Ce travail présente le développement théorique et l'application expérimentale d'une méthode permettant l'identification simultanée des caractéristiques élastiques et d'amortissement d'un matériau isotrope à partir d'essais de plaques minces en vibration. La théorie montre que les paramètres recherchés peuvent être extraits des champs de flèche et de courbure mesurés à la surface de l'éprouvette à deux instants particuliers du mouvement vibratoire. L'application expérimentale consiste dans la réalisation d'un dispositif original d'excitation couplé avec l'adaptation d'une technique optique permettant la mesure des champs de pentes présentés par la plaque. Ces dispositifs sont associés à un traitement des images permettant la détermination des champs de flèche et de courbure utilisés dans la procédure d'identification mettant en oeuvre la méthode des champs virtuels. Ces derniers peuvent être considérés comme des filtres choisis pour permettre l'identification des paramètres recherchés. Une procédure a été développée permettant la sélection des champs virtuels optimaux respectant tout à la fois les conditions aux limites de la plaque et minimisant les effets du bruit de mesure sur les résultats de l'identification.

Le travail présenté dans ce mémoire s'inscrit dans le cadre de l'utilisation de matériaux piézoélectriques pour la réalisation de composants passifs dans des applications de conversion d'énergie électrique. Le travail débute avec l'étude et le dimensionnement de deux convertisseurs d 'une puissance de 10 watt intégrant un transformateur piézoélectrique, l'un pour des applications d'alimentation stabilisée de 15 V (convertisseur DC/DC) et l'autre servant a l'alimentation de lampes fluorescentes a cathode froide utilisées pour le retro-éclairage d'écrans TFT de 32 pouces. L'idée étant que le transformateur piézoélectrique présente, dans ces applications, un certain nombre d'avantages compare au transformateur électromagnétique, comme une plus grande compacité et une meilleure compatibilité électromagnétique. L'originalité du travail repose sur la méthode de dimensionnement du transformateur qui n'est plus base sur Le principe de charge optimale mais qui introduit la notion de courant mécanique ou de vitesse maximale de vibration. Cette technique permet également de prédire l'élévation de température ainsi que les pertes du transformateur. On s'intéresse ensuite a l'optimisation et a la gestion de l'énergie au sein du transformateur piézoélectrique. La commutation introduisant des non-linéarités dans son fonctionnement, Le concept de cycle de travail a été introduit permettant une étude et des comparaisons des différentes architectures de conversion. Cela a permis la mise au point d'un nouveau redresseur contr6le par la vitesse de vibration. Ce redresseur actif a été transpose avec succès dans des applications d'amortissement de structure ou encore de récupération d'énergie de vibration.

Cette thèse porte sur l'étude de l'amortissement des structures assemblées, et plus précisément de la contribution des assemblages sous sollicitations vibratoires. Le mémoire est composé de cinq chapitres traitant la problématique tant du point de vue analytique qu'expérimental. Un banc d'étude académique est proposé afin d'étudier des assemblages sous sollicitation normale constante (statique) et sous sollicitations tangentielles liées aux vibrations de la structure (dynamique). Le facteur de perte caractérisant l'amortissement de la structure est obtenu, dans un premier temps par une étude locale quasi-statique. Puis une fonction de dissipation est définie, permettant d'affiner la modélisation de l'amortissement par une étude dynamique globale. Au regard des résultats obtenus par la modélisation, une analyse expérimentale est menée. Cela afin d'isoler la contribution, à l'amortissement de la structure, des glissements partiels dans les assemblages. Pour cela, deux structures géométriquement identiques, l'une monolithique et l'autre assemblée sont étudiées. Les effets des interfaces sont analysés puis comparés aux résultats analytiques. Afin de simuler plus précisément ces effets, une modélisation prenant en compte les défauts de forme des surfaces en contact est menée

Reproduction de : Thèse de doctorat : Génie civil : Lille 1 : 2005. / N° d'ordre (Lille 1) : 3683. Résumé en français et en anglais. Titre provenant de la page de titre du document numérisé. Bibliogr. p. 168-181.

