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Thèse Année : 2022

Development of superelements for multilayered viscoelastic structures

Développement de super-éléments pour les structures multicouches visco-élastiques

Alexandre Berthet
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1259794
  • IdRef : 270276149

Résumé

Due to their damping properties, viscoelastic materials are often used in automotive industry, for example for windscreens. These special components are made of two sheets of glass separated by one or more interlayers of viscoelastic materials. Originally used to avoid projections of fragmented glass in case of crash, experience has shown that these interlayers lighten the amount of vibrations over the windscreen, and consequently the level of sound radiated in the passenger compartment. From this point, viscoelastic materials have become a central element in windscreen design. Nevertheless, mechanical properties of viscoelastic materials are strongly linked to the time/frequency, which involves (i) adapting the computation methods and (ii) knowing the value of these properties at each computation step. Point (i) concerns the manipulation of large numerical models that are mainly reduced through model reduction techniques, which is essential to solve the equations in a reasonable time. However, the presence of viscoelastic materials makes classical reduction tools inadequate. Even if several methods have been developed, they may remain either unsuited for highly damped materials or costly. The second point (ii) deals with confidentiality aspects. The materials constituting the interlayers of windscreens are subject to many patents, which avoids sharing numerical models since properties must be known for any calculations. This thesis is in line with these two issues and proposes an original procedure to build reduced models of mechanical structures made with materials with frequency dependent properties. The damping effects are taken into account through the Golla- Hughes-McTavish method, which returns a larger system of equations but in a conventional form. Then, an algorithm based on the Proper Orthogonal Decomposition allows to substantially reduce the dimensions of the system while keeping the desired accuracy. In doing so, two main objectives can be reached: performing very fast computations, and building so-called superelements, reduced models that can be connected to other numerical models. In both situations, there is no need to know the viscoelastic mechanicalproperties when solving the reduced equations.
De par leurs propriétés d'amortissement, les matériaux viscoélastiques sont souvent employés dans l'industrie automobile. C'est le cas pour les pare-brises qui sont constitués de deux feuilles de verre séparées par une ou plusieurs couches de matériaux viscoélastiques. A l'origine, la présence de ces matériaux visait exclusivement à retenir les bris de verre en cas d'accidents. Avec le temps, on s'est aperçu qu'ils permettaient de réduire les vibrations du pare-brise et par conséquent, le niveau sonore dans l'habitacle. Suite à cela, le pare-brise est devenu un élément central dans la conception acoustique des véhicules. Les propriétés mécaniques des matériaux viscoélastiques varient en fréquence, ce qui implique (i) d'adapter les méthodes numériques généralement utilisées en conception et (ii) de connaître les propriétés mécaniques à chaque pas de fréquence. En effet, les algorithmes classiques ne sont pas adaptés aux systèmes mécaniques composés de matériaux viscoélastiques. D'autres méthodes ont été développées mais peuvent être très coûteuses ou non adaptées à certains matériaux. Par ailleurs, les matériaux utilisés dans les parebrises font l'objet de nombreux brevets, et leurs propriétés sont souvent des données sensibles que l'on ne souhaite pas divulguer. Cette thèse répond à ces deux problématiques en proposant une méthode originale permettant de réduire les modèles numériques de structures complexes avec des propriétés dépendantes de la fréquence. Les effets d'amortissements sont d'abord pris en compte par un modèle de Golla-Hughes-McTavish qui, en ajoutant des nouvelles variables, renvoie un système où les coefficients ne dépendent plus de la fréquence. Ensuite, un algorithme basé sur la Proper Orthogonal Decomposition permet de réduire efficacement la taille du modèle sans perte notable d'information. Cette procédure permet deux choses : un calcul très rapide de réponses en fréquence, et la création de super-éléments, modèles réduits destinés être connectés à d'autres modèles numériques.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04119001 , version 1 (06-06-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04119001 , version 1

Citer

Alexandre Berthet. Development of superelements for multilayered viscoelastic structures. Acoustics [physics.class-ph]. Université de Technologie de Compiègne, 2022. English. ⟨NNT : 2022COMP2720⟩. ⟨tel-04119001⟩
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