In the automotive, railway and aerospace industries, interior noise is an important consideration in design and operation. Among the available technologies to reduce the structure-borne vibration and noise, the use of Metal-Polymer Sandwich (MPS) panels is attracting more interest from Original Equipment Manufacturers (OEMs). As for constrained-layer damping (CLD) treatments, besides developing more accurate models (theoretical and finite element) to simulate the vibroacoustic performance, it is very important to 'accurately identify the properties of the constituent materials of an MPS. Since the core materials in MPS exhibit viscoelastic properties which vary significantly with temperature and frequency, it is necessary to develop experimental and/or optimization methods to characterize the dynamic properties so that they may be well matched to specific noise and vibration control applications. This is the objective of this thesis.In this thesis, a simple free-free beam based setup, together with an identification algorithm has been developed to identify the dynamic properties of core materials from the measured frequency response functions. The setup involved circumventing some drawbacks of the traditional clamped-free setup.In particular, a new optimization method is brought' forward wherein a four-parameter fractional derivative model plus a three-parameter Williams-Landel-Ferry (WLF) equation are used to describe the temperature and frequency dependent behaviour of core materials. Therefore, few parameters are optimized for the temperature and frequency dependent properties. The objective function in the optimization is based on the so-called amplitude correlation coefficient which can be calculated directly by the frequency response functions. The normal mode superposition method taking the added mass into account, as well as Ross-Kerwin-Ungar (RKU) equations, as a solver, is used to calculate the predicted frequency response functions. The Pattern Search algorithm is used to find the best values of design parameters. This algorithm is a global optimization algorithm and is less sensitive to the initial values of design parameters. Numerical examples and tests on several MPS panels were used to validate the free-free setup and optimization method by systematic comparison with the ASTM E756-04 Standard and with DMA when the latter is possible. However, with some MPS panels, the proposed method failed to provide satisfactory results. It was further postulated that the manufacturing process of these MPS panels may somehow have modified the properties or the constitutive law of the polymer itself.

Cette thèse a pour objectif l'étude du comportement vibratoire des suspensions à joint de ferrofluide utilisées dans un nouveau type de haut-parleur. Le moteur de ce haut-parleur, conçu pour réduire les non-linéarités d'origine magnétique, permet l'utilisation de joints de ferrofluide comme alternative aux suspensions viscoélastiques traditionnelles : sous la forme de deux joints annulaires, ils réalisent la liaison entre la partie fixe et la partie mobile du système. L'originalité du travail présenté a trait aux forts niveaux du champ magnétique présent dans le haut-parleur et à la caractérisation en dynamique des joints en terme de masse, raideur et amortissement. La première partie est une analyse expérimentale de la raideur radiale statique d'un joint au sein d'un moteur magnétique. La connaissance de cette raideur est nécessaire pour dimensionner le guidage de l'équipage mobile. Elle est étudiée en fonction du volume et de la saturation magnétique du ferrofluide. Les résultats sont en bon accord avec les simulations. Dans une deuxième partie, nous présentons une étude expérimentale sur le comportement visqueux des ferrofluides en condition de cisaillement oscillatoire et sous champ magnétique homogène et stationnaire. Cette étude s'élargie dans la suite aux conditions magnétiques du moteur, où le champ n'est plus homogène. Les propriétés sont étudiées en fonction du volume, de la viscosité et de la saturation magnétique. Un modèle pour les pertes du haut-parleur est proposé en fonction des propriétés magnétovisqueuses du ferrofluide.

Dans le cadre de la discrétion acoustique des navires militaires, cette thèse contribue à la modélisation de structures amorties par des matériaux viscoélastiques, sous forme de couches contraintes. Afin de pouvoir optimiser et dimensionner la structure et le matériau amortissant, il est souhaitable de disposer d'un outil numérique prédictif et efficace. Dans un premier temps, une stratégie de caractérisation et de modélisation du comportement de matériaux viscoélastiques est proposée. Elle inclue une méthode de recalage de résultats de mesures par DMA basée sur le respect des relations de Kramers-Kronig, permettant ainsi de construire des courbes maîtresses du matériau en accord avec le principe de causalité. Dans un deuxième temps, un code de calcul par éléments finis est développé, puis des essais de vibration sur structures sandwich sont réalisés afin de valider la modélisation par éléments finis de structures munies de matériaux viscoélastiques. Dans le cas d'une fine couche viscoélastique insérée dans une structure maillée par des éléments volumiques, deux éléments d'interface sont développés : ils permettent de tester simplement plusieurs configurations. Enfin, dans un troisième temps, deux catégories de méthodes de réduction adaptées au calcul de la réponse fréquentielle de structures fortement amorties par des matériaux viscoélastiques sont étudiées : les méthodes de projection sur bases modales et la méthode de reconstruction par approximants de Padé. Dans le cadre d'études paramétriques pour l'optimisation des performances acoustiques des traitements viscoélastiques contraints, les avantages des méthodes développées sont mis avant à travers deux cas d'application.

