Characterization by inverse vibration problem of the damping present in a foam-plate sandwich structure with different types of contact at the interface
Caractérisation par problème inverse de l’amortissement présent dans une structure sandwich mousse-plaque avec différents types de contact à l’interface
Résumé
The new ecological constraints require a rethink of the vehicles of tomorrow. One of the challenges facing car manufacturers and suppliers is to make vehicles lighter. One approach is to rethink the trim foams and their locations, normally present for acoustic comfort, to dissipate the vibratory energy of car bodies instead of devices added to the sheets.In two-layered "steel plate - porous material" structures, the damping phenomena (external, internal or interface) and their associated models (viscous, hysterical, frictional, ...) are multiple, with a significant space and frequency dependence. In this thesis, the parameters usually used to describe energy dissipation in a structure (damping coefficient and rate, loss factor, ...) are defined to highlight the possible equivalences between the different dissipation models. Thus, an equivalent loss factor is used to define the local damping of a bilayer structure whatever the dissipation phenomenon. To identify this parameter, experimental techniques are presented, with a focus on Inverse Resolution methods (IR, RIFF, RIC, RIB). This type of method is particularly useful for characterising the parameters of bilayer structures locally. A combination of two of these methods allows to increase the identification frequency band. To validate the approach used, an academic structure (bi-pinned beam) simulated with different damping elements (viscous dampers, friction pads) allows to highlight the influence of these elements in the frequency domain and in space. In addition, these numerical results provide a basis for comparison to understand which damping mechanisms are involved in real systems. A measurement bench using a laser vibrometer to measure the displacement field of a steel support plate covered with foam for different interface contacts (glued or laid foam) is presented. This allows the equivalent loss factor to be quantified using the inverse resolution method. In the case of glued foam, the comparison of the equivalent loss factor with its evaluation by finite elements shows that the viscoelastic effect of the foam is the main physical phenomenon responsible for vibration damping. However, in the case of a laid foam, the experimental equivalent loss factor describes a very different behaviour of the structure, which leads to a more difficult to understand mechanism. High-speed camera recordings allow us to observe the possible friction or rebound at the foam-plate interface, which has a significant influence on the energy dissipated in very low frequency ranges, complementing the viscoelastic behaviour of glued foams. This leads to the conclusion that the complementary damping phenomena of laid and glued foams can be considered in the design of the vehicle by optimising their location with respect to the frequency domains in which they should act.
Les nouvelles contraintes écologiques nécessitent de repenser les véhicules de demain. Un des défis des constructeurs et équipementiers automobiles est l’allègement des véhicules. Une approche est de repenser les mousses d’habillage et leurs emplacements, normalement présentes pour le confort acoustique, pour dissiper l’énergie vibratoire des caisses automobiles à la place de dispositifs ajoutés sur les tôles.Dans des structure bicouches « plaque acier - matériau poreux », les phénomènes d’amortissement (externe, interne ou d’interface) et leurs modèles (visqueux, hystériques, frottement, …) associés sont multiples, avec une dépendance en espace et en fréquence importante. Dans cette thèse, les paramètres usuellement utilisés pour décrire la dissipation d’énergie dans une structure (coefficient et taux d’amortissement, facteur de perte, …) sont définis pour mettre en avant les équivalences possibles entre les différents modèles de dissipation. C’est ainsi qu’un facteur de perte équivalent est utilisé pour définir l’amortissement local d’une structure bicouches quel que soit le phénomène de dissipation. Pour identifier ce paramètre, des techniques expérimentales sont présentées, avec une focalisation vers les méthodes de Résolution Inverse (RI, RIFF, RIC, RIB). Ce type de méthode est particulièrement pratique pour caractériser localement les paramètres de structures bicouches. Une combinaison de deux de ces méthodes permet d’augmenter la bande de fréquences d’identification. Pour valider l’approche utilisée, une structure académique (poutre bi-appuyée) simulée avec différents éléments d’amortissement (amortisseurs visqueux, frotteurs) permet de mettre en avant l’influence de ces éléments dans le domaine fréquentiel et dans l’espace. De plus, ces résultats numériques apportent une base de comparaison pour comprendre quels mécanismes d’amortissement interviennent dans des systèmes réels. Un banc de mesure utilisant un vibromètre laser pour mesurer le champ de déplacement d’une plaque support en acier surmontée d’une mousse pour différents contacts à l’interface (mousse collée ou posée) est présenté. Celui-ci permet de quantifier le facteur de perte équivalent à l’aide de la méthode de résolution inverse. Dans le cas d’une mousse collée, la comparaison du facteur de perte équivalent avec son évaluation par éléments finis permet de démontrer que l’effet viscoélastique de la mousse s’avère être le phénomène physique principal responsable de l’amortissement des vibrations. En revanche dans le cas d’une mousse posée, le facteur de perte équivalent expérimental décrit un comportement de la structure très différent, ce qui induit un mécanisme plus difficile à comprendre. Des enregistrements par une caméra rapide permettent d’observer le frottement ou rebond possible à l’interface mousse-plaque, ce qui influe de manière non négligeable sur l’énergie dissipée dans des gammes de fréquences très basses, en complémentarité avec le comportement viscoélastique des mousses collées. Cela permet de conclure que les phénomènes complémentaires d’amortissement de mousses posées et collées peuvent être envisagés dès la conception du véhicule en optimisant leur emplacement par rapport aux domaines fréquentiels où ils doivent agir.
Origine : Version validée par le jury (STAR)