA du matériau. Cet effet, connu dans la littérature est décrit notamment par le modèle d'impédance acoustique de D.-Y. Maa, couplé à un modèle d'impédance de la cavité NIDA et prenant en compte les rayonnements interne et externe à la micro-perforation. D'autre part, un effet, de nature vibro-acoustique est induit par le couplage entre les vibrations du panneau et les mouvements acoustiques dans les micro-perforations. La modélisation de cet effet, mal décrit dans la littérature constitue un élément original du travail : un modèle discret construit à partir de l'impédance acoustique d'un orifice permet le calcul d'une force d'amortissement élémentaire, puis, après homogénéisation, à une estimation de l'amortissement modal du panneau micro-perforé. Les modélisations proposées pour la réduction de chargement acoustique et de l'amortissement ajouté par micro-perforation montrent que la réponse vibratoire du panneau est faiblement réduite dans la plage de fréquence d'intérêt, ce que confirment plusieurs tests expérimentaux : comparaison de réponse de panneau micro-perforé ou non en chambre réverbérante et en chambre à bruit. La modification de chargement acoustique apportée par la micro-perforation des deux faces du panneau sandwich NIDA est modélisée dans le dernier chapitre et donne lieu à une augmentation de l'effet dans la gamme de fréquence visée. / This thesis work is about the study of the microperforations influence on the vibratory response of a cellular structure as a honeycomb sandwich panel. Satellites' antenna's reflectors placed on telecommunication satellites, as many satellites' elements, are manufactured in this kind of materials. During the launcher take-off for putting satellite into orbit, the mechanical stresses applied to the system are acoustical and vibration borne stress. The acoustic stress, linked to the high level diffuse acoustic field inside the launcher fairing is the most important. It plays a part in the antenna's reflector size and conception. The issue of the thesis is to evaluate the potential of a treatment using microperforations on this panel in order to reduce its vibration. The microperforations effect on the vibration response of the antenna's reflector is double. On one hand, the acoustic loading applied by the exciter pressure is reduced by an absorption mechanism due to the presence of microperforations, coupled to cavities formed by honeycomb cells. This effect, well known in the litterature, is for instance described by the acoustic impedance model developped by D.-Y. Maa, coupled to an impedance model of honeycomb cavity and taking into account the inner and outer radiations of the microperforation. On the other hand, a vibro-acoustical effect is induced by the coupling between panel vibrations and acoustic movements inside microperforations. The modelling of this effect, not well described in the litterature, constitutes an original element of the thesis work: a discrete model constructed using the acoustic impedance of an orifice, allows the computation of an elementary damping force and then leads, after an homogenisation, to an estimation of the modal damping of the microperforated panel. Both modellings proposed for the acoustic loading reduction and the damping added by microperforations, show that the panel vibration response is weakly reduced in the frequency band of interest, which confirms experimental tests like: response comparison of non microperforated and microperforated panels placed in reverberant room and noise chamber. The acoustic loading modification induced by the microperforation of both sides of the honeycomb sandwich panel is modelling in the thesis last chapter and allows an increase of the effect on the frequency band aimed.