La difficulté de recyclage des pneus usagés en raison de la réticulation de la gomme représente un enjeu environnemental important. Une solution envisagée dans cette étude est la mise en œuvre de poudrettes de pneumatique recyclées (GTR) dans la conception de produits de plasturgie visant un bon amortissement choc, acoustique et vibratoire. Notre travail s'est orienté vers la conception et la caractérisation de deux types de matériaux : 1) Des composites Thermoplastique/GTR, sur 2 matrices thermoplastiques (TP) différentes (Acétate de vinyle (EVA) et polypropylène (PP) mis en œuvre par extrusion/injection, 2) Des plaques composées à 100% de poudrettes GTR élaborées par compaction/chauffage. La qualité de l'interface TP/GTR a été estimée par analyse micrographie électronique à balayage MEB. L'influence des charges GTR sur la cristallinité des matrices a été évaluée par DSC. Une étude en traction a permis de déterminer le module de Young en traction, le seuil d'écoulement ainsi que l'allongement à rupture. L'amortissement vibratoire a été caractérisé par analyse mécanique dynamique (DMA) avec la détermination du facteur de perte η sur une large gamme de températures permettant la construction des courbes maîtresses en fréquence (équivalence fréquence/température WLF). L'amortissement choc a été déterminé par impact de chute de masse instrumenté. Le coefficient d'absorption acoustique a été mesuré au moyen d'un tube de Kundt par la méthode des deux microphones. Ces différents moyens de caractérisation ont montré que l'amortissement de vibrations et d'impacts était augmenté par l'incorporation de charges GTR dans une matrice TP. L'étude de la résilience des mélanges PP/GTR a mis en évidence l'influence de la structure interne des éprouvettes moulées sur les mécanismes d'amortissement des chocs. Les plaques constituées à 100% de poudrettes compactées/chauffées ont démontré une bonne cohésion et d'excellentes propriétés d'amortissement aux chocs. Le coefficient d'absorption acoustique n'est intéressant qu'au voisinage de la résonance des différentes plaques testées.

L'étude de la sécurité sismique des grands barrages-voûtes existants ou devant être construits dans des zones sujettes à des tremblements de terres nécessite une modélisation numérique des différents éléments intervenants dans son comportement dynamique. Les sols de fondation ainsi que l'eau du réservoir jouent un rôle important dans l'analyse dynamique des barrages. On parle ainsi souvent d'un système barrage-réservoir-fondation. Le choix des différents paramètres de modélisation devient alors primordial pour l'obtention d'un modèle représentatif de la réalité. L'OFEN (Office fédéral de l'énergie en Suisse) a entrepris des études et recherches à long terme sur les principaux barrages suisses. Un réseau d'accélérographes permettant d'enregistrer l'amplitude des mouvements à différents points des barrages lors de tremblements de terres a été installé. Trois barrages-voûtes suisses seront ainsi modélisés ; soit le barrage Mauvoisin qui a une hauteur de 250 mètres, le barrage d'Émosson d'une hauteur de 180 mètres ainsi que le barrage Punt-dal-Gal qui a pour sa part une hauteur de 130 mètres. La modélisation des barrages sera réalisée à l'aide du logiciel EADC-3D-2008 qui est spécialisé dans la modélisation des barrages et qui permet de considérer l'interaction barrage-réservoir-fondation. Pour évaluer l'efficacité des modèles à l'étude, les simulations seront comparées aux données réellement enregistrées par les accélérographes lors de tremblements de terre. Afin de déterminer l'influence de chaque paramètre de modélisation, une étude paramétrique des différents modèles sera réalisée. Trois tailles de modèles seront ainsi générés ; soit un grossier, un intermédiaire et un raffiné. Un paramètre sera modifié tout en gardant les autres invariables. La rigidité ainsi que l'amortissement du barrage et du sol seront analysés en tenant compte de l'amortissement du réservoir par propagation d'onde. Pour la sollicitation, l'hypothèse d'excitation simultanée des supports sera considérée car la base de données disponible pour des analyses qui tiennent compte de l'excitation variable est encore insuffisante. Finalement, l'influence de la rigidité du sol et du barrage ainsi que celle de l'amortissement du barrage et de la fondation sur l'altération de la réponse sismique des modèles, en fonction de la taille du maillage, seront démontrées.

