Metamaterials application to automotive vibroacoustics issues
Application de métamatériaux aux problématiques vibroacoustiques automobiles
Résumé
Metamaterials are architectured materials exhibiting exotic properties due to their internal stucture rather than their constitutive material. They have now been studied for two decades, but have yet to make their mark outside laboratories, especially for industrial applications. This thesis focuses on elastic metamaterials that can contribute to fix vibration issues in the automotive field. Better isolation of the main vibration sources would increase both the vibroacoustic comfort in the vehicles and the safety of mechanical parts. Through computations and experimentations, it is shