La sécurité et la fiabilité sont des préoccupations de première importance lors du développement de structures tournantes. Afin de diminuer les possibilités de dysfonctionnement du fait des vibrations, les amortisseurs pas frottement représentent une technologie très utilisée. Dans les ensembles aubagés, l'amortissement par friction est situé entre les aubes, entre les aubes et le disque ou encore entre les aubes et des dispositifs situés sur les plateformes. Il est par conséquent utile de savoir comment prendre en compte ces phénomènes dans les études vibratoires.

En mode normal de jeu, les instruments de percussion de la famille des gongs et des cymbales sont soumis à de fortes sollicitations qui imposent à ces structures minces un mouvement de grande amplitude (non-linéarité géométrique), siège d'une phénoménologie complexe : dépendance des fréquences avec l'amplitude, sauts, hystérésis, transferts d'énergie entre modes, vibrations chaotiques. Dans le but de raffiner la modélisation de ces comportements, le premier point de ces travaux se concentre sur l'influence d'imperfections géométriques. Le modèle de vibration de plaque circulaire parfaite (von karman), en condition de bord libre, a ainsi été modifié de manière à pouvoir formuler analytiquement les nouveaux termes linéaires et non-linéaires. L'étude s'enrichit d'une analyse détaillée de l'influence de défauts de forme typiques décrivant l'effet drastique d'imperfections d'amplitude très petite sur les caractéristiques vibratoires (fréquences propres et tendances de non-linéarité notamment). Le modèle est confronté à des analyses expérimentales effectuées sur des coques de laboratoire. La comparaison offre d'excellents résultats alors que les études minutieuses de convergence révèlent l'influence d'autres types d'imperfections au sein des coques testées. Le second point a trait à l'étude numérique de la transition vers le chaos, observée lorsqu'une cymbale est excitée harmoniquement avec une force d'amplitude croissante. Les travaux menés ont abouti à la définition d'un schéma numérique conservant l'énergie, adapté à la formulation modale de la dynamique de la plaque imparfaite. Une étude complète des performances d'une large panoplie d'intégrateurs temporels, incluant le schéma développé, a été menée avec succès sur un oscillateur de Duffing~; elle révèle que les états limites trouvés par certains intégrateurs, aux temps longs et pour des régimes très fortement non-linéaires, diffèrent qualitativement de ceux obtenus par les schémas structurellement conservatifs. L'extension au cas à plusieurs degrés de liberté est entamée.

La thèse est composée de deux parties présentées en quatre chapitres. La première partie traite de la modélisation, des simulations et des validations expérimentales d'un modèle de poutre en contact avec un ressort linéaire unilatéral sous une excitation périodique. C'est un modèle mécanique simplifié d'un panneau solaire d'une satellite et d'une cale élastique en phase de lancement. Le système est soumis à une excitation harmonique du support sous forme d'une accélération imposée ou d'une force ponctuelle. Le modèle est validé expérimentalement par des séquences d'essais sur une poutre en aluminium en contact avec une cale en Solithane. Les résultats montrent une cohérence avec les solutions numériques obtenues. La deuxième partie est centrée sur les modes normaux non-linéaires des systèmes mécaniques. Une nouvelle formulation est présentée pour trouver ces modes comme zéros d'une application non-linéaire. Un algorithme utilisant des algorithmes existants, basé sur la continuité des solutions périodiques, est développé pour le calcul des modes normaux. La technique de développement asymptotique par échelles multiples pour le calcul des solutions analytiques approchées d'une équation différentielle avec un terme unilatéral est introduit. On utilise ensuite cette technique pour le calcul des modes normaux non-linéaires d'un système autonome à un nombre n de degrés de liberté avec un contact unilatéral. On traite aussi le cas d'un système forcé, on conjecture ainsi que l'on obtient une procedure simple pour le calcul des modes non linéaires. L'ensemble fournit donc des outils mathématiques validés pour le calcul des modes non-linéaires du système traité dans la première partie de la thèse.

Si la forme et les matériaux utilisés dans la facture des membranes de haut-parleurs ont une influence notoire sur la qualité de restitution, leur étude reste majoritairement empirique. Cette thèse propose une modélisation du comportement vibratoire et acoustique de haut-parleurs en incluant les phénomènes non linéaires apparaissant en régime de grandes amplitudes. Dans la première partie, l'influence de la forme et des matériaux sur le comportement vibratoire d'une structure de haut-parleur idéalisée est étudiée de manière théorique en utilisant les analogues dynamiques des équations de Von-Kármán et une approche modale. La seconde partie propose une méthode de résolution du problème électromécanique incluant tous les types de non-linéarités connus. La formulation sous forme d'espace d'état est exprimée lorsque l'on prend en compte les modes de résonance de la structure. Dans la troisième partie, le calcul du champ de pression rayonné par une structure axisymétrique est approché par l'intégrale de Rayleigh. La résolution temporelle se fonde sur la technique de Réponses Impulsionnelles Spatiales qui permet un gain de temps de calcul important. Enfin la quatrième partie propose une analyse expérimentale sur un prototype de haut-parleur sans suspension développé au LAUM par Guy Lemarquand. Mesures et prédictions en régime linéaire et non linéaire sont comparées et l'influence des non-linéarités géométriques est discutée.