Les matériaux viscoélastiques sont utilisés dans tous les domaines de l'ingénierie et des systèmes mécaniques, de l'électroménager, spatial, l'automobile, l'aéronautique ou le génie civil (ponts...) grâce à leur capacité d'amortir les chocs ou de filtrer les vibrations. Ce travail constitue une contribution à l'étude du comportement dynamique non linéaire des composants viscoélastiques notamment les élastomères. Dans ce mémoire, on introduit, d'abord, les propriétés mécaniques des élastomères, pour les aspects viscoélasticité et friction. Un rappel des différents phénomènes physiques et une liste non-exhaustive des modèles existants dans la littérature sont présentés. Ensuite, on propose des techniques expérimentales afin de décrire le comportement dynamique sous sollicitations uniaxiales d'un élastomère. Une description des bancs d'essais, des chaines d'analyse vibratoire, des méthodes de traitement des données des essais et d'analyse des mesures expérimentales est détaillée dans ce manuscrit. Une nouvelle approche du modèle de Maxwell généralisé a été proposée pour décrire le comportement dynamique du composant viscoélastique. Ce modèle permet une description précise et une bonne connaissance du comportement dynamique des composants viscoélastiques en fonction de l'amplitude, de la précharge et de la fréquence. La dissipation d'énergie identifiée sous forme d'amortissement peut être issue de l'amortissement intrinsèque des matériaux polymère comme de la friction aux interfaces dans le cas de composants caoutchoucs non adhérisés sur les pièces, dans ce travail, un nouveau modèle visco-tribologique a été développé en couplant les propriétés rhéologiques linéaires du modèle de Maxwell généralisé et le modèle de frottement de Dahl pour la description du comportement de frottement hystérétique des liaisons viscoélastiques non adhérisées.

