Contrôle passif de vibrations à l’aide d’absorbeurs. Étude théorique et investigations expérimentales

par Giuseppe Pennisi

Thèse de doctorat en Génie mécanique, mécanique des matériaux

Sous la direction de Guilhem Michon et de Cyrille Stéphan.

Le président du jury était Xavier Boutillon.

Le jury était composé de Brian Mann.

Les rapporteurs étaient Claude-Henri Lamarque, Olivier Thomas.


  • Résumé

    Les méthodes de contrôle de vibrations passives basées sur des absorbeurslinéaires ont été largement étudiées et ils ont aujourd'hui une vaste gammed'applications. Cependant, les absorbeurs linéaires n’étant efficaces quelorsqu'ils sont accordés à la fréquence que l'on veut contrôler, ils présententdes limites considérables quand ils sont appliqués à des systèmes possédantdes incertitudes sur les paramètres modaux ou ayant une fréquence propredépendante de la force extérieure. Dans cette thèse la réduction des vibrations dans les systèmes mécaniques à l'aide d'un absorbeur Nonlinear Energy Sink est étudiée. Le phénomène qui gouverne la physique de ce dispositif est appelé pompage énergétique (Targeted Energy Transfer) et il consiste en un transfert irréversible d'énergie du système principal vers le NES, où l’énergie est dissipée. Ce transfert d'énergie peut se produire pour une large gamme de fréquences et sans besoin que le NES ne soit accordé _a une fréquence spécifique.La dynamique d'un premier type de NES appelé Vibro-Impact NonlinearEnergy Sink (VI-NES) est investiguée expérimentalement grâce à unoscillateur linéaire (OL) à un degré de liberté forcé harmoniquement auquelle VI-NES est attaché. Le pompage énergétique du OL vers le VI-NESest observé expérimentalement, ce qui a permis d'obtenir une importanteréduction du pic de résonance du système principal. Le système est étudiéanalytiquement à l'aide de la méthode Multi-Echelles et le comportementnon-linéaire observé est expliqué théoriquement. Le deuxième type de NES présenté est le Magnetic-Strung NES avec récupération d'énergie. Cette étude ajoute l'aspect lié à la récupération d'énergie au domaine de recherche des absorbeurs non-linéaires. Le système consiste en un oscillateur linéaire (OL) à un degré de liberté forcé harmoniquement auquel le MS-NES est appliqué. La force non-linéaire de rappel peut être modulée grâce à une force magnétique introduite judicieusement, ce qui permet au NES d'avoir plusieurs configurations possibles. Lesystème résultant est un système électromécanique où l'énergie vibratoire dusystème principal est absorbée par le NES et est ensuite dissipée en partiepar l'amortissement visqueux et convertie en partie en puissance électrique.Les études numérique et expérimentale analysent les performances du MSNESen tant qu'absorbeur d'énergie et en tant que récupérateur d'énergie.Finalement, les idées et les perspectives issues de cette étude sont traitéeset les directions pour les travaux futurs sont fournies.

  • Titre traduit

    Passive vibration control by using Nonlinear Energy Sink absorbers. Theoretical study and experimental investigations


  • Résumé

    Passive vibration control methods using linear dampers have been largelystudied and investigated, and they have nowadays a broad range of applications.However, linear dampers are efficient when tuned to the specificfrequency to control but present substantial limitations when applied to primarysystems with uncertainties on the modal parameters or to systemshaving a natural frequency that may vary with external forcing.In this thesis the vibration mitigation in mechanical systems by meansof a Nonlinear Energy Sink absorber is studied. The phenomenon governingthe physics of this kind of device is referred to as Targeted Energy Transferand it consists in an irreversible energy transfer from the primary systemto the NES where the energy is then dissipated. This energy transfer mayoccur over a broad range of frequencies with no need for the NES to betuned to a specific one.The dynamics of a first type of NES called Vibro-Impact Nonlinear EnergySink (VI-NES) is experimentally investigated via a harmonically forcedsingle-degree-of-freedom linear oscillator to which a VI-NES is attached. ATargeted Energy Transfer from the LO towards the VI-NES is experimentallyobserved and a significant reduction of the primary system's resonancepeak is obtained. The system is analytically studied by means of the MultipleScales method and the nonlinear behavior experimentally observed istheoretically explained. The second type of NES presented is the Magnetic-Strung NES withenergy harvesting. This study adds the energy harvesting aspect to the researchon nonlinear vibration absorbers. The system consists in a harmonicallyforced single-degree-of-freedom linear oscillator to which the MS-NESis applied. The type of nonlinearity used can be shaped thanks to a magneticforce aptly introduced, allowing the NES to have several possible configurations.The resulting system is an electro-mechanical system in which thevibration energy of the primary system is absorbed by the NES and subsequentlypartially dissipated by the viscous damping and partially convertedinto electrical power. The numerical and experimental studies analyze theperformances of the MS-NES both as an energy absorber and as an energyharvester.


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