This dissertation focuses on the design, modeling, characterization and experimental verification of a class of nonlinear energy sink, based on a cantilever beam vibrating laterally between two specially shaped surfaces that limit the vibration amplitude, thus providing a variable beam length throughout its deflection, therefore producing a smooth nonlinear restoring force. First, a methodology to evaluate and visualize the energy interactions between the nonlinear energy sink and its host structure is developed. Then, an semi-analytical dynamic model for simulating the device under actual working conditions is proposed, and finally, an experimental verification step is conducted where the numerical results are compared and correlated to the experimental results.<br>

Targeted Energy Transfer is a resonance phenomenon in coupled anharmonic oscillators. In this thesis we investigate if the concept of Targeted Energy Transfer is applicable to Bose-Einsteain condensates in optical lattices. The model used to describe Bose-Einstein condensates in optical lattices is based on the Gross-Pitaevskii equation. Targeted Energy Transfer in these systems would correspond to energy being transferred from one lattice site to another. We also try to expand the concept of Targeted Energy Transfer to a system consisting of three sites, where one of the sites are considered a perturbation to the system. We have concluded that it is possible to achieve Targeted Energy Transfer in a three-site system. The set-up of the system will in some of the cases studied lead to interesting properties, such as more energy being transferred to the acceptor site than what was initially localized on the donor site.

: Les travaux présentés dans cette thèse traitent du contrôle de systèmes dynamiques soumis à des excitations harmoniques et transitoires en utilisant des absorbeurs de type Nonlinear Energy Sink (NES). Plusieurs aspects ont été développés : la conception et la réalisation d'un nouveau design pour le NES cubique, l'étude de la location et du transfert irréversible d'énergie sur un NES bistable et le développement d'un critère de conception pour un NES à Vibro-Impact (VI). Dans un premier temps, un critère de conception est proposé pour le NES à raideur cubique. Le design proposé est basé sur des ressorts coniques ou des ressorts à pas variable. Un mécanisme à raideur négative est aussi introduit pour supprimer la partie linéaire et avoir une raideur cubique pure. Dans un deuxième temps, le concept du NES est validé expérimentalement par des essais statiques et des essais dynamiques. Une analyse de sensibilité est aussi menée sur la longueur des ressorts précontraints, elle dénote parfois un état bistable de l'oscillateur. Ensuite, le NES bistable ainsi obtenu est étudié plus en détail. Ce type d'absorbeur s'avère être très robuste pour différents types d’excitation. Des études expérimentales sont aussi menées afin d'explorer le comportement dynamique. Enfin, un critère de conception est proposé pour le NES à Vibro-Impact. Des calculs analytiques détaillés sont proposés pour contrôler les vibrations sous différentes excitations. L'étude expérimentale montre une bonne cohérence avec les résultats théoriques. / The work presented in this thesis deals with the passive control of dynamics systems subjected to harmonic and transient excitations using a Nonlinear Energy Sink (NES). Several research aspects have been developed: design theory and experimental study of a novel NES, efficient Targeted Energy Transfer (TET) of bistable NES and design criteria for optimally tuned Vibro-Impact (VI) NES. Firstly, a design criterion intended to provide optimal nonlinear stiffness is proposed. Then a novel design of NES system yielding cubic stiffness with conical springs or variable pitch springs and negative stiffness mechanism is developed. Secondly, the experimental procedures for static and dynamic test are presented and applied to validate the concept of NES system. Then a sensitivity analysis is performed with respect to the pre-compressed length of springs. Thirdly, the optimal design of the above device with negative stiffness (termed as bistable NES) is studied. This type of NES is proved to work robustly for different types of excitation, and experimental study of semi-active control are explored. Finally, design criteria for optimally tuned VI NES are studied. Detailed analytical calculations of clearance to control the vibration under different excitations are proposed. A good correspondence between theoretical and experimental results is observed.

