K-space analysis of complex large-scale periodic structures

par Giovanni Tufano

Thèse de doctorat en Génie mécanique

Sous la direction de Mohamed Ichchou, Olivier Bareille et de Wim Desmet.

Soutenue le 20-02-2020

à Lyon en cotutelle avec Katholieke universiteit te Leuven (1970-....) , dans le cadre de École Doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Lyon) , en partenariat avec École centrale de Lyon (établissement opérateur d'inscription) et de Laboratoire de tribologie et dynamique des systèmes (Écully, Rhône) (laboratoire) .

Le président du jury était Mohamed Ali Hamdi.

Le jury était composé de Mohamed Ichchou, Olivier Bareille, Elke Deckers, Bert Pluymers.

Les rapporteurs étaient Mohamed Ali Hamdi, José Roberto de França Arruda.

  • Titre traduit

    Analyse K-space de structures périodiques complexes à grande échelle


  • Résumé

    Pendant sa mission opérationnelle, un moyen de transport est soumis à des excitations acoustiques, aérodynamiques et structurales à large bande. Les moyens de transport, tels que les avions, les lanceurs spatiaux, les bateaux, les voitures, les trains, etc., sont conçus pour accomplir un objectif principal, généralement de transférer une charge utile (passagers, marchandises, satellites, par exemple) d’un point à un autre, en maintenant toujours un niveau élevé de confort, de sécurité et de capacité de survie de la charge utile. Les réglementations nationales et internationales en matière de pollution sonore sont de plus en plus strictes ; les scientifiques et les acteurs industriels sont confrontés à ces défis de développement de nouveaux matériaux et de nouveaux choix de conception.Les matériaux composites, les géométries complexes et les nouvelles conceptions sont étudiés, ce qui rend l’étude et la prédiction de la réponse vibro-acoustique de ces structures un défi énorme. La complexité rend la dérivation des modèles analytiques plus difficile à obtenir ; l’utilisation d’outils numériques est d’une importance cruciale. L’une des méthodes les plus utilisées est la modélisation par éléments finis (FE), mais l’énorme quantité de degrés de liberté associée à un coût de calcul élevé limite son utilisation dans la gamme de basses fréquences. Au cours des dernières décennies, différentes méthodes sont dérivées pour obtenir les caractéristiques de dispersion des structures ; l’une des plus courantes est la méthode des éléments finis ondulatoire (WFEM), qui est basée sur la propagation des ondes. Cette méthode a été appliquée sur diverses structures simples et complexes, dérivant une formulation soit 1D que 2D, également étendu à des structures courbes.Récemment, une approche énergétique a été dérivée à partir de la méthode de Prony : la méthode de corrélation d’onde inhomogène (IWC). Cette approche trouve son applicabilité dans la gamme de fréquence moyenne et haute, où le chevauchement modal est assez élevé. La méthode IWC est basée sur la projection du champ d’onde sur une onde itinérante inhomogène. Le nombre d’onde dominant, à chaque fréquence, est obtenu par maximisation de la fonction de corrélation entre le champ d’onde projet\'e et l’onde inhomogène.Dans ce contexte, une version étendue de la méthode IWC est dérivée, permettant de décrire les courbes de dispersion des structures complexes : plaques étroites périodiques, plaques composites, panneaux raidis, panneaux composites courbes et panneaux raidis courbes. La méthode a l’avantage d’être applicable dans un environnement opérationnel, en utilisant des emplacements d’acquisition clairsemés. Une analyse complète des caractéristiques de dispersion est effectuée, même en présence d’éléments périodiques et de dispositifs de contrôle des vibrations, décrivant les écarts de bande directement corrélés dans certaines régions de fréquence et l’atténuation du niveau de vibration. Une estimation numérique et expérimentale du facteur de perte d’amortissement structurel est calculée. Une description de la dynamique locale en présence de résonateurs à petite échelle, de l’effet de la périodicité et de l’identification du comportement multimodale sont également capturés.Tous les résultats des simulations numériques sont validés expérimentalement sur des meta-structures complexes à grande échelle, comme un panneau sandwich imprimé en 3D, un panneau courbé sandwich en composite et un panneau d'avion en aluminium. L’effet des résonateurs à petite échelle imprimés en 3D à orientation industrielle sur la réponse vibro-acoustique des structures considérées est réalisé en tenant compte soit de l'excitation champ acoustique diffus et de l'excitations mécaniques.


