Conception de filtres vibratoires absolus non linéaires

Design of nonlinear absolute vibration filters

• Auteur / Autrice : Théo Bonneval
• Direction : Guilhem Michon, Adrien Pelat
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Génie mécanique, mécanique des matériaux
• Date : Inscription en doctorat le 01/12/2022
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ICA - Institut Clément Ader
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : MS2M - Modélisation des Systèmes et Microsystèmes Mécaniques

Mots clés

Mots clés libres

Métamatériau

Filtre

Vibration

Structure treillis

Metamaterial

Filter

Vibration

Lattice structure

Résumé

A ce jour de nombreuses activités de recherche et développement ont pour objectif de concevoir des structures mécaniques à la fois légères pour des questions énergétiques, raides en statique et non résonantes en dynamique pour réduire leurs fatigues vibratoires et améliorer leurs conforts d'utilisations. L'essor très extensif des matériaux architecturés ces dix dernières années offre aujourd'hui de nombreuses possibilités pour élaborer des architectures capables de répondre à ces enjeux de filtrage vibratoire. Dans ce contexte, l'utilisation de bandes de fréquences interdites dites absolues dans lesquelles aucun des 3 types d'ondes élastiques d'intérêt ne peut se propager a récemment fait l'objet d'une preuve de concept de filtre vibratoire à partir d'un cristal phononique bi-matériau. Par ailleurs, l'introduction de mécanismes non-linéaires peut induire des transferts d'énergie vibratoire depuis les basses fréquences pour lesquelles il est souvent difficile de mettre en œuvre une atténuation vibratoire efficace compte tenue des grandes longueurs d'onde, vers de plus hautes fréquences auxquelles l'amortissement ou le filtrage vibratoire est plus aisé. L'idée poursuivie dans cette thèse consiste alors en la combinaison de ces 2 principes dans l'objectif de concevoir un filtre pouvant être introduit le long de chemin de transfert et donnant lieu à une atténuation vibratoire importante en large bande, incluant les basses fréquences. Cette combinaison consiste en la mise en série d'un élément non linéaire et d'un matériau architecturé à bande interdite absolue. Le rôle de l'élément non linéaire est de transférer une partie de l'énergie basse fréquence émise par une source vibratoire vers des fréquences plus élevées correspondantes à une bande interdite absolue du matériau architecturé. L'ensemble permet alors de réduire les possibles rayonnements de bruits solidiens. Par ailleurs, l'utilisation de non-linéarités peut générer de l'amortissement vibratoire sur de larges plages fréquentielles dans les structures mécanique. Il pourra donc être envisagé de tirer parti de mécanismes dissipation de frottement sec (exemple : matériau en fibre enchevêtre), par couplage multi-physique (exemple : thermomécanique ou électromécanique), ou par ajout d'un absorbeur de vibratoire de type NES (Nonlinear Energy Sink).

Today, many research and development activities aim to design mechanical structures that are both light for energy issues, stiff in statics and non-resonant in dynamics to reduce their vibrational fatigue and improve their comfort of use. The very extensive development of architectural materials over the past ten years now offers many possibilities for developing architectures capable of meeting these vibration filtering challenges. In this context, the use of so-called absolute forbidden frequency bands in which none of the 3 types of elastic waves of interest can propagate has recently been the subject of a proof of concept of a vibration filter from a bi-material phononic crystal. Furthermore, the introduction of non-linear mechanisms can induce transfers of vibrational energy from low frequencies for which it is often difficult to implement effective vibrational attenuation given the long wavelengths, towards higher frequencies. frequencies at which vibration damping or filtering is easier. The idea pursued in this thesis then consists in the combination of these 2 principles with the aim of designing a filter that can be introduced along the transfer path and giving rise to a significant vibration attenuation in wide band, including low frequencies. This combination consists of the serialization of a nonlinear element and an architectured material with an absolute forbidden band. The role of the nonlinear element is to transfer part of the low frequency energy emitted by a vibratory source to higher frequencies corresponding to an absolute forbidden band of the architectural material. The assembly then makes it possible to reduce the possible radiation of structure-borne noise. In addition, the use of non-linearities can generate vibration damping over wide frequency ranges in mechanical structures. It could therefore be envisaged to take advantage of dry friction dissipation mechanisms (example: tangled fiber material), by multi-physical coupling (example: thermomechanical or electromechanical), or by adding an NES type vibration absorber (Nonlinear Energy Sink).