Thèse présentée par Marcelo Areias Trindade

Contrôle hybride actif-passif des vibrations de structures
par des matériaux piézoélectriques et viscoélastiques :
poutres sandwich / multicouches intelligentes

Soutenue le 15 juin 2000 devant le jury composé de :

Pierre-François GOBIN INSA, Lyon Président
Louis JÉZÉQUEL École Centrale de Lyon Rapporteur
Maurice TOURATIER ENSAM PARIS Rapporteur
Ayech BENJEDDOU Cnam Paris Examinateur
Jean-Pierre GRELLIER DGA Paris Examinateur
Christian SOIZE ONERA Châtillon Examinateur
Roger OHAYON Cnam Paris Directeur de thèse

Résumé :

Cette thèse présente une analyse numérique de l'amortissement des vibrations structurales obtenu par des traitements passifs, actifs et hybrides actifs-passifs. Pour cela, un modèle éléments finis de poutre sandwich dont les couches peuvent être élastiques, piézoélectriques ou viscoélastiques est présenté. Il est validé à travers des comparaisons avec les résultats analytiques, expérimentaux et numériques trouvés dans la littérature, puis, étendu au cas de peaux stratifiées.
Ensuite, la représentation de la dépendance en fréquence des propriétés des matériaux viscoélastiques est étudiée en utilisant les modèles  Anelastic Displacement Fields (ADF), Golla-Hughes-McTavish (GHM) et Modal Strain Energy (MSE) itératif. Une réduction modale à base complexe est proposée et validée à travers des comparaisons avec les résultats trouvés dans la littérature. Un algorithme itératif est proposé pour trouver le contrôle optimal du type Linear Quadratic Regulator (LQR) respectant le champ électrique maximum applicable aux pastilles piézoélectriques. La comparaison entre les performances d'amortissement des mécanismes d'action piézoélectrique par extension et par cisaillement montre que les derniers sont plus efficaces pour de petites amplitudes et fréquences élevées et pour des structures sandwich à peaux rigides et coeur souple. Trois traitements amortissants hybrides, obtenus en modifiant l'emplacement relatif des couches viscoélastique et piézoélectrique, ont été analysés et comparés. Il est montré que les traitements par revêtement contraint actif (RCA), consistant à remplacer la couche externe élastique par un actionneur piézoélectrique, ne sont efficaces que pour des couches viscoélastiques très minces. Tandis que les traitements par revêtement contraint passif (RCP) associé à un actionneur piézoélectrique collé sur la surface opposée de la structure (RCP/CA) ou entre la couche viscoélastique et la structure (RCPA/CA) sont, généralement, plus efficaces.
Cependant, les trois traitements fournissent des systèmes de contrôle efficaces et robustes. L'étude du contrôle de vibrations d'une poutre sandwich à coeur viscoélastique, à l'aide de deux pastilles collées symétriquement sur ses surfaces supérieure et inférieure, en utilisant trois contrôleurs de types LQR, dérivatif et Linear Quadratic Gaussian (LQG) est réalisée. Il est montré que les contrôleurs optimaux LQR et LQG sont plus efficaces que le dérivatif, puisqu'ils sont moins dépendants de la co-localisation des actionneurs et capteurs. Finalement, l'influence de la température d'opération sur la performance de l'amortissement par traitement du type RCA est analysée ; les résultats montrent qu'il est possible d'aboutir à des performances uniformes dans un intervalle de températures.


Laboratoire de Mécanique des Structures et des Systèmes Couplés - LMSSC