Modélisation et caractérisation large bande de plaques multicouches anisotropes

Modelling and characterisation of anisotropic multilayered plates on a wide frequency range

• Auteur / Autrice : Fabien Marchetti
• Direction : Kerem Ege, Quentin Leclère
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Acoustique
• Date : Soutenance le 16/12/2019
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, Energétique, Génie Civil, Acoustique (Villeurbanne ; 2011-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut national des sciences appliquées (Lyon ; 1957-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LVA - Laboratoire Vibrations Acoustique (Lyon, INSA) - Laboratoire Vibrations Acoustique / LVA
• Jury : Président / Présidente : Morvan Ouisse
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Kerem Ege, Quentin Leclère, Morvan Ouisse, Alexandre Loredo, Charles Pezerat, Lucie Rouleau
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Alexandre Loredo, Charles Pezerat

Mots clés

Mots clés contrôlés

Vibrations

Composites

Mots clés libres

Multicouches

Sandwichs épais

Modèle équivalent

Rigidité de flexion

Amortissement structurel

Caractérisation dynamique

Méthodes Inverses

Modélisation vibratoire

Modèle analytique

Plaque mince

Plaque composite

Fibre de carbone

Amortissement structurel

Facteur de perte modal

Vibration mécanique

Acoustique appliquée

Acoustic

Multilayer

Thick sandwichs

Equivalent model

Flexural rigidity

Structural damping

Dynamic characterisation

Inverse method

Vibratory modelisation

Analytic modeling

Thin plates

Composite plates

Carbon fiber

Structural damping

Loss factor

Vibration

Résumé

Le présent travail de thèse traite de la modélisation vibratoire et de la caractérisation dynamique de matériaux multicouches anisotropes. Dans le premier chapitre, une classification de quelques modèles analytiques de multicouche et techniques de caractérisation expérimentales de structures planes est établie sous la forme d'une synthèse bibliographique. Elle regroupe les récents résultats publiés autour du sujet. Le second chapitre propose une extension d'un modèle équivalent de multicouche au cas des structures anisotropes. Ce modèle décrit les premières courbes de dispersion de la structure et tient compte des phénomènes de cisaillement pouvant agir sur le mode de flexion en hautes fréquences. Le principal avantage du modèle réside dans sa simplicité et sa rapidité grâce à son nombre de variables cinématiques indépendant du nombre de couches. Les caractéristiques du multicouche sont définies par les 5 rigidités de flexion d'une plaque équivalente mince qui est comparée à ce dernier. L'extension de modèle est validée à l'aide d'une étude expérimentale réalisée sur des plaques composites en fibres de carbone. Un intérêt tout particulier est porté sur la modélisation de l'amortissement structurel. Une définition énergétique du facteur de perte, décrite par une formulation spatiale et temporelle de l'atténuation, est comparée à une définition équivalente. Une nouvelle définition de la formulation spatiale est proposée dans le cas de structures très amorties et est comparée aux résultats de la littérature. Dans le troisième chapitre, la technique de caractérisation RIC est étendue au cas des structures anisotropes. Cette méthode inverse s'appuie sur l'analyse du champ de déplacement de la structure et possède, grâce à son aspect local, des atouts non négligeables pour des applications industrielles. La méthodologie est tout d'abord présentée pour l'identification de sources (objectif initial de la méthode) et est ensuite adaptée à la caractérisation. Plusieurs applications numériques et expérimentales sont présentées afin de valider cette extension. Enfin, le quatrième chapitre porte sur la caractérisation expérimentale d'un sandwich en nids d'abeille sur une large bande fréquentielle (1 à 300 kHz). Le comportement dynamique complexe de cette structure épaisse est décrit au travers des résultats prometteurs fournis par les simulations de notre modèle et les estimations de RIC. Ces résultats sont également comparés à ceux d'un modèle de référence et d'autres méthodes de caractérisation.

This PhD thesis concerns the modelling and the dynamic characterisation of anisotropic multilayered structures. In the first chapter, a classification of some analytical models and experimental methods of characterisation is presented in the form of a bibliographical synthesis where the main published results are gathered. The second chapter introduces an extension of an equivalent model of multilayered structures to the case of anisotropic materials. This model describes the first dispersion curves of the structure and considers the shear phenomena that can affect the bending mode in high frequencies. The main advantage of the model lies in its simplicity and rapidity thanks to a number of kinematic variables independent of the number of layers. The characteristics of the multilayer are defined by the 5 flexural rigidities of a thin equivalent plate which is compared to the multilayer. The results of the model are validated by means of an experimental study on carbon fiber composite plates. A particular interest is dedicated to the modelling of structural damping. An energetic loss factor, based on a temporal and spatial definition of the attenuation, is compared to an equivalent one. A new definition of the spatial attenuation is suggested for high damped structures and is compared to literature. In the third chapter, the methodology of the characterisation technique CFAT is adapted for anisotropic plates. This inverse method is based on the displacement field analysis of the structure and has, by means of its local aspect, relevant advantages for industrial applications. This adaptation is, as a first step, introduced for the identification of sources (initial objective of the method) and applied, in a second step, for the characterisation. Several numerical and experimental applications are presented to validate the results of the method. Finally, the fourth chapter deals with the experimental characterisation of a honey comb sandwich on a high frequency range (1 to 300 kHz). The complex dynamic behaviour of this thick structure is described through the promissing results given by the simulations of our model and the estimations of RIC. These results are also compared to the ones of a reference model and other characterisation methods.