Avancement des techniques d'amortissement de vibration passives et actives

Advances in passive and active damping techniques

• Auteur / Autrice : Shaoyi Zhou
• Direction : Simon Chesne, Claire Jean-Mistral
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique
• Date : Soutenance le 23/09/2019
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 1993-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut national des sciences appliquées (Lyon ; 1957-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LaMCoS - Laboratoire de Mécanique des Contacts et des Structures (Lyon, INSA ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Manuel Collet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Simon Chesne, Claire Jean-Mistral, Manuel Collet, Li Cheng, Christophe Collette, Guilhem Michon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Li Cheng, Christophe Collette

Mots clés

Mots clés contrôlés

Vibrations

Amortissement (mécanique)

Mots clés libres

Mécanique

Vibration mécanique

Contrôle vibrations

Amortissement des vibrations

Inerter

Shuntage

Amortissement passif

Amortissement actif

Optimisation H-Infinity

Shunt piézoélectrique

Shunt électromagnétique

TMD - Amortisseur à masse accordée

Impédance négative

Mechanical

Mechanical vibration

Vibration control

Inerter

Shunting

Passive damping

Active damping

H-Infinity optimization

Piezoelectric shunt

Electromagnetic shunt

TMD - Tuned Mass Damper

Negative Impedance

Résumé

Les systèmes mécaniques (e.g. structures flexibles) sont généralement peu amortis, et par conséquent des vibrations de fortes amplitudes peuvent apparaitre. Il apparait nécessaire de développer des stratégies de contrôle vibratoire pour atténuer ces vibrations mécaniques. Cette thèse a pour objectif de développer plusieurs techniques d'amortissement de vibration passives ou actives. La première partie porte sur l'utilisation d'un “inerter” pour améliorer les performances de contrôle vibratoire de deux dispositifs existants, l'amortisseur à masse accordée (TMD) et deux TMDs placés en série (SDTMD). Dans le cas avec un TMD, on considère un système mécanique avec incertitudes ainsi que son optimisation H-infinity (worst-case optimization) en adoptant une approche purement algébrique. Dans le cas de SDTMD, on vise à contrôler la vibration d'un système déterministe. Son optimisation H-infinity s'effectue ici en utilisant une version étendue de la théorie de points fixes (FPT). Dans une seconde partie, on cherche à améliorer les performances de ce type de dispositif en positionnant un élément linéaire de raideur négative entre la base et la masse accordée. Deux cas d'étude sont menés: le TMD seul et celui basé sur l'inerter (IDVA). Les deux dispositifs ont une configuration non-traditionnelle, dont la masse accordée est liée à la base par l'intermédiaire d'un amortisseur visqueux ou un réseau mécanique basé sur l'inerter. La réalisation de ces dispositifs non-traditionnelles avec ou sans raideur négative et leurs shunts piézoélectriques sont étudiés et une analogie électromécanique est établie. Cette analogie permet d'étendre l'applicabilité des amortisseurs mécaniques et de faciliter les réglages. Dans la dernière partie, deux techniques d'amortissement actif et semi-actif sont développées. La première stratégie concerne une loi de contrôle hybride applicable au TMD et à l'IDVA. Le contrôleur proposé est composé d'un seul ou plusieurs compensateurs identiques, qui est caractérisé par un pôle à l'origine et deux zéros coïncidents réels. Les expressions analytiques sont développées dans les deux cas. La seconde technique de contrôle s'appuie sur l'atténuation de vibration par shunt électromagnétique (EMSD), pour laquelle aucun capteur est requis. Une inductance négative (NI) est employée dans les shunts électromagnétiques afin d'améliorer l'amortissement. Trois architectures possibles de NI dans un EMSD sont évaluées à travers le facteur de couplage électromécanique, qui quantifie l'efficacité de conversion énergétique entre les domaines mécanique et électrique. Finalement, six shunts électromagnétiques utilisant des NIs sont optimisés et analysés.

Mechanical systems (e.g. flexible structures) are usually lightly damped so that they vibrate severally in response to dynamic loads. Therefore, vibration control strategies should be adopted in order to reduce the undesired vibration of mechanical systems. The objective of this thesis is to develop multiple vibration control techniques, which are either passive or active. The first part focuses on the application of inerter to enhance the vibration control performance of two existing control devices, the tuned mass damper (TMD) and the series double TMD (SDTMD). The inerter is employed to relate the tuned mass to the ground. In the case of TMD, a mechanical system under stiffness uncertainty is considered and the worst-case H-infinity optimization is addressed by means of an entirely algebraic approach. In the case of SDTMD, the vibration of a deterministic mechanical system is to be controlled and the H-infinity optimal design is carried out via an extended version of fixed points theory (FPT). Instead of using the inerter, the second part consists in improving the control effect by incorporating a linear negative stiffness between the ground and the tuned mass. Two case studies are conducted based on the non-traditional TMD and inerter-based dynamic vibration absorber (IDVA), whose tuned mass is related to the ground by a viscous damper or an inerter-based mechanical network, respectively. Later, the exact electrical realization of non-traditional configurations with or without negative stiffness is proposed, which is based on the piezoelectric transducer enclosed by a particular shunt circuit. This electromechanical analogy enables to extend the applicability of mechanical control devices and to facilitate the precise tuning. In the last part, active and semi-active vibration control techniques are developed. The first strategy consists in enhancing the control capability of passive TMD and IDVA by feeding back the displacement signal of mechanical system to the electromagnetic actuator. The proposed controller can be regarded as one or multiple basic units arranged in series, which is featured by one pole at the origin and two coalesced zeros on the real axis. Distinguished from the previous strategy, the semi-active control technique is based on electromagnetic shunt damping (EMSD), therefore, no additional sensor is required to measure the information of mechanical system. In order to artificially increase the shunt damping performance, the employment of negative inductance (NI) in the shunt circuit is considered. Three possible layouts of NI in the EMSD are assessed in terms of the electromechanical coupling factor, which quantifies the energy conversion efficiency between mechanical and electrical domains. Finally, six types of shunt circuits are optimally tuned according to the FPT and the beneficial effect of NI and the influence of its layout can be underlined.