  • Résumé

    During its operational mission, a transportation mean is subject to broadband acoustic, aerodynamic and structure-borne excitations. The transportation means, such as aircrafts, space launchers, ships, cars, trains, etc., are designed to accomplish a primary goal, usually to transfer a payload (passengers, goods, satellites, for example) from a point to another, always keeping a high level of comfort, safety and survivability of the payload. National and international regulations about noise pollution are more and more stringent; scientists and industrial players are facing with these challenges developing new materials and new design choices. Composite materials, complex geometries and new design concepts are investigated, making the analysis and the prediction of the vibroacoustic response of these structures a huge challenge. The complexity makes the derivation of analytical models harder to obtain; the use of numerical tools is of crucial importance. One of the most employed method is the Finite Element (FE) modeling, but the huge amount of degrees of freedom together with a high computational cost limits its use in the low frequency range. In the last decades, different methods are derived to obtain the dispersion characteristics of the structures; one of the most common is the Wave Finite Element Method (WFEM), that is based on the wave propagation. This method has been applied on various simple and complex structures, deriving both 1D and 2D formulations, extended also to curved structures. Recently, an energetic approach has been derived starting from the Prony’s method, the Inhomogeneous Wave Correlation (IWC) method. This approach has its applicability in the mid-high frequency range, where the modal overlap is quite high. The IWC method is based on the projection of the wavefield on an inhomogeneous traveling wave. The dominant wavenumber, at each frequency, is obtained by maximization of the correlation function between the projected wavefield and the inhomogeneous wave. In this context, an extended version of the IWC method is derived, allowing to describe the dispersion curves of complex structures: periodic narrow plates, composite plates, ribbed panels, composite curved shells and curved stiffened structures. The method has the advantage to be applied in an operational environment, making use of sparse acquisition locations. A complete dispersion characteristics analysis is conducted, even in presence of periodic elements and vibration-control devices, describing the directly correlated band-gaps in certain frequency regions and general vibration level attenuation. A numerical and experimental estimation of the structural damping loss factor is computed. A description of the local dynamics in presence of small-scale resonators, of the periodicity effect and the identification of the multi-modal behavior are also captured. All the results of the numerical simulations are experimentally validated on complex large-scale meta-structures, such as a 3D-printed sandwich panel, a curved composite laminated sandwich panel and a aluminum aircraft sidewall panel. The effect of industrially-oriented 3D-printed small-scale resonators on the vibro-acoustic response of the considered structures is conducted, taking in account both diffuse acoustic field and mechanical excitations.


  • Résumé

    Tijdens zijn operationele opdracht, is een vervoersgemiddelde onderworpen aan breedband akoestische, aërodynamische en structuur - gedragen excitaties. De transportmiddelen, zoals vliegtuigen, ruimtelanceerders, schepen, auto’s, treinen, enz., zijn ontworpen om een primair doel te verwezenlijken, gewoonlijk om een lading (passagiers, goederen, satellieten, bijvoorbeeld) van een punt naar een andere over te brengen, altijd houdend een hoog niveau van comfort, veiligheid en overleefbaarheid van de lading. De nationale en internationale regelgeving inzake geluidshinder is steeds strenger; wetenschappers en industriële spelers worden geconfronteerd met deze uitdagingen bij de ontwikkeling van nieuwe materialen en nieuwe ontwerpkeuzes. Samengestelde materialen, complexe geometrieën en nieuwe ontwerpconcepten worden onderzocht, waardoor de studie en de voorspelling van de vibroakoestische respons van deze structuren een enorme uitdaging. De complexiteit maakt de afleiding van analytische modellen moeilijker te verkrijgen; het gebruik van numerieke tools is van cruciaal belang. Een van de meest gebruikte methoden is de FE-modellering (Finite Element), maar de enorme hoeveelheid vrijheidsgraden in combinatie met hoge computerkosten beperkt het gebruik ervan in het lage frequentiebereik. In de afgelopen decennia zijn verschillende methoden afgeleid om de verspreidingskenmerken van de structuren te verkrijgen; een van de meest voorkomende methoden is de Wave Finite element Method (WFEM), die gebaseerd is op de golfvoortplanting. Deze methode is toegepast op verschillende eenvoudige en complexe structuren, die een 1D- en 2D-formulering afleiden, ook uitgebreid tot gebogen structuren. Onlangs is een energieke benadering afgeleid van de methode van Prony, de Inhomogeneous Wave Correlation (IWC) methode. Deze benadering heeft haar toepasbaarheid in het middenhoge frequentiebereik, waar de modale overlapping vrij hoog is. De IWC-methode is gebaseerd op de projectie van het golfveld op een inhomogene golf. De dominante golvenumber wordt bij elke frequentie verkregen door maximalisatie van de correlatiefunctie tussen het geprojecteerde golfveld en de inhomogene golf. In dit verband wordt een uitgebreide versie van de IWC-methode afgeleid, waarmee de verspreidingscurves van complexe structuren kunnen worden beschreven: Periodieke smalle platen, samengestelde platen, geribde panelen, samengestelde gebogen schalen en gebogen geribbelde panelen. De methode heeft het voordeel om te worden toegepast in een operationele omgeving, waarbij gebruik wordt gemaakt van sparse acquisitielocaties. Er wordt een volledige analyse van de verspreidingskenmerken uitgevoerd, zelfs in aanwezigheid van periodieke elementen en apparatuur voor trillingscontrole, die de direct met elkaar verband houdende bandhiaten in bepaalde frequentiegebieden en de verzwakking van het trillingsniveau beschrijven. Er wordt een numerieke en expexiii rimentele schatting van de verliesfactor van de structurele demping berekend. Een beschrijving van de lokale dynamiek in aanwezigheid van kleinschalige resonatoren, van het periodiciteitseffect en de identificatie van het multimodale gedrag worden ook vastgelegd. Alle resultaten van de numerieke simulaties worden experimenteel gevalideerd op complexe grootschalige meta-structuren, zoals een 3D-gedrukt sandwichpaneel, een gebogen samengesteld gelamineerd sandwichpaneel en een aluminium zijpaneel aan de zijkant van het vliegtuig. Het effect van industrieel georiënteerde 3D-gedrukte kleinschalige resonatoren op de trillings-akoestische respons van de overwogen structuren wordt uitgevoerd, waarbij rekening wordt gehouden met zowel diffuus akoestisch veld als mechanische excitaties.


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Informations

  • Sous le titre : K-space analysis of complex large-scale periodic structures
  • Détails : 1 vol. (xvii-147 p.)
  • Notes : Thèse soutenue en co-tutelle.
  • Annexes : Bibliogr. p. 127-138
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