Les structures composites sont souvent exposées à des ambiances dynamiques plus oumoins sévères. Ces vibrations peuvent développer différentes formes d’endommagement(fracture des fibres, délamination, fissuration de la matrice. . . ). Les défauts locaux sepropagent et affectent les propriétés mécaniques de la structure modifiant ainsi soncomportement dynamique global. Ces changements peuvent induire une dégradationrapide de la structure et une réduction de sa durée de vie. La thèse a pour objectif lamise en oeuvre de modèles de comportement pour le dimensionnement de structurescomplexes intégrant des sous-structures composites susceptibles d’être endommagées.La méthode des éléments finis est utilisée pour modéliser le comportement vibratoirelinéaire et non-linéaire de ces structures et l’endommagement est introduit via un modèlebilatéral, dans un premier temps. Durant le processus de résolution, une des difficultésrencontrées est le coût de calcul très élevé. Ainsi, un méta-modèle a été développé basésur les réseaux de neurones artificiels couplé avec la méthode de condensation par sousstructurationde Craig-Bampton. Les réseaux de neurones artificiels permettent d’estimer,à moindre cout numérique, le niveau d’endommagement sans avoir recours au calculexact. Le modèle d’endommagement bilatéral n’est pas adapté au cas de chargementsalternés ou périodiques. Par conséquent, la deuxième partie de la thèse est orientée versle développement d’un modèle d’endommagement unilatéral qui donne une meilleuredescription du comportement mécanique lorsque les micro-fissures sont fermées. De plus,dans plusieurs applications industrielles, les structures composites utilisées sont de faibleépaisseur. Par conséquent, elles peuvent avoir naturellement un comportement vibratoirenon-linéaire de type grands déplacements. Le modèle de comportement dynamique engrands déplacements et en présence de la non-linéarité matérielle d’endommagement estdéveloppé et validé. A l’issue de ces travaux de thèse, un outil numérique implémentésur MATLAB® a été développé intégrant deux modèles d’endommagement, bilatéralet unilatéral et une méta-modélisation permettant la localisation et l’estimation del’endommagement ainsi que la prédiction de la réponse dynamique des structures composites, totalement ou localement, endommagées. Le méta-modèle proposé permet deréduire significativement le coût de calcul tout en assurant une bonne précision en termesde localisation et d’estimation du niveau d’endommagement. Cet outil peut s’avérer utilepour diverses applications dans le domaine de surveillance de l’état de santé des structurescomposites. / Composite structures are often exposed to more or less severe dynamic perturbations.These vibrations can develop different forms of damage (fiber fracture, delamination,cracking of the matrix, etc.). Local defects propagate and affect the mechanical propertiesof the structure resulting to modify its global dynamic behavior. These changes can leadto the degradation of the structure and the reduction in its lifetime. This thesis focuseson the implementation of behavior models for the dimensioning of complex structuresintegrating damaged composite sub-structures. The finite element method is used tomodel the linear and nonlinear vibration behavior of these structures where the damageis introduced, initially, via a bilateral model. Since the high computational costs duringthe solving process, a meta-model was developed based on artificial neural networkscoupled with the condensation method of Craig-Bampton. Artificial neural networkspermit to estimate the damage severity at a lower numerical cost without resorting toexact calculation. The bilateral damage model is not adapted to the case of periodic loads.Consequently, the second part of the thesis is oriented towards the development of aunilateral damage model which gives a better description of the mechanical behaviorwhen the micro-cracks are closed. Moreover, in several industrial applications, the usedcomposite structures have small thickness. Therefore, they can naturally have a geometricnon-linear dynamic behavior. The model of dynamic behavior in large displacements andin the presence of material non-linearity of damage is developed and validated. At theend of this thesis, a numerical tool implemented on MATLAB® software was developedintegrating two models of damage, bilateral and unilateral, and a meta-modeling allowingthe localization and the estimation of the damage as well as the prediction of the linear andnon-linear dynamic responses of composite structures, totally or locally, damaged. Theproposed meta-model reduces significantly the computational cost and ensuring a goodaccuracy in terms of localization and estimation of the damage severity. Thereby, thistool can be useful in life-time estimation and monitoring strategies of composite structures.Thèse de

Un des buts de cette thèse est d’approfondir la compréhension de la dynamique non-linéaire, notamment celle des MEMS, en proposant de nouvelles méthodes d’analyse paramétrique et de calcul de modes normaux non-linéaires. Dans une première partie, les méthodes de détection, de localisation et de suivi de points de bifurcation selon un unique paramètre sont rappelées. Ensuite, une nouvelle méthode d’analyse multiparamétrique basée sur la continuation récursive d’extremums est présentée. Cette méthode est ensuite appliquée à un absorbeur de vibration non-linéaire afin de repousser l’apparition de solutions isolées. Deuxièmement, une méthode de calcul de modes normaux non-linéaires est présentée. Une condition de phase optimale et une régularisation de l’équation de mouvement sont proposées afin d’obtenir une méthode de continuation plus robuste au niveau des interactions modales. Ensuite, un problème quadratique aux valeurs propres modifié pour le calcul de stabilité et de points de bifurcation est présenté. Finalement, le calcul de modes normaux non-linéaires a été étendu aux systèmes non-conservatifs permettant la continuation des résonances d’énergie en déplacement et des résonances de phase. Troisièmement, la dynamique non-linéaire de réseaux de MEMS basé sur plusieurs micro-poutres résonantes est analysée à l’aide des méthodes proposées. Tout d'abord, un phénomène de synchronisation de points de bifurcations dû au couplage électrostatique dans les réseaux de MEMS est expliqué. Puis, la dynamique non-linéaire d'un réseau dissymétrisé par l'ajout d'une petite masse sur une micro-poutre est analysée. Enfin, des mécanismes de détection de masse exploitant ces phénomènes non-linéaires sont présentés. / One of the goals of this thesis is to enhance the comprehension of nonlinear dynamics, especially MEMS nonlinear dynamics, by proposing new methods for parametric analysis and for nonlinear normal modes computation. In a first part, methods for the detection, the localization and the tracking of bifurcation points with respect to a single parameter are recalled. Then, a new method for parametric analysis, based on recursive continuation of extremum, is presented. This method is then applied to a Nonlinear Tuned Vibration Absorber in order to push isolated solutions at higher amplitude of forcing. Secondly, a method is presented for the computation of nonlinear normal modes. An optimal phase condition and a relaxation of the equation of motion are proposed to obtain a continuation method able to handle modal interactions. Then, a quadratic eigenvalue problem is shifted to compute the stability and bifurcation points. Finally, nonlinear normal modes are extended to non-conservatives systems permitting the continuation of phase and energy resonances. Thirdly, the nonlinear dynamics of MEMS array, based on multiple resonant micro-beams, is analyzed with the help of the proposed methods. A frequency synchronization of bifurcation points due to the electrostatic coupling is discovered. Then, the nonlinear dynamics of a MEMS array after symmetry breaking event induced by the addition of a small mass onto one of the beam of the array is analyzed. Finally, mass detection mechanisms exploiting the discovered phenomena are presented.

