Conception avancée d'un absorbeur non linéaire de type NES : application au control passif des vibrations

Improved design of nonlinear energy sink : application to passive vibration control

• Auteur / Autrice : Zhenhang Wu
• Direction : Manuel Paredes, Sébastien Séguy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique, mécanique des matériaux
• Date : Soutenance le 31/05/2022
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ICA - Institut Clément Ader - Institut Clément Ader / ICA
• Jury : Président / Présidente : Pierre-Alain Yvars
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Emeline Reboul, Olivier Thomas

Mots clés

Mots clés contrôlés

Génie mécanique

Mots clés libres

Expérience

Théorique

Dynamique

Pompage énergétique non-Linéaire

Conception

Optimisation

Experiment

Theoretical

Dynamics

Nonlinear Energy Sink

Design

Optimization

Résumé

Les travaux présentés dans cette thèse sont dédiés à la conception des absorbeurs de type Nonlinear Energy Sink (NES), dans le but de contrôler passivement les vibrations d’un oscillateur principal sous sollicitation harmonique. Plusieurs aspects sont abordés en couplant des approches analytiques, numériques et expérimentales : l’étude du NES bistable, l’estimation de la durée du transfert irréversible d’énergie et le développement d’un nouveau concept de NES couplant non-linéarité cubique et impact.Le NES bistable est étudié théoriquement à partir du système Hamiltonien correspondant. Une analyse fine des régimes vibratoire permet de révéler les conditions optimales en termes d’absorption d’énergie. L'expression de la valeur d'efficacité maximale est extraite pour déduire les paramètres dominants pour la conception optimale des NES cubiques et bistables. Les expérimentations confirment la faisabilité d’une stratégie de contrôle passif permettant de s’adapter aux différents niveaux d’excitation.Dans une deuxième partie, l’influence du mécanisme de raideur négative est analysée. L’utilisation de variables complexes permet de décrire les oscillations de faibles amplitudes autour de l’un des deux points d’équilibres. Le mécanisme de déclenchement du chaos est présenté. Le domaine chaotique est retrouvé par les calculs analytiques et simulations numériques.L’influence de l'amortissement, de la rigidité et du niveau d’excitation sont étudiés afin d’estimer la durée des cycles de relaxation lors du transfert irréversible d’énergie.Enfin, la modélisation du nouveau NES cubique à vibro-impact est présentée. Les résultats analytiques permettent de comprendre l’effet des impacts sur la réponse fortement modulée. Un critère de dimensionnement optimal est détaillé. L’effet de la combinaison des deux non-linéarités est retrouvé par simulation et lors des essais expérimentaux.

This thesis devotes to a conception of Nonlinear Energy Sink (NES) to realize a passive control of dynamic system under harmonic force case. Several aspects have been addressed on the analytic and experimental study of a bistable NES attached to a harmonic oscillator, a technique to estimate the energy pumping time, the investigation of novel cubic NES combining with Vibro-Impact condition.Firstly, the theoretical study of symmetrical in- and out-of-phase backbone branches in the Hamilton system is presented. An analysis of its response regimes reveals its optimal state and maximal absorbing efficiency. The expression of maximal efficiency value is extracted to infer the dominant parameters for the optimal design of cubic and bistable NES. The experiment confirms a tuneable control strategy to adapt various energy inputs.Second, the role of negative stiffness on the alternation response regimes is observed. An adapted complex variable can better describe the behaviors of intra-well. Based on that, a simplified chaos trigger mechanism is established. The analytical prediction and numerical calculation give the chaos boundary.Thirdly, with the aim of estimating the energy pumping time during the Targeted Energy Transfer, the particular integration assumption is applied to investigate the influence of damping, stiffness parameters and excitation amplitude.Finally, the novel dynamic model of a Vibro-Impact Cubic (VIC) NES is given. Conventional analytical procession gives an insight into the occurrence condition both for collision and SMR. A possible design criteria by the clearance control for optimally tuned VIC NES is presented. The effect of collision, which is also observed in the numerical study, is confirmed by the experiment.