Réseaux piézoélectriques pour la réduction des vibrations de structures complexes

Résumé

L'amplitude vibratoire d'une structure mince peut être réduite grâce au couplage électromécanique qu'offrent les matériaux piézoélectriques. En termes d'amortissement passif, les shunts piézoélectriques permettent une conversion de l'énergie vibratoire en énergie électrique. La présence d'une inductance dans le circuit crée une résonance électrique due à l'échange de charges avec la capacité piézoélectrique. Ainsi, l'ajustement de la fréquence propre de ce shunt résonant à celle de la structure mécanique équivaut à la mise en œuvre d'un amortisseur à masse accordée.

Shunt piézoélectrique résonant pour la réduction des vibrations d'une aube fan (thèse d'Olivier Thierry)

La stratégie de shunts piézoélectriques pour la réduction des vibrations est étendue au contrôle d'une structure multimodale par multiplication du nombre de patchs piézoélectriques. Ceux-ci sont interconnectés via un réseau électrique ayant un comportement dynamique permettant d'optimiser les performances sur une plage de fréquence identifiée. Par exemple, les réseaux multi-résonants permettent l'amortissement simultané de plusieurs modes mécaniques.

Une topologie électrique adéquate peut être obtenue par discrétisation de la structure mécanique puis par analogie électromécanique. Le réseau analogue obtenu contient des inductances et des transformateurs dont le nombre et les valeurs sont choisis en fonction de la bande de fréquences à contrôler. Cette solution purement passive a été mise en œuvre pour le contrôle de structures unidimensionnelles de type barre ou poutre puis étendue au cas de plaques planes rectangulaires encastrées ou simplement appuyées.

Plaque piézoélectrique et amortissement vibratoire (thèse de Robin Darleux)

Il s'agit maintenant d’étendre le concept de réseau piézoélectrique à des structures minces constituées de matériaux et géométries complexes avec des conditions aux limites variées. Un second enjeu est de proposer des pistes de développement pour l'intégration des composants du système de contrôle. L'objectif est de limiter l'encombrement et la masse ajoutée par ces systèmes.

En plus du critère classique de maximisation du couplage piézoélectrique (et donc du choix des pastilles collées sur la structure), on s'intéresse à l'optimisation des composants électriques du réseau. Enfin, il devient nécessaire de comprendre, quantifier et éventuellement limiter l'influence de facteurs environnementaux comme la température qui peuvent altérer l'efficacité de ce type de solutions d'amortissement.

Durée du projet : En cours, depuis 2014

Partenariats académiques et industriels :

  • Georgia Institute of Technology
  • École Normale Supérieure de Rennes
  • ETH Zürich
  • Safran Aircraft Engine
Publications
Corps

B. Lossouarn, J.-F. Deü, M. Aucejo, K. A. Cunefare, Multimodal vibration damping of a plate by piezoelectric coupling to its analogous electrical network, Smart Materials and Structures, 25 (11), 115042 (15 pages), 2016. doi

Corps

B. Lossouarn, M. Aucejo, J.-F. Deü, B. Multon, Design of inductors with high inductance values for resonant piezoelectric damping, Sensors and Actuators A: Physical, 259 (1), 68–76, 2017. doi

Corps

E. A. Flores Parra, A. Bergamini, B. Lossouarn, B. Van Damme, M. Cenedese, P. Ermanni, Bandgap control with local and interconnected LC piezoelectric shunts, Applied Physics Letters, 111 (11), 111902 (5 pages), 2017. doi

Corps

R. Darleux, B. Lossouarn, J.-F. Deü, Passive self-tuning inductor for piezoelectric shunt damping considering temperature variations, Journal of Sound and Vibration, 432, 105-118, 2018. doi

Domaines d'application