Ces travaux de thèse portent sur l'étude expérimentale et numérique de structures mécaniques non-linéaires soumises à des vibrations sinusoïdales et aléatoires. L'étude prend en compte l'existence d'incertitudes au sein du protocole expérimentale et de la modélisation. Les études expérimentales menées au CEA/CESTA montrent que la réponse des structures assemblées à des sollicitations vibratoires est fortement dépendante du niveau d'excitation d'une part, et que la réponse obtenue possède une variabilité, parfois importante. Ces résultats expérimentaux ne peuvent pas être reproduits en simulation avec la méthode de simulation vibratoire linéaire déterministe classique.L'objectif de ces travaux est de proposer et de mettre en place des méthodes numériques pour étudier ces réponses non-linéaires, et de quantifier et propager les incertitudes pertinentes au sein des calculs. Cet objectif passe par l'étude de maquettes d'essai de complexité croissante et sujettes aux mêmes phénomènes vibratoires que les objets d'étude industriels du CEA/CESTA. Les méthodes de simulation vibratoire non-linéaires et les techniques numériques développées dans le monde académique sont adaptées et utilisées dans le contexte industriel du CEA/CESTA.Le premier objet d'étude est une poutre métallique bi-encastrée, dont la non-linéarité est d'origine géométrique. Le modèle associé à cette poutre est un oscillateur de Duffing à un degré de liberté très détaillé dans la littérature scientifique, et qui permet de valider les développements numériques effectués, sur les aspects de l'excitation aléatoire et de la propagation d'incertitudes. Dans un premier temps, les méthodes de tir et d'équilibrage harmonique sont étendues au cas de l'excitation aléatoire et validées sur cette structure académique par comparaison à l'expérience. Dans un second temps, une méthode de propagation d'incertitude non-intrusive est implémentée pour prendre en compte les incertitudes de modélisation identifiées.Le second objet d'étude est une maquette comportant un plot élastomère reliant une masselotte à un bâti. Le comportement non-linéaire de l'élastomère est au c\oe ur de ces travaux de thèse. De nombreux essais vibratoires sont réalisés dans un premier temps pour identifier un modèle non-linéaire de l'élastomère juste suffisant. Dans un second temps, le modèle développé est validé par comparaison aux essais en utilisant et adaptant les méthodes étendues lors de l'étude de la poutre bi-encastrée.Enfin, une maquette d'étude se rapprochant d'un cas d'application industriel est étudiée : la maquette Harmonie-Gamma. Elle compte des interfaces frottantes et des liaisons élastomères. Les essais vibratoires réalisés permettent d'identifier le comportement dynamique linéaire et non-linéaire du système et d'étudier l'évolution de la réponse en fonction du niveau d'excitation. Un modèle numérique est réalisé par éléments finis puis réduit par une méthode de sous-structuration. Les relations non-linéaires sont introduites au niveau des liaisons frottantes et élastomères. La réponse vibratoire de la structure est simulée par la méthode d'équilibrage harmonique couplée à un algorithme de continuation. Les comparaisons essais / calculs sont menées pour les excitations de type sinus balayé et aléatoire, et permettent d'analyser l'apport de chaque non-linéarité dans la réponse de la structure. / This PhD work focuses on the experimental and numerical study of nonlinear structures subjected to both harmonic and random vibrations, in the presence of modeling and experimental uncertainties. Experimental studies undertaken at the CEA / CESTA show a strong dependence of the jointed structures towards the excitation level, as well as a variability in the response for a given excitation level. These experimental results cannot be simulated using the classical determinist linear vibration simulation method.The objective of this work is to propose and set up numerical methods to study these nonlinear responses, while quantifying and propagating the relevant uncertainties in the simulations. This objective involves the study of structural assemblies of increasing complexity and subjected to the same vibratory phenomena as CEA / CESTA industrial structures. Advanced nonlinear numerical methods developed in academia are applied in the CEA / CESTA industrial context.The first test structure is a clamped-clamped steel beam that has a geometrical nonlinearity. The beam is modeled by a Duffing oscillator which is a widely studied model in the field of nonlinear dynamics. This allows for a validation of the numerical developments proposed in this work, first on the issue of random vibrations, and second on the issue of the propagation of uncertainties. The simulations are based on two techniques of reference (shooting method and harmonic balance method). Firstly, the simulation results are validated by comparison with the experimental results for random vibrations. Secondly, the harmonic balance method is used in adequation with a non-intrusive polynomial chaos in order to take into accounts the modeling uncertainties.The second test structure is a mass linked to a solid casing via a vibration-absorbing elastomeric material of biconical shape surrounded by a cage of aluminum. The nonlinear behavior of the elastomer is at the heart of this work. Various vibration tests were performed on this structure in order to identify the simplest nonlinear model possible to answer our queries. The identified model is validated through comparisons between the simulation results and the experimental results for both sine-swept and random vibrations.The central assembly of this work is an industrial assembly with friction joints and vibration-absorbing elastomeric joints, named Harmonie-Gamma. The vibration tests performed exhibit resonance modes as well as a strong dependency of the response with the excitation level. A numerical finite element model is developed and reduced with a substructuration technique. The resulting nonlinear reduced model is simulated using an harmonic balance method with a continuation method. The simulated responses are compared with the experiments and allow for an analysis of coupled nonlinearities in the CEA / CESTA industrial context.

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.

Le présent manuscrit propose une synthèse des travaux de recherche de l'auteur de ces dix dernières années. Il est divisé en deux grandes parties. La première partie regroupe les modèles et techniques de résolution développés par l'auteur pour résoudre des problèmes de dynamique non linéaire des structures élastiques et piézoélectriques. Le fil conducteur de cette partie est celui de la résolution d'un problème de mécanique. La première étape est le choix d'un modèle adapté. Ainsi, on propose une synthèse des modèles non linéaires géométriques de milieux minces, classés et comparés à la fois en terme de formulation et d'hypothèses. Des modèles analytiques et numériques sont mis en regard, depuis leur fondement dans la mécanique des milieux continus non linéaire, jusqu'à leur écriture opérationnelle. Ensuite, des méthodes de résolution adaptées sont décrites : discrétisation des modèles analytiques par projection modale, réduction de modèles éléments finis par la même technique, modes non linéaires, méthodes numériques de continuation. Des techniques expérimentales spécifiques aux vibrations non linéaires sont aussi décrites. La seconde partie donne une vue d'ensemble des principaux résultats associés aux trois thèmes d'application des recherches de l'auteur : la dynamique non linéaire des plaques et des coques, avec des applications aux instruments de musique à percussion, la réduction de vibration de structures par shunts piézoélectriques et enfin les vibrations non linéaires de micro/nano systèmes électromécaniques. Cette seconde partie fait largement référence aux résultats généraux de la première et en donne ainsi des illustrations et des applications.

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