Cette étude a pour but la conception de microrésonateurs basses fréquences réalisés par une technique de microfabrication collective : la LIGA-UV. Il est donc nécessaire dans un premier temps de connaître les propriétés mécaniques du matériau choisi pour la réalisation, à savoir le nickel obtenu par électroformage. On détermine donc le module de Young ainsi que l'amortissement interne du matériau grâce au plus simple des microrésonateurs à savoir une micropoutre encastrée-libre. La démarche suivie lors de la phase de conception de ces microrésonateurs est la suivante : tout d'abord développer un modèle analytique qui permet de déterminer le maximum de paramètres géométriques. Ensuite, l'utilisation d'un modèle éléments finis, qui prend en compte plus de paramètres, permet d'affiner la géométrie grâce à des conditions aux limites proches de la réalité et de simuler le fonctionnement du microsystème. Ainsi, cette démarche a été suivie par la réalisation et la caractérisation de microrésonateurs en nickel à mode de flexion dans le plan qui vibrent à 70 kHz. L'excitation et la détection se font par le biais de peignes interdigités. Les fréquences expérimentales sont confrontées aux résultats des simulations avec une corrélation très satisfaisante. Enfin, un prototype de microrésonateur qui vibre à 6 MHz et dont l'originalité réside dans son mode de contour ou mode de Lamé a été réalisé. La vibration qui a lieu dans le plan a ses nœuds aux quatre coins et au centre de la plaque. L'excitation du microrésonateur se fait de manière électrostatique, quant à la détection elle se fait par l'intermédiaire d'un interféromètre laser hétérodyne. Les résultats ont montré un coefficient de qualité Q d'environ 1200 à l'air. Ce type de microrésonateur est le candidat idéal pour la réalisation d'un oscillateur intégré sous vide qui entraînerait une nette amélioration de ses performances mécaniques.

Cette thèse a été motivée par diverses questions qui se posent quant à l'utilisation de la méthode de l'isolation sismique dans l'industrie nucléaire. Malgré la recherche effectuée pendant les dernières décennies dans le domaine de l'isolation sismique, plusieurs questions restent ouvertes quant au comportement des structures isolées. Ces questions concernent d'une part la vulnérabilité de ces structures, due à une excursion (inattendue) dans le domaine post-linéaire et d'autre part, des phénomènes qui peuvent aboutir à une excitation significative des modes non isolés. Par ailleurs, à la différence des travaux antérieurs qui étudient le comportement sismique des bâtiments, une place importante est consacrée au comportement des équipements par le biais de l'étude des spectres de plancher. Dans un premier temps, la probabilité de défaillance, dans le cas de réponse non-linéaire de la superstructure, a été étudiée avec des modèles simples, pour différents lois de comportement non-linéaires et différents types d'appuis. Ensuite les effets de l'ajout d'un amortissement important ont été étudiés et le mécanisme d'amplification de la réponse des modes non-isolés a été expliqué. Afin de remédier au problème de l'amplification des modes non isolés, des systèmes d'isolation mixtes, combinant l'isolation passive avec des dispositifs semi-actifs, ont été considérés. Les analyses numériques confirment l'efficacité de cette approche. Enfin, une série d'essais, sur table vibrante, d'une maquette simple à deux degrés de liberté a été réalisée. La maquette est équipée d'un amortisseur magnéto-rhéologique qui est contrôlé comme un dispositif semi-actif. La comparaison des résultats expérimentaux avec ceux des simulations numériques montre que les modèles développés sont capables de représenter de façon satisfaisante les phénomènes physiques essentiels.