Nous nous intéressons à la modélisation de la propagation d'ondes dans le sous sol. Nous présentons deux modèles de propagation : (i) une généralisation du modèle de Zener pour les milieux viscoélastiques, (ii) le modèle de Biot pour les milieux poroélastiques. Nous menons une analyse mathématique complète de ces modèles : résultat d'existence, d'unicité et de décroissance de l'énergie. Pour la résolution numérique nous construisons une méthode spécifique à chaque modèle, basée sur des approches variationnelles, une approximation par éléments finis mixtes en espace et différences finies en temps. Nous montrons pour chaque schéma, un résultat de décroissance d'énergie discrète qui conduit à une condition suffisante de stabilité. Pour simuler la propagation d'ondes dans les milieux ouverts, nous adaptons la technique de couches absorbantes parfaitement adaptées aux ondes viscoélastiques et poroélastiques. Enfin, nous présentons des validations numériques des méthodes développées.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Dans le cadre de la discrétion acoustique des navires militaires, cette thèse contribue à la modélisation de structures amorties par des matériaux viscoélastiques, sous forme de couches contraintes. Afin de pouvoir optimiser et dimensionner la structure et le matériau amortissant, il est souhaitable de disposer d'un outil numérique prédictif et efficace. Dans un premier temps, une stratégie de caractérisation et de modélisation du comportement de matériaux viscoélastiques est proposée. Elle inclue une méthode de recalage de résultats de mesures par DMA basée sur le respect des relations de Kramers-Kronig, permettant ainsi de construire des courbes maîtresses du matériau en accord avec le principe de causalité. Dans un deuxième temps, un code de calcul par éléments finis est développé, puis des essais de vibration sur structures sandwich sont réalisés afin de valider la modélisation par éléments finis de structures munies de matériaux viscoélastiques. Dans le cas d'une fine couche viscoélastique insérée dans une structure maillée par des éléments volumiques, deux éléments d'interface sont développés : ils permettent de tester simplement plusieurs configurations. Enfin, dans un troisième temps, deux catégories de méthodes de réduction adaptées au calcul de la réponse fréquentielle de structures fortement amorties par des matériaux viscoélastiques sont étudiées : les méthodes de projection sur bases modales et la méthode de reconstruction par approximants de Padé. Dans le cadre d'études paramétriques pour l'optimisation des performances acoustiques des traitements viscoélastiques contraints, les avantages des méthodes développées sont mis avant à travers deux cas d'application. / In the context of acoustic discretion of naval ships, this thesis contributes to the modelling of viscoelastically damped structures by means of thin constrained layers. In order to optimize and design the structure and the damping material, a predictive and efficient numerical tool is desirable. Firstly, a characterization and modelling strategy of the behaviour of viscoelastic materials is proposed. A shifting procedure of DMA measurements based on the fulfillment of the Kramers-Kronig relations is developed in order to build master curves of the material which are consistent with the causality principle. Secondly, a finite element code is developed, and vibration experiments are realized in order to validate the finite element modelling of structures with viscoelastic materials. In the case of thin constrained viscoelastic layers applied to a structure meshed using brick elements, two interface finite elements are developed, which facilitate parametric studies. Finally, two families of reduction methods adapted to the calculation of the frequency response of structures highly damped by viscoelastic materials are studied: modal projection methods and Padé approximants reconstruction method. The advantages of the proposed methods, in the frame of parametric studies for the optimization of the acoustic performances of constrained viscoelastic layers, are highlighted through two applications.