Les instabilités thermo-acoustiques causent des problèmes récurrents dans les chambres de combustion pour une large gamme d'applications industrielles, allant des chaudières domestiques aux turbines à gaz, en passant par les moteurs fusées. Ces phénomènes résultent d’un couplage résonant entre la dynamique de la combustion et les modes acoustiques du foyer, et peuvent donner lieu à de fortes vibrations, un vieillissement prématuré des composants de la chambre, voire des dommages structurels. Les mécanismes physiques mis en jeu sont complexes et difficiles à modéliser, ainsi les oscillations thermo-acoustiques ne sont pas facilement prévisibles au stade de la conception d’une chambre de combustion. Dans de nombreux foyers, des systèmes d’amortissement passifs sont installés pour augmenter la dissipation d’énergie acoustique et empêcher le développement de ces instabilités. Dans ce travail, des systèmes d’amortissement basés sur des plaques perforées couplées à une cavité résonante et traversées par un écoulement moyen sont analysés. Les principaux objectifs sont : (i) d’améliorer et de simplifier la conception de systèmes d’amortissement robustes en maximisant leurs propriétés d’absorption acoustique en régime linéaire, (ii) d’analyser l’effet de l’amplitude des ondes sonores incidentes sur la réponse acoustique des plaques perforées et (iii) de développer des modèles capables de reproduire cette réponse aux hautes amplitudes. Tout d’abord, deux régimes asymptotiques intéressants sont identifiés où le système fonctionne à faibles et forts nombres de Strouhal respectivement. Dans ces régimes la conception d’un système d’amortissement maximisant l’absorption acoustique est grandement simplifiée, puisque les calculs de la vitesse optimale de l’écoulement et de la taille de la cavité sont découplés. Il est démontré qu’à faible nombre de Strouhal le système se comporte comme un résonateur quart d’onde, et dispose d’une bande d’absorption très large. À fort nombre de Strouhal, le système fonctionne comme un résonateur de Helmholtz, comportant une cavité de taille plus réduite, mais une bande d’absorption beaucoup plus étroite que dans le régime précédent. Ces prévisions sont confirmées par des mesures réalisées dans les différents régimes identifiés sur un dispositif expérimental dédié. L’évolution des propriétés acoustiques d’une plaque perforée lorsque l’amplitude de forçage augmente est ensuite examinée par le biais de simulations directes. Il est montré que la transition du régime linéaire au régime non linéaire se produit lorsque l’amplitude de la vitesse acoustique dans l’orifice est comparable à la vitesse de l’écoulement moyen dans les trous. Pour des amplitudes élevées, une inversion périodique de l’écoulement est observée dans l’orifice. Des anneaux tourbillonnaires sont alternativement éjectés en amont et en aval de l’orifice à une vitesse de convection qui augmente avec l’amplitude de la perturbation acoustique. Ces mécanismes influencent profondément l’absorption acoustique des plaques perforées dans le régime non linéaire. Deux nouveaux modèles décrivant la réponse non linéaire de ces systèmes sont ensuite développés en exploitant la trajectoire des vortex (modèle VC), et une approche quasi-stationnaire (modèle IDF). Les prévisions de ces modèles sont confrontées à des mesures effectuées dans le tube à impédance et aux résultats de simulations directes. Les résultats obtenus au cours de ces travaux peuvent être utilisés pour guider la conception de systèmes d’absorption robustes, capables de fonctionner dans des environnements difficiles avec des niveaux sonores élevés, comme ceux rencontrés lors d’instabilités thermo-acoustiques. / Thermo-acoustic instabilities are of primary concern in combustion chambers for a wide range of industrial applications, from domestic boiler to gas turbines or rocket engines. They are the consequence of a resonant coupling between the flame dynamics and the acoustic modes of the combustor, and can result in strong vibrations, early aging of combustor components and structural damage. The physical mechanisms involved are complex and difficult to model, thus thermo-acoustic oscillations are not easily predictable at the design stage of a combustor. In many combustors, passive dampers are implemented to increase the acoustic energy dissipation of the system and to hinder detrimental flame-acoustics interactions. In the present work, passive damping systems based on perforated screens backed by a resonant cavity and traversed by a bias flow are investigated. The main objectives are: (i) to improve and simplify the design of these dampers by maximizing their acoustic absorption properties in the linear regime, (ii) to analyze the effect of the sound wave amplitude on the acoustic response of these systems and (iii) to develop models capable of capturing absorption at high oscillation amplitudes. First, two interesting asymptotic regimes are identified where the plate operates at low and high Strouhal numbers respectively. In these regimes the design of a damper maximizing absorption is greatly simplified, since the choice of the optimal bias flow velocity and back cavity size can be decoupled. It is shown that at low Strouhal numbers the damper behaves as a quarter-wave resonator, and features a wide absorption bandwidth. At high Strouhal numbers, the system operates as a Helmholtz resonator, featuring shorter optimal back cavity sizes but narrower absorption bandwidths. These predictions are compared to measurements in a dedicated experimental setup for the different operating regimes identified. The dependence of the acoustic properties of a perforated plate on the forcing amplitude is then examined by means of direct numerical simulations. It is shown that transition from linear to nonlinear regimes occurs when the acoustic velocity amplitude in the orifice is comparable to the mean bias flow velocity. At high amplitudes, periodic flow reversal is observed within the perforation, vortex rings are alternatively shed upstream and downstream of the hole and convected away at a velocity which is increasing with the forcing amplitude. These mechanisms greatly influence the acoustic absorption of the perforate in the nonlinear regime. Two novel models capturing this nonlinear response are then inferred based on an analysis of the vortex trajectory (VC model), and on a quasi-steady description of the flow (IDF model). Their predictions are finally compared to measurements conducted in an impedance tube, and to results from numerical simulations. The results obtained in this work can be used to ease the design of robust dampers capable of operating in harsh environments with high sound levels, such as those found during self-sustained thermo-acoustic instabilities.