Ce travail de recherche traite du couplage entre un liquide incompressible, irrotationnel et son contenant : une structure élastique. Cette interaction fluide-structure est traitée dans le cadre des petites déformations autour d'un état d'équilibre.Dans un premier temps, on présente une méthode d'introduction des sources dissipatives visqueuses dans le liquide à partir des équations du système couplé conservatif en s'appuyant sur une approche de type fluide potentiel généralement utilisée pour traiter les problèmes de couplage fluide-structure linéarisés non amortis. Un modèle d'amortissement diagonal est alors choisi pour le liquide et les effets dissipatifs de celui-ci sont pris en compte en calculant les coefficients d'amortissement modaux. Seuls les effets dissipatifs liées à la viscosité du liquide sont alors pris en compte. Le système couplé dissipatif obtenu possède une matrice d'amortissement non symétrique. Une résolution de ce système à amortissement non classique est alors présentée et les expressions des réponses fréquentielle et temporelle linéarisées sont données pour différents types d'excitations.Dans un deuxième temps, le liquide est supposé non visqueux et les forces de tension surfacique sont prises en compte. Cette configuration concerne principalement les satellites où le système couplé est en situation de microgravité. Une formulation du problème conservatif permettant de prendre en compte l'incompressibilité du fluide, la condition de continuité à l'interface fluide structure, les effets de capillarité du fluide ainsi que les effets éventuels de précontraintes statiques est alors établie. On se propose pour cela d'utiliser une méthode énergétique via le Principe de Moindre Action. La démarche est alors décomposée en deux étapes : une étude statique afin de déterminer la position de référence, puis une étude dynamique linéarisée autour de cette position d'équilibre. Cette formulation forme notamment une base pour l'introduction des sources dissipatives liées aux effets de capillarité via la méthode précédemment introduite.

Dans le cadre de la lutte contre les nuisances sonores et vibratoires, cette thèse porte sur la modélisation numérique des structures amorties par dispositifs piézoélectriques shuntés. La première partie du travail concerne la modélisation par éléments finis de structures en vibrations avec des pastilles piézoélectriques shuntées. Dans un premier temps, une formulation éléments finis originale, qui utilise des variables électriques globales (différence de potentiel et charge dans chaque pastille piézoélectrique), est analysée et validée. Dans un second temps, différentes stratégies de réduction de modèle basées sur la méthode de projection modale sont proposées pour résoudre le problème électromécanique discrétisé par éléments finis à moindre coût. La convergence de ces modèles d’ordre réduits est ensuite analysée pour les cas de shunts résistif et résonant. La deuxième partie du travail est consacrée à l’optimisation du système électromécanique, dans le but de maximiser l’amortissement apporté par les dispositifs piézoélectriques shuntés. Pour cela, une procédure d’optimisation topologique, basée sur la méthode SIMP (Solid Isotropic Material with Penalization method), est développée pour déterminer les géométries et les emplacements optimaux des pastilles piézoélectriques. Cette procédure permet de maximiser le coefficient de couplage électromécanique modal entre les éléments piézoélectriques et la structure hôte, ceci de façon indépendante du choix des composants du circuit électrique. Les avantages de l’approche proposée sont mis en avant à travers un exemple de validation et un cas d'application industrielle. Enfin, la dernière partie du travail propose une approche numérique pour modéliser et optimiser la réduction du rayonnement acoustique de plaques minces dans le domaine des basses fréquences avec des éléments piézoélectriques shuntés. Cette approche est valable pour n’importe quelle plaque mince bafflée et non trouée, indépendamment des conditions aux limites. Un exemple d’application concernant l’atténuation du rayonnent acoustique d’une plaque avec renforts est présenté et analysé. / Passive structural vibration and noise reduction by means of shunted piezoelectric patches is addressed in this thesis. The first part of the work concerns the finite element modeling of shunted piezoelectric systems. Firstly, an original finite element formulation, with only a couple of electric variables per piezoelectric patch (the global charge/ voltage), is analyzed and validated. Secondly, several reduced order models based on a normal mode expansion are proposed to solve the electromechanical problem. The convergence of these reduced order models is then analyzed for a resistive and a resonant shunt circuits. In the second part of the work, the concept of topology optimization, based on the Solid Isotropic Material with Penalization method (SIMP), is employed to optimize, in terms of damping efficiency, the geometry of piezoelectric patches as well as their placement on the host elastic structure. The proposed optimization procedure consists of distributing the piezoelectric material in such a way as to maximize the modal electromechanical coupling factor of the mechanical vibration mode to which the shunt is tuned, independently of the choice of electric circuit components. Numerical examples validate and demonstrate the potential of the proposed approach for the design of piezoelectric shunt devices. Finally, the last part of the work concerns the numerical modeling of noise and vibration reduction of thin structures in the low frequency range by using shunted piezoelectric elements. An efficient approach that can be applied to any thin continuous plates in an infinite baffle, independently of the boundary conditions, is proposed. An application example of a thin plate with reinforcements is presented and analyzed.