Le travail présenté dans cette thèse est dédié à l’étude d’un absorbeur bistable continu basé sur le principe du "Nonlinear Energy Sink" (NES) et son utilisation pour l’atténuation des vibrations d’un système mécanique à plusieurs degrés de liberté sous excitation acoustique. Le modèle analytique du comportement linéaire de l’absorbeur ainsi que le modèle numérique complet ont été présentés, analysés et validés par des séries d’expériences. Le complexité du transfert énergétique ciblé ("Targeted Energy Transfer" ou TET) entre l'absorbeur et le système primaire à contrôler n’a pas permis une description analytique simple. Nous avons donc choisi de concentrer cette étude sur l’exploration expérimentale et numérique de l’absorbeur couplé à des systèmes mécaniques sous excitations harmonique et aléatoire ainsi que sur l’identification des mécanismes de transfert d’énergie. Le système couplé a montré une dynamique très riche du fait de différents régimes de TET qui ont été décrits dans la littérature pour d’autres types de NES. Ce projet a été financé par Saint-Gobain. L’absorbeur a été adapté pour l’application prévue par la direction industrielle de la thèse: contrôle des vibrations de la double paroi sous excitation acoustique afin d’améliorer l’isolation acoustique fournie par le système.Les connaissances qualitatives sur la dynamique de l’absorbeur obtenues à partir des résultats expérimentaux et numériques, ainsi que l’analogie avec les autres types de NES, ont permis la création d’un absorbeur qui répond à la problématique posée. Les moyens pour l’optimisation et le développement de l’absorbeur ont été identifiés et les simulations préliminaires ont été fournies. / The work presented in this thesis is dedicated to the study of a continuous bistable absorber based on the principle of Nonlinear Energy Sink (NES) and its use for the vibration mitigation of a many-degree-offreedom mechanical systems under acoustic excitation. The analytical model of the linear behavior of the absorber and its complete numerical model were presented, analyzed and validated by series of experiments. The complexity of the Targeted Energy Transfer (TET) between the absorber and the primary system did not allow a simple analytical description. We have chosen to concentrate this study on the experimental and numerical exploration of the absorber coupled to mechanical systems under harmonic and random excitations, as well as on the identification of the mechanisms of energy transfer. The coupled system have shown very rich dynamics as it possessed different regimes of TET, which were earlier described in literature for other types of NES. This project was funded by Saint-Gobain. The absorber was adapted for the application foreseen by the industrial supervisors of the PhD: the vibration control of partitioning double walls under acoustic excitation so that to improve the acoustic isolation provided by the system. The qualitative knowledge on the absorber dynamics obtained from the experimental and numerical results, as well as the analogy with the other types of NES, permitted the creation of an absorber which corresponds to the problematic. The ways for the further optimization and development of the absorber were identified and preliminary simulations were provided.

L'objectif de cette thèse est d'étudier le contrôle passif des vibrations avec un absorbeur non linéaire de type Nonlinear Energy Sink (NES) à Vibro-Impact (VI). Plusieurs aspects ont été étudiés : l’influence des paramètres sur les régimes vibratoires observés, l’optimisation du design sous différentes excitations, l'application sur des systèmes vibratoires non linéaires et enfin l'étude de deux NES-VI en parallèle.Tout d'abord, l’influence des paramètres de design sur les régimes vibratoires et les bifurcations est étudiée de façon analytique, numérique et expérimentale. Ainsi différentes bifurcations et des réponses fortement modulées de type chaotique sont présentées.Ensuite, l’efficacité des régimes vibratoires est comparée, le mécanisme ainsi décrit constitue la base de l’optimisation du design de l’absorbeur face à différents types d’excitation.Le mécanisme d’activation du NES-VI est étudié analytiquement puis validé expérimentalement. Un critère d’optimisation du design est proposé, puis appliqué sur différents systèmes au comportement vibratoire non linéaire.Finalement, dans le but d’améliorer l’efficacité et la robustesse, le montage de deux NES-VI en parallèle est étudié expérimentalement. Le principe d’activation séparé est alors observé. / The objective of this thesis is to study the passive control of vibration by a Vibro-Impact (VI) Nonlinear Energy Sink (NES). Several aspects have been developed: the influence of parameters on response regimes, the optimization design mechanism under different excitations, the application to vibration control of nonlinear systems and the study of two VI NES in parallel.Firstly, the influence of parameters on response regimes and bifurcation is analytically, numerically and experimentally studied, respectively. Different bifurcation routes and chaotic strongly modulated response are presented.Then, the efficiency of typical response regimes is compared, and its mechanism lays the foundation for the optimization design of different parameters under different types of excitation.Thirdly, the activation characteristic of VI NES is analytically studied and experimentally validated. An optimization design criterion is proposed for the vibration control of nonlinear system.Finally, the vibration control by two VI NES in parallel is experimentally studied with the purpose of efficiency and robustness improvement. The principle of separate activation of VI NES is observed

