Modélisation numérique de l'amortissement induit par les interfaces des structures assemblées

par Yifan Yang

Thèse de doctorat en Mécanique appliquée

Sous la direction de Louis Jézéquel et de Olivier Dessombz.

Soutenue le 13-12-2018

à Lyon , dans le cadre de Ecole Doctorale Mecanique, Energetique, Genie Civil, Acoustique (MEGA) (Villeurbanne) , en partenariat avec École Centrale de Lyon (1857-....) (établissement opérateur d'inscription) , Laboratoire de tribologie et dynamique des systèmes (Écully, Rhône ; 1970-) (laboratoire) et de Laboratoire de tribologie et de dynamique des systèmes (laboratoire) .

Le président du jury était Thouraya N. Baranger.

Le jury était composé de Louis Jézéquel, Olivier Dessombz, Philippe Bristiel.

Les rapporteurs étaient Sébastien Berger, Scott Cogan.

mots clés

• Amortissement
• Frottement sec
• Mode nonlinéaire
• Vibration
• Méthode numérique
• Amortissement (mécanique)
• Frottement

Résumé

Déterminer la durée de vie d'une pièce sous excitation vibratoire est l'un des enjeux majeurs dans l'ingénierie mécanique. Afin de donner une estimation fiable de la durée de vie, un calcul correct de champ de contrainte, qui est fortement lié à la forme et l'amplitude modale est obligatoire. Cependant, le calcul de réponse d'une structure assemblée est difficile, surtout avec la présence de frottement sec aux interfaces de liaisons qui entraîne un amortissement non linéaire. La recherche de la thèse commence par une identification phénoménologique de l'amortissement induit par le frottement sec avec 3 modèles analytiques, notamment la plaque sandwich, la rotule frottante et la plaque von Kármán. Après la caractérisation de l'amortissement structural au 1er et 2ème ordre, les influences des paramètres comme la pression de serrage, le rapport d'épaisseurs ainsi que le nombre de soudures sont analysés. La deuxième partie des travaux traite les problèmes d'amortissement avec une géométrie de dimension finie. La plaque de von Kármán est reprise dans l'étude et une méthode hybride de différences finies et d'éléments finis est adopté pour résoudre le couplage entre la flexion et les efforts internes. Une attention particulière est portée à la notion de modes non linéaires dans le cas de la plaque von Kármán. Les conditions nécessitant l'introduction de modes non linéaires sont identifiées. Le champ de force fictif qui est proposé dans l'étude sur la plaque von Kármán est ensuite introduit dans le cas de la plaque sandwich. Puis la propagation de glissement et l'influence de champ fictif sont étudiées. Afin de vérifier les phénomènes trouvés dans les études théoriques, une installation expérimentale est conçue et montée pour l'amortissement structural au premier ordre. Dans la dernière partie qui est basée sur les observations faites dans les études précédentes, une méthode de calcul de l'amortissement dans un environnement industriel est proposée. Cette méthode permet de donner un amortissement pour chaque mode isolé.

mots clés

• Damping
• Dry friction
• Nonlinear mode
• Vibration
• Numerical method

Titre traduit

Modelization of dry friction damping in assembled structures

Résumé

The determination of a component's lifetime under vibrational excitation is one of the most difficult challenges in mechanical engineering. In order to provide a reliable estimation of lifetime, a correct calculation of stress field, which depends on the modal form and its amplitude, is needed. However, the vibrational response calculation on an assembled structure is not easy, especially with the nonlinear structural damping induced by frictional contact surface. The research in the current thesis starts from the phenomenological identification of damping with the help of 3 analytical models, in particular the sandwich plate, rotational joint and von Karman plate. Structural damping of 1st and 2nd order are identified. The influence of parameters like clamping pressure, thickness ratio and number of welding points are also analyzed. The second part of the research focuses on problems with finite dimensions. The von Karman plate serves as the subject of the study and a hydride method which combines FDM and FEM is proposed to solve the coupling between defection and in-plane force field. A special attention is paid to nonlinear mode theory, the conditions under which the nonlinear mode is necessary are identified. The fictive force field proposed in the study of von Kármán plate is then applied to the sandwich plate model. The slipping's propagation as well as the influence of fictive force field are studied. To verify the existence of the found phenomena in the previous studies, an experimental setup is designed and mounted for the 1st order structural damping. In the last part of the research, which is based on the observations previously obtained from academic models, a calculation method of friction-induced damping in structures with complex geometries is proposed for the application in the industrial environment. This methods enables the estimation of damping for each isolated mode.