La fiabilité de la simulation thermomécanique de composants de puissance est fortement liée à la précision des paramètres mécaniques tels que le module de Young (E) et le coefficient de dilatation thermique (CTE) des matériaux le constituant. La plupart du temps, les valeurs disponibles dans la littérature concernent les matériaux massifs, de plus leurs variations en fonction de la température ainsi que l'évolution de ces propriétés lors de cycles de fatigue sont rarement données. Afin de répondre à ce besoin, une technique a été développée utilisant une micro poutre bicouche (cantilever) qui possède la propriété de se courber lorsqu'elle subit un échauffement. Le module de Young et le cSfficient de dilation thermique de l'aluminium de 4µm et 10µm d'épaisseur, déposé par DC magnétron sputering, ont ainsi été mesurés avec précision. Les structures ont ensuite été soumises à des vibrations harmoniques forcées afin de caractériser l'évolution du module de Young lors de cycles de fatigue répétés. Les propriétés mécaniques des matériaux déterminées de manière expérimentale ont été implémentées dans un modèle éléments finis d'un composant de puissance à très faible résistance à l'état passant (RON) de Freescale semiconducteur. Des simulations électro-thermo-mécaniques ont été effectuées permettant d'évaluer l'impact des connexions entre la puce et le boîtier sur le RON du composant, sur la distribution des températures ainsi que sur les contraintes générées dans les matériaux.

Cette thèse porte sur l'étude expérimentale et numérique des forces fluides s'exerçant sur un cylindre ou un faisceau de cylindres oscillant latéralement en écoulement axial. Les paramètres de ce système sont l'amplitude, la fréquence d'oscillation, la vitesse de l'écoulement axial, le confinement et le rapport entre la longueur et le diamètre du cylindre. L'objectif de la thèse est de déterminer l'amortissement fluide, c'est-à-dire la force dissipative, créé par l'écoulement axial. Les résultats des travaux de thèse ont pour application industrielle la détermination de l'amortissement fluide des assemblages combustibles dans le cœur des centrales nucléaire lors d'un séisme. On s'intéresse dans le cadre de la thèse uniquement aux configurations pour lesquelles la vitesse d'oscillation latérale est faible devant la vitesse d'écoulement axial. Dans une première partie, on étudie le cas d'un cylindre non confiné oscillant en écoulement axial. Deux méthodes différentes sont utilisées : une dynamique et une quasi-statique. En dynamique, l'amortissement fluide est mesuré par la décroissance des oscillations pour un cylindre en oscillations libres. Dans l'approche quasi-statique, l'amortissement se déduit de la force normale mesurée sur un cylindre incliné. La gamme des faibles ratios entre la vitesse latérale et la vitesse axiale correspond, en statique, à une gamme de faibles inclinaisons où le cylindre est en écoulement quasi-axial. Le cas de l'approche quasi-statique a été traité expérimentalement dans des expériences en soufflerie et numériquement avec des calculs CFD. L'analyse des forces fluides montre que pour des inclinaisons inférieures à 5°, une portance linéaire avec l'angle contribue majoritairement à l'amortissement. L'origine de la force de portance est discutée à partir des mesures de pression à la paroi et de vitesses fluides. Les résultats de l'approche quasi-statique sont comparés aux résultats donnés par les expériences dynamiques. Dans une seconde partie, une étude expérimentale d'un faisceau confiné de 40 cylindres oscillant dans un écoulement axial d'eau est réalisée. La force et le déplacement sont mesurés simultanément. Les coefficients de masse ajoutée et d'amortissement sont évalués et leur variation en fonction de l'amplitude, la fréquence d'oscillation et la vitesse de l'écoulement axial est caractérisée. On montre ainsi que le coefficient d'amortissement dépend d'un unique paramètre : le rapport entre l'amplitude de la vitesse d'oscillation et la vitesse de l'écoulement axial.