Turbulence d’ondes dans les plaques minces en vibration : étude expérimentale et numérique de l’effet de l’amortissement La théorie de turbulence d'ondes a pour but de décrire le comportement à long terme de systèmes faiblement non linéaires hors équilibre. Pour les plaques minces en vibration, ce formalisme permet de prédire un spectre de Kolmogorov-Zakharov (KZ) avec un flux d'énergie transféré des échelles d'injection à celles de dissipation le long d’une fenêtre de transparence. Les études expérimentales antérieures à cette thèse ont mis en lumière des différences notables entre les spectres mesurés et les specres théoriques. La présence, dans un solide, de l’amortissement à toutes les échelles, est ici étudié afin d’expliquer ce désaccord. En contrôlant expérimentalement l’amortissement, il a été montré que la dissipation déterminait la forme des spectres. Par la caractérisation de l’amortissement, il a été trouvé que ce dernier peut être décrit en fonction de la fréquence par une loi de puissance. La dissipation expérimentale a alors pu être introduite directement dans une simulation numérique des équations de Föppl-von Kàrmàn. Cette démarche conduit à passer de la solution théorique KZ obtenue en l’absence de dissipation à des spectres très proches des spectres expérimentaux. Ces observations ne remettent pas en cause l’emploi de la turbulence d’ondes pour décrire la vibration d’une plaque mince sollicitée par un forçage d’une grande amplitude mais encouragent à étendre les outils théoriques à notre disposition en l’absence d’une fenêtre de transparence. En réalisant cette généralisation de façon phénoménologique, une nouvelle solution stationnaire, différente de KZ et valable pour toute loi d’amortissement, a pu être calculée numériquement. / Wave turbulence theory aims at describing the long time behavior of weakly non-linear, out-of-equilibrium systems. For thin vibrating plates, this framework allows predicting a Kolmogorov-Zakharov Spectrum (KZ) with an energy flux transfered from the injection to the dissipative scales along a transparency window. Previous experimental studies have pointed out some discrepancies between mesured and theoretical spectra. The fact that, in solid, damping acts at all scales, is here studied in order to explain this disagreement. By an experimental control of the dissipation, it is observed that dissipation determines the shape of spectra. Experimental measurement of the dissipation shows that damping can here be described, as a function of the frequency, by a power law. This behavior allows us to introduce directly damping in a numerical simulation of the Föppl-von Kàrmàn equations. It leads to pass from the theoretical solution KZ obtained without dissipation to spectra which are very closed to the experimental ones. These observations do not mean that wave turbulence theory should not be applied to thin plates excited by a strong forcing but encourage to extend our theoretical tools when there is no transparency window. By doing this in a phenomenological way, a new stationary solution, different from KZ and valid for any dissipation law, has been derived.

Le dimensionnement des ponts et viaducs au Canada se base sur la norme CAN/CSA S6-14. Pour le calcul de ces structures sous des charges extrêmes, des cartes d'aléa sismique sont produites par la Commission géologique du Canada selon un taux d'amortissement de 5 %. La norme propose des taux d'amortissement visqueux élastique de 2 % pour le béton et de 1 % pour l'acier. Un nouveau facteur de correction selon l'amortissement est mentionné dans cette norme pour modifier les spectres de réponse provenant des cartes sismiques. Plusieurs études sur des ouvrages d'art quantifient les taux d'amortissement visqueux élastique entre 1 % et 2 %, confirmant ainsi qu'il est nécessaire d'utiliser un facteur de correction des spectres pour éviter une sous-évaluation des déplacements au niveau du tablier. Le projet de recherche consiste à quantifier le taux d'amortissement visqueux élastique des ponts routiers grâce à des essais in situ sur des ouvrages du Québec. Les essais débutent avec l'acquisition de données à l'aide d'accéléromètres alors que le pont est sous vibrations ambiantes. Une fois les propriétés modales extraites, un essai sous vibrations forcées par balayage des fréquences est effectué, en ciblant les fréquences propres. L'interprétation de la réponse de la structure à ce dernier essai permet de trouver précisément l'amortissement. Une étude paramétrique sur le logiciel OpenSees est aussi effectuée pour évaluer l'impact de la variation du taux d'amortissement utilisé sur les déplacements du tablier lors d'un séisme. Les résultats démontrent que le taux d'amortissement visqueux élastique peut être aussi bas que 1 %, ce qui peut doubler la réponse en déplacements aux joints d'un pont par rapport à une analyse avec 5 % d'amortissement. Le mémoire cherche à clarifier l'utilisation de la norme S6-14, à démontrer l'importance d'utiliser un bon taux d'amortissement et à encourager l'utilisation d'un facteur de correction des spectres adéquat pour calculer la réponse sismique des ponts routiers québécois et canadiens. Des recommandations sont proposées dans ce sens.