Dans une première partie, nous étudions des schémas numériques utilisant la méthode des éléments finis pour discrétiser le système d'équations Oldroyd-B modélisant un fluide viscolélastique avec conditions de collement dans un domaine borné, en dimension deux ou trois. Le but est d'obtenir des schémas stables au sens où ils dissipent une énergie libre, imitant ainsi des propriétés thermodynamiques de dissipation similaires à celles identifiées pour des solutions régulières du modèle continu. Cette étude s'ajoute a de nombreux travaux antérieurs sur les instabilités observées dans les simulations numériques d'équations viscoélastiques (dont celles connues comme étant des Problèmes à Grand Nombre de Weissenberg). A notre connaissance, c'est la première étude qui considère rigoureusement la stabilité numérique au sens de la dissipation d'une énergie pour des discrétisations de type Galerkin. Dans une seconde partie, nous adaptons et utilisons les idées d'une méthode numérique initialement développée dans des travaux de Y. Maday, A. T. Patera et al., la méthode des bases réduites, pour simuler efficacement divers modèles multi-échelles. Le principe est d'approcher numériquement chaque élément d'une collection paramétrée d'objets complexes dans un espace de Hilbert par la plus proche combinaison linéaire dans le meilleur sous-espace vectoriel engendré par quelques éléments bien choisis au sein de la même collection paramétrée. Nous appliquons ce principe pour des problèmes numériques liés : à l'homogénéisation numérique d'équations elliptiques scalaires du second-ordre, avec coefficients de diffusion oscillant à deux échelles, puis ; à la propagation d'incertitudes (calculs de moyenne et de variance) dans un problème elliptique avec coefficients stochastiques (un champ aléatoire borné dans une condition de bord du troisième type), enfin ; au calcul Monte-Carlo de l'espérance de nombreuses variables aléatoires paramétrées, en particulier des fonctionnelles de processus stochastiques d'Itô paramétrés proches de ce qu'on rencontre dans les modèles micro-macro de fluides polymériques, avec une variable de contrôle pour en réduire la variance. Dans chaque application, le but de l'approche bases-réduites est d'accélérer les calculs sans perte de précision / In a first part, we study numerical schemes using the finite-element method to discretize the Oldroyd-B system of equations, modelling a viscoelastic fluid under no flow boundary condition in a 2- or 3- dimensional bounded domain. The goal is to get schemes which are stable in the sense that they dissipate a free-energy, mimicking that way thermodynamical properties of dissipation similar to those actually identified for smooth solutions of the continuous model. This study adds to numerous previous ones about the instabilities observed in the numerical simulations of viscoelastic fluids (in particular those known as High Weissenberg Number Problems). To our knowledge, this is the first study that rigorously considers the numerical stability in the sense of an energy dissipation for Galerkin discretizations. In a second part, we adapt and use ideas of a numerical method initially developped in the works of Y. Maday, A.T. Patera et al., the reduced-basis method, in order to efficiently simulate some multiscale models. The principle is to numerically approximate each element of a parametrized family of complicate objects in a Hilbert space through the closest linear combination within the best linear subspace spanned by a few elementswell chosen inside the same parametrized family. We apply this principle to numerical problems linked : to the numerical homogenization of second-order elliptic equations, with two-scale oscillating diffusion coefficients, then ; to the propagation of uncertainty (computations of the mean and the variance) in an elliptic problem with stochastic coefficients (a bounded stochastic field in a boundary condition of third type), last ; to the Monte-Carlo computation of the expectations of numerous parametrized random variables, in particular functionals of parametrized Itô stochastic processes close to what is encountered in micro-macro models of polymeric fluids, with a control variate to reduce its variance. In each application, the goal of the reduced-basis approach is to speed up the computations without any loss of precision