Dans un contexte d’amélioration des dispositifs pour la réduction de bruit, l’étude sur le transfert d’énergie irréversible en utilisant des résonateurs purement acoustiques à comportement non linéaire a été réalisée. Les résonateurs acoustiques classiques en régime linéaire agissent comme un Amortisseur de Masse Accordée (TMD, en anglais) et ils sont efficaces pour une gamme de fréquence très étroite. Cependant, lorsqu’ils sont soumis à des excitations très fortes (régime non-linéaire) ils peuvent devenir efficaces pour une plus large gamme de fréquences si des termes non linéaires peuvent être activés. Dans un premier temps, une étude sur ce comportement non-linéaire d’un résonateur d’Helmholtz modifié a été réalisée expérimentalement. Ensuite, l’équation dynamique gouvernante de tels résonateurs ont été développées en prenant en compte les non-linéarités de la force de rappel et d’amortissement. Une approximation de la solution analytique de l’équation gouvernante du résonateur acoustique a été déterminée en utilisant les méthodes des échelles multiples du temps et de transformation du temps non régulière. Dans un deuxième temps, une étude du couplage entre un mode acoustique en basses fréquences et un résonateur (celui étudié précédemment) à comportement non-linéaire a été réalisée. Pour ce faire, des mesures expérimentales avec un montage du système couplé ont permis de vérifier l’atténuation acoustique produite par le résonateur en régime forcé et libre. Une modélisation analytique du couplage a permis d’identifier l’expression de la variété invariante lente, ce qui a permis d’étudier les possibles points d’équilibre et points singuliers du système. Les modèles analytiques développés ont également été vérifiés par des simulations numériques. / Nowadays, there is a need of new types of technologies for sound reduction because of the growing of different industries. In this context, we have studied the targeted energy transfer using a purely acoustic resonator. These acoustic resonators act, in the linear regime, as a Tuned Masse Damper (TMD) and they are efficient for a narrow frequency band. But, when they are excited with high forces, in the nonlinear regime, they are efficient for a wider frequency band if the nonlinear terms are activated. First, an experimental study about the nonlinear behavior of a modified Helmholtz Resonator was done. Then, the governing equation of such resonators were developed considering the nonlinearities in the restitution force and damping. An approximation of the analytical solution of the governing equation of the acoustical resonator is derived using the multiples scales of time method and the non-smooth time transformation method. In a second part, a study about the coupling between an acoustic mode in low frequencies and a resonator (the one studied in the previous part) with a nonlinear behavior is done. In order to do this, experimental measurements of the coupled system to confirm acoustic attenuation by the resonator in forced and free regime were done. Then, an analytical modelling of the coupled system allowed to derive the expression of the Slow Invariant Manifold (SIM), in order to identify the possible equilibrium points and singular points of the system. Derived analytical models were verified by numerical simulations.