Theoretical and experimental study of tuned nonlinear energy sink : application to passive vibration control

• Auteur / Autrice : Donghai Qiu
• Direction : Manuel Paredes, Sébastien Séguy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Genie mecanique, mecanique des materiaux
• Date : Soutenance le 29/03/2018
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Clément Ader - Institut Clément Ader / ICA
• Jury : Président / Présidente : Régis Dufour
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Manuel Paredes, Sébastien Séguy, Pierre-Alain Yvars, Claude-Henri Lamarque, Alain Berlioz
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Pierre-Alain Yvars, Claude-Henri Lamarque

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes dynamiques

Mots clés libres

Nonlinear Energy Sink

Targeted energy transfer

Raideur cubique

Vibro-impact

Ressort

Raideur négative

Nonlinear energy sink

Targeted energy transfer

Cubic stiffness

Vibro-impact

Conical spring

Variable pitch spring

Negative stiffness mechanism

Résumé

: 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.