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

L'ensemble des travaux présentés dans cette thèse porte sur la simulation numérique des procédés de coextrusion par un modèle d'écoulement stratifié basé sur la méthode du champ de phase. L'avantage technologique offert par la coextrusion réside dans la possibilité de combiner des matériaux ayant des propriétés physiques très spécifiques dans un produit unique. Toutefois, les différences rhéologiques entre les divers matériaux sont elles-mêmes responsables d'un phénomène de distorsion de l'interface séparant deux couches adjacents. Les données expérimentales en coextrusion bicouches montrent que, en raison des différences de viscosité et d'élasticité entre le deux composants, le fluide le moins visqueux encapsule le fluide plus visqueux et le passage d'une configuration stratifiée à une encapsulée comporte une perte de qualité du produit final. Ce phénomène, dit d'enrobage représente donc un sujet de très grande actualité dans la recherche industrielle et la compréhension des mécanismes le générant sera utile pour l'amélioration des procédés de mise en forme des polymères. La nature intrinsèquement tridimensionnelle de l'enrobage a requis le développement d'un code pour la simulation tridimensionnelle basée sur la méthode des volumes finis pour la discrétisation des équations de Navier-Stokes pour les écoulement incompressibles et isothermes couplées avec une loi constitutive différentielle non linéaire (modèles de Giesekus ou PTT). La présence de deux fluides est prise en compte par une équation scalaire supplémentaire décrivant l'évolution de l'interface sur un maillage fixe. Cette équation offre une interprétation physique précise car elle est dérivée de la thermodynamique de séparation de phase d'un fluide binaire. Le modèle proposé est validé par confrontation avec les résultats expérimentaux et numériques disponibles dans la littérature. Une étude numérique de la coextrusion en filière rectangulaire est effectuée afin de mettre en évidence les facteurs influençant l'enrobage et la nature de son origine / The objective of the present work is the analysis of coextrusion processes by numerical simulation based on phase-field modeling of stratified confined flows. The study of such flows is motivated by the presence of complex phenomena appearing in a vast range of industrial operational coextrusion conditions due to the differences in the components properties and their viscoelastic behavior. The basic idea in coextrusion is to combine several layers of different polymers in a common die, to form a unique product with enhanced properties. However, the existence of fluid stratification in the die is responsible of a severe distortion of the interface between the fluid components, causing a loss of efficiency for the whole process. Experimental data show that, even if a stratified initial configuration is imposed at the die entry, one fluid eventually encapsulates the other in most of the flow condition analyzed. The intrinsically three-dimensional nature of this phenomenon has required the development of a three-dimensional flow solver based on the finite volume discretization of the Navier-Stokes equations for incompressible and isothermal flow, together with differential nonlinear constitutive equations (Giesekus, PTT models). The presence of two fluid phases is taken into account by a phase field model that implies the solution of an additional scalar equation to describe the evolution of the interface on a fixed Eulerian grid. This model, unlike others of the same family, has a thermodynamic derivation and can be physically interpreted. The proposed method is tested against experimental data and solutions already available in literature and a study of coextrusion in rectangular dies is performed to identify the dependence of encapsulation on the flow parameters

Cette thèse a pour objectif l’étude du comportement vibratoire des suspensions à joint de ferrofluide utilisées dans un nouveau type de haut-parleur. Le moteur de ce haut-parleur, conçu pour réduire les non-linéarités d’origine magnétique, permet l’utilisation de joints de ferrofluide comme alternative aux suspensions viscoélastiques traditionnelles : sous la forme de deux joints annulaires, ils réalisent la liaison entre la partie fixe et la partie mobile du système. L’originalité du travail présenté a trait aux forts niveaux du champ magnétique présent dans le haut-parleur et à la caractérisation en dynamique des joints en terme de masse, raideur et amortissement. La première partie est une analyse expérimentale de la raideur radiale statique d’un joint au sein d’un moteur magnétique. La connaissance de cette raideur est nécessaire pour dimensionner le guidage de l’équipage mobile. Elle est étudiée en fonction du volume et de la saturation magnétique du ferrofluide. Les résultats sont en bon accord avec les simulations. Dans une deuxième partie, nous présentons une étude expérimentale sur le comportement visqueux des ferrofluides en condition de cisaillement oscillatoire et sous champ magnétique homogène et stationnaire. Cette étude s’élargie dans la suite aux conditions magnétiques du moteur, où le champ n’est plus homogène. Les propriétés sont étudiées en fonction du volume, de la viscosité et de la saturation magnétique. Un modèle pour les pertes du haut-parleur est proposé en fonction des propriétés magnétovisqueuses du ferrofluide. / The aim of this thesis is the study of the vibratory behavior of ferrofluid seals suspensions used in a new type of loudspeaker. The motor of this loudspeaker has been designed to reduce magnetic nonlinearities and allows ferrofluid seals, as two annular seals, to be used as an alternative to classical viscoelastic suspensions. Seals serve as a link between mobile to fixed part of the system. The originality of this configuration is the presence of high level magnetic field in the loudspeaker, which require a dynamic characterization of seals in term of mass, stiffness and damping. First part of this thesis is an experimental analysis of static radial stiffness of one seal inside a magnetic engine. This parameter is necessary for centering the moving part. The influence of the volume and saturation magnetization of the ferrofluid are analyzed. There is a good agreement between experimental results and simulations. In the second part, an experimental study of the viscous ferrofluid behavior under an oscillatory shear excitation and homogeneous and stationary magnetic field is presented. It is then broaden to real non homogeneous loudspeaker motor conditions. The influence of ferrofluid seals volume, viscosity and saturation magnetization are analyzed. A model which depends on the magnetoviscous properties of the ferrofluid is suggested for the loudspeaker internal losses.