La mise en oeuvre de matériaux acoustiques est une méthode efficace et très utilisée pour réduire le bruit le long de sa propagation. Les propriétés acoustiques de nouvelles structures sandwich multifonctionnelles et de matériaux absorbants poreux sont étudiées dans la thèse. Les principales contributions de la thèse sont les suivantes: Les panneaux sandwich ont généralement d'excellentes propriétés mécaniques et un bon indice de perte en transmission sonore (STL), mais aucune capacité d'absorption acoustique. De nouvelles structures sandwich multifonctionnelles sont développées en intégrant des microperforations et des matériaux absorbants poreux aux panneaux sandwich ondulés et en nid d’abeilles conventionnels, structurellement efficaces pour obtenir de bons STL et de bonnes absorptions en basses fréquences. Le coefficient d'absorption acoustique (SAC) et la perte en transmission (STL) des panneaux sandwich ondulés sont évalués numériquement et expérimentalement en basse fréquence pour différentes configurations de perforations. Les modèles éléments finis (EF) sont construits en tenant compte des interactions vibro-acoustiques sur les structures et des dissipations d'énergie, visqueuse et thermique, à l'intérieur des perforations. La validité des calculs FE est vérifiée par des mesures expérimentales avec les échantillons testés obtenus par fabrication additive. Par rapport aux panneaux sandwich ondulés classiques sans perforation, les panneaux sandwich perforés (PCSPs) avec des perforations dans leur plaque avant présentent non seulement un SAC plus élevé aux basses fréquences, mais aussi un meilleur STL, qui en est la conséquence directe. L'élargissement des courbes des indices d’absorption et de transmission doit être attribué à la résonance acoustique induite par les micro-perforations. Il est également constaté que les PCSPs avec des perforations dans les plaques avant et les parois internes onduleés ont les fréquences de résonance les plus basses de tous les PCSPs. En outre, les performances acoustiques des panneaux sandwich en nid d'abeilles avec une plaque avant microperforée sont également examinées. Un modèle analytique est présenté avec l'hypothèse que les déplacements des deux plaques sont identiques aux fréquences inférieures à la fréquence de résonance des plaques. Le modèle analytique est ensuite validé par des modèles d'éléments finis et des résultats expérimentaux existants. Contrairement aux panneaux sandwich en nid d'abeilles classiques qui sont de piètres absorbeurs de bruit, les sandwichs en nid d'abeilles perforés (PHSPs) conduisent à un SAC élevé aux basses fréquences, ce qui entraîne en conséquence un incrément dans le STL basse fréquence. Les influences de la configuration du noyau sont étudiées en comparant les PHSPs avec différentes configurations de noyaux en nids d'abeilles. […] / Implementation of acoustic materials is an effective and popular noise reduction method during propagation. Acoustic properties of novel multifunctional sandwich structures and porous absorbing materials are studied in the dissertation. The main contributions of the dissertation are given as, Sandwich panels generally have excellent mechanical properties and good sound transmission loss (STL), but no sound absorption ability. Novel multifunctional sandwich structures are developed by integrating micro perforations and porous absorbing materials to the conventional structurally-efficient corrugated and honeycomb sandwich panels to achieve good SAC and STL at low frequencies. Low frequency sound absorption and sound transmission loss (STL) of corrugated sandwich panels with different perforation configurations are evaluated both numerically and experimentally. Finite element (FE) models are constructed with considerations of acousticstructure interactions and viscous and thermal energy dissipations inside the perforations. The validity of FE calculations is checked against experimental measurements with the tested samples provided by additive manufacturing. Compared with the classical corrugated sandwich panels without perforation, the perforated corrugated sandwich panels (PCSPs) with perforations in its face plate not only exhibits a higher SAC at low frequencies but also a better STL as a consequence of the enlarged SAC. The enlargement of SAC and STL should be attributed to the acoustical resonance induced by the micro perforations. It is also found that the PCSPs with perforations in both the face plates and corrugated cores have the lowest resonance frequencies of all the PCSPs. Besides, the acoustic properties of honeycomb sandwich panels with microperforated faceplate are also explored. An analytical model is presented with the assumption that displacements of the two faceplates are identical at frequencies below the faceplate resonance frequency. The analytical model is subsequently verified by finite element models and existing experimental results. Unlike classical honeycomb sandwich panels which are poor sound absorbers, perforated honeycomb sandwiches (PHSPs) lead to high SAC at low frequencies, which in turn brings about increment in the low frequency STL. Influences of core configuration are investigated by comparing PHSPs with different honeycomb core configurations. In order to enlarge the SAC bandwidth of perforated sandwich panels, porous absorbing materials are added to the cores of novel perforated sandwich panels. FE models are set up to estimate the SAC and STL of perforated sandwich panels with porous materials. Results show that perforated sandwich panels with porous material can provide SAC with broader bandwidth and lower resonance frequency than that without porous materials. Whereas the peak values in the SAC and STL curves are reduced due to the weakened acoustical resonance by the porous materials. […]