Guillaume Robin : Conception de structures à haut pouvoir amortissant, de l’identification des propriétés à l’introduction de filtres vibratoires

Le contrôle et l’atténuation des vibrations constituent un enjeu majeur dans de nombreux secteurs industriels, comme le transport aéronautique, naval, ferroviaire ou automobile, le génie civil et les énergies renouvelables. Les vibrations mécaniques, lorsqu’elles ne sont pas maîtrisées, engendrent des dégradations structurelles, du bruit, une fatigue prématurée des matériaux et une baisse des performances globales. De façon concomitante, la réponse aux enjeux écologiques a pour effet de diminuer de la masse des structures. Dans le secteur de l’automobile notamment, réduire la masse de la structure a deux impacts immédiats en terme écologique : la réduction de la quantité de matière première et la réduction de l’énergie nécessaire pour déplacer la structure. Cependant, d’un point de vu structurel, l’allègement entraine une plus grande sensibilité aux vibrations. Les résonances du système peuvent entrainer sa ruine ou des phénomènes de vibrations non linéaires.

Le contrôle des vibrations assure la réduction globale des bruits et l’amélioration de la durabilité du système. Les paramètres contrôlant la réponse dynamique d’un système sont l’inertie, la rigidité et l’amortissement. La masse et la rigidité du système sont directement liées aux comportements vibratoires. L’amortissement des vibrations est un des moyens pour garantir l’intégrité des systèmes.

Ma démarche scientifique menée durant ces années a eu pour objectif de mieux développer des outils numériques et expérimentaux pour la conception de structures à Haut Pouvoir Amortissant. Deux voies exploratoires sont menées conjointement, le développement de méthodes numériques et l’investigation expérimentale. Le dialogue expérimental / numérique permet de fiabiliser nos méthodes d’identification et de modélisation des propriétés amortissantes. La conception d’une structure repose généralement sur la définition d’une géométrie et un choix de matériaux a priori. Les paramètres géométriques conduisent à la définition d’un prototype numérique de la structure constitué de matériaux pour lesquels un modèle rhéologique (une loi de comportement du matériau) est identifié. Les outils d’analyse modale permettent quant à eux d’identifier les mécanismes d’amortissement.

Le défi est de concevoir des structures à haut pouvoir amortissant répondant aux enjeux sociétaux par la meilleure utilisation possible des ressources et l’avancement des connaissances scientifiques. Mes contributions scientifiques majeures seront présentées :

• L’identification inverse des propriétés amortissantes, appliquée aux structures sandwichs et à des composites biosourcés ;
• La modélisation vibratoire des structures à formes répétitives, visant l’optimisation de la rigidité par gaufrage ;
• Le couplage de l’amortissement passif et de l’effet Band Gap, explorant la conception de sandwichs à cœur périodique et l’introduction de conditions aux limites périodiques.

Nos outils sont basés sur des développements de méthodes numériques et expérimentales. Les méthodes numériques sont issues d’un savoir-faire et d’un développement régulier au sein de l’équipe « Méthodes numériques, instabilités et vibrations » au sein du département MMSV (Méthodes, Modélisation et Simulation en Vibrations) du Laboratoire LEM3 – Laboratoire d’Étude des Microstructures et de Mécanique des Matériaux. La méthode asymptotique numérique (MAN) est une des pierres de fondation de nos solutions numériques. Basée sur des développements de Taylor à des ordres élevés, cette méthode permet de résoudre des problèmes non linéaires. Dans notre cas, le problème vibratoire devient non linéaire par intégration d’une loi de comportement du cœur viscoélastique dépendante en fréquence.

Concernant les moyens expérimentaux, ils s’intègrent dans l’une des trois plateformes technologiques du laboratoire : MécaRhéo – Caractérisation Mécanique et Rhéologie. Un plateau technique est dédié à l’étude des « Vibrations et à la propagation d’onde ». Les moyens expérimentaux offerts à la recherche sont de haute qualité et ont été pensés modulables pour laisser la place au développement de nouveaux montages. Une particularité est de pouvoir solliciter les structures en vibration sous condition thermique.