Le phénomène de résonance sol (PRS) est une instabilité pouvant survenir lorsque l’hélicoptère est au sol et le rotor est en marche ; elle peut vite aboutir à la destruction de l’appareil. L’origine de l’instabilité est un couplage entre les mouvements de roulis du fuselage posée sur le train d’atterrissage et le mouvement asymétrique de l’ensemble des pales dans le plan du rotor principal. Etudier théoriquement des alternatives de stabilisation par des absorbeurs de vibration linéaires (tuned mass dampers - TMD) et non linéaires (nonlinear energy sinks - NES) c’est le sujet de ce travail de thèse. Ces possibilités sont étudiées en ajoutant à un modèle minimal d’un hélicoptère à quatre pales identiques (rotor isotrope),précédemment étudié par l’équipe de l’ISAE, d’abord, un TMD au fuselage, puis des TMD identiques auniveau de l’articulation des pales du rotor. Ensuite, des dispositifs à raideur purement non linéaire (NES)sont considérées, d’abord, au fuselage, puis, aux pales du rotor (NES identiques). / Helicopter ground resonance (HGR) is an instability phenomenon that can occur when helicopters exhibit a spinning rotor when grounded; it can lead the structure to rapidly break apart. The phenomenon originates from a coupling between asymmetric modes of in plane blade oscillations (lead/ lag) and the roll of a grounded fuselage. The verification of alternative stabilization devices such as tuned mass dampers (TMD) and nonlinear absorbers (nonlinear energy sinks - NES) is the objective of this thesis. These possibilities are theoretically investigated by embedding a four-bladed helicopter minimal model - proposed and previously studied by the ISAE team - first, with a TMD in the fuselage, then with four identical TMDs in each blade lag hinge. Then, a NES attached to the fuselage is considered and eventually a set of four identical NES attached to the blade lag hinges of the model is proposed and analyzed.

Dans le cadre de la lutte contre les nuisances sonores et vibratoires, cette thèse porte sur la modélisation numérique des structures amorties par dispositifs piézoélectriques shuntés. La première partie du travail concerne la modélisation par éléments finis de structures en vibrations avec des pastilles piézoélectriques shuntées. Dans un premier temps, une formulation éléments finis originale, qui utilise des variables électriques globales (différence de potentiel et charge dans chaque pastille piézoélectrique), est analysée et validée. Dans un second temps, différentes stratégies de réduction de modèle basées sur la méthode de projection modale sont proposées pour résoudre le problème électromécanique discrétisé par éléments finis à moindre coût. La convergence de ces modèles d’ordre réduits est ensuite analysée pour les cas de shunts résistif et résonant. La deuxième partie du travail est consacrée à l’optimisation du système électromécanique, dans le but de maximiser l’amortissement apporté par les dispositifs piézoélectriques shuntés. Pour cela, une procédure d’optimisation topologique, basée sur la méthode SIMP (Solid Isotropic Material with Penalization method), est développée pour déterminer les géométries et les emplacements optimaux des pastilles piézoélectriques. Cette procédure permet de maximiser le coefficient de couplage électromécanique modal entre les éléments piézoélectriques et la structure hôte, ceci de façon indépendante du choix des composants du circuit électrique. Les avantages de l’approche proposée sont mis en avant à travers un exemple de validation et un cas d'application industrielle. Enfin, la dernière partie du travail propose une approche numérique pour modéliser et optimiser la réduction du rayonnement acoustique de plaques minces dans le domaine des basses fréquences avec des éléments piézoélectriques shuntés. Cette approche est valable pour n’importe quelle plaque mince bafflée et non trouée, indépendamment des conditions aux limites. Un exemple d’application concernant l’atténuation du rayonnent acoustique d’une plaque avec renforts est présenté et analysé. / Passive structural vibration and noise reduction by means of shunted piezoelectric patches is addressed in this thesis. The first part of the work concerns the finite element modeling of shunted piezoelectric systems. Firstly, an original finite element formulation, with only a couple of electric variables per piezoelectric patch (the global charge/ voltage), is analyzed and validated. Secondly, several reduced order models based on a normal mode expansion are proposed to solve the electromechanical problem. The convergence of these reduced order models is then analyzed for a resistive and a resonant shunt circuits. In the second part of the work, the concept of topology optimization, based on the Solid Isotropic Material with Penalization method (SIMP), is employed to optimize, in terms of damping efficiency, the geometry of piezoelectric patches as well as their placement on the host elastic structure. The proposed optimization procedure consists of distributing the piezoelectric material in such a way as to maximize the modal electromechanical coupling factor of the mechanical vibration mode to which the shunt is tuned, independently of the choice of electric circuit components. Numerical examples validate and demonstrate the potential of the proposed approach for the design of piezoelectric shunt devices. Finally, the last part of the work concerns the numerical modeling of noise and vibration reduction of thin structures in the low frequency range by using shunted piezoelectric elements. An efficient approach that can be applied to any thin continuous plates in an infinite baffle, independently of the boundary conditions, is proposed. An application example of a thin plate with reinforcements is presented and analyzed.

L'amplitude vibratoire d'une structure mince peut être réduite grâce au couplage électromécanique qu'offrent les matériaux piézoélectriques. En termes d'amortissement passif, les shunts piézoélectriques permettent une conversion de l'énergie vibratoire en énergie électrique. La présence d'une inductance dans le circuit crée une résonance électrique due à l'échange de charges avec la capacité piézoélectrique. Ainsi, l'ajustement de la fréquence propre de ce shunt résonant à celle de la structure mécanique équivaut à la mise en œuvre d'un amortisseur à masse accordée. Cette stratégie est étendue au contrôle d'une structure multimodale par multiplication du nombre de patchs piézoélectriques. Ceux-ci sont interconnectés via un réseau électrique ayant un comportement modal approximant celui de la structure à contrôler. Ce réseau multi-résonant permet donc le contrôle simultané de plusieurs modes mécaniques. La topologie électrique adéquate est obtenue par discrétisation de la structure mécanique puis par analogie électromécanique directe. Le réseau analogue fait apparaître des inductances et des transformateurs dont le nombre et les valeurs sont choisis en fonction de la bande de fréquences à contrôler. Après s'être penché sur la conception de composants magnétique adaptés, la solution de contrôle passif est appliquée à l'amortissement de structures unidimensionnelles de type barres ou poutres. La stratégie est ensuite étendue au contrôle de plaques minces par mise en œuvre d'un réseau électrique bidimensionnel. / Structural vibrations can be reduced by benefiting from the electromechanical coupling that is offered by piezoelectric materials. In terms of passive damping, piezoelectric shunts allow converting the vibration energy into electrical energy. Adding an inductor in the circuit creates an electrical resonance due to the charge exchanges with the piezoelectric capacitance. By tuning the resonance of the shunt to the natural frequency of the mechanical structure, the equivalent of a tuned mass damper is implemented. This strategy is extended to the control of a multimodal structure by increasing the number of piezoelectric patches. These are interconnected through an electrical network offering modal properties that approximate the behavior of the structure to control. This multi-resonant network allows the simultaneous control of multiple mechanical modes. An adequate electrical topology is obtained by discretizing the mechanical structure and applying the direct electromechanical analogy. The analogous network shows inductors and transformers, whose numbers and values are chosen according to the frequency band of interest. After focusing on the design of suitable magnetic components, the passive control strategy is applied to the damping of one-dimensional structures as bars or beams. It is then extended to the control of thin plates by implementing a two-dimensional analogous network.

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