Multi-modal propagation through finite elements applied for the control of smart structures

• Main Author: Huang, Tianli
• Other Authors: Ecully, Ecole centrale de Lyon
• Language: en
• Published: 2012
• Subjects: Propagation d'ondes; Piézoélectricité; Contrôle semi-actif; Diffusion d'énergie; Wave propagation; Wave finite element; Piezoelectricity; Semi active control; Energy diffusion
• Online Access: http://www.theses.fr/2012ECDL0041/document

Le sujet de thèse concerne l’analyse de la propagation des ondes dans les structures complexes et leurs exploitations pour le contrôle semiactif et le contrôle de santé de structures intelligentes. Les structures composites munies de patches piézoélectriques sont la cible principale des investigations. Les patches piézoélectriques sont disposés avec une périodicité. Des travaux précédents ont montré l’intérêt de ce type de configuration pour l’amortissement actif de modes de structures en basses fréquences. L’objectif principal de cette thèse est l’extension de ces constatations dans une bande de fréquences plus large : basses et moyennes fréquences. La maîtrise des paramètres de propagation et de diffusion des ondes est la finalité recherchée. Dans ce cadre, les travaux proposés se baseront sur une technique particulière développée au sein de l’équipe Dynamique des Systèmes et des Structures: la technique WFE (Wave Finite Element), Ondes par éléments finis. Cette approche, construite à l’aide d’un modèle éléments finis d’une cellule représentative de l’essentiel des paramètres de propagation et de diffusion des ondes dans les structures. Elle a été validée sur des cas simples de structures, principalement isotrope monodimensionnel. La modélisation dans ce cas des sandwichs plaques composites munies de couches piézoélectriques sera opérée. Des simulations numériques poussées seront effectuées afin de cerner le cadre d’application de la WFE pour ce type de structures. Des optimisations pourront être réalisées avec ces outils numériques afin d’obtenir des paramètres géométriques et électriques optimaux dans la conception des structures intelligentes. Les travaux de cette thèse sont intégrés dans le projet CALIOP en collaborant avec le laboratoire de Mécanique Appliquée R.Chaléat de l’Institut FEMTOSTet G.W. Woodruff School of Mechanical Engineering de Georgia Institute of Technology. === The analysis of wave propagation in complex structures and its application for the semi-active control of smart structures and health monitoring of these structures are dealt with in this thesis. The design of composite structures with shunted piezoelectric patches is one of the main objectives of all the investigations. This kind of smart composite structures is equipped with periodically distributed shunted piezoelectric patches. Former studies have shown the great interest of such a configuration for the active damping of structural modes at low frequencies. This thesis is focused on the extension of all these interesting characteristics of the smart structures to a larger frequency band: low and medium frequencies. The mastering of the propagation parameters and energy diffusion characteristics is targeted. In this context, the proposed work is based on techniques specifically developed in the research team "Dynamics of Systems and Structures"(D2S): the Wave Finite Element (WFE) method and Diffusion Matrix Model(DMM). The WFE approach is constructed via the finite element model of a unit cell, representative of the waveguide structure. It enables the calculation of essential wave propagation parameters like wavenumbers. The DMM, associated with the WFE approach, enables the calculation of energy diffusion characteristics like reflection and transmission coefficients of specific wave modes. These approaches are extended to consider shunted piezoelectric elements and then to evaluate the performance of shunted piezoelectric patches on the control of wave propagation in the aforementioned smart composite structures. Intensive optimizations can be carried out, with these tools, so as to obtain optimal geometric and electric parameters in the design of these smart structures. The present work is integrated in the CALIOP project in cooperation with the Laboratory of Applied Mechanics R.Chaléat at FEMTO-ST Institute and the G.W. Woodruff School of Mechanical Engineering of Georgia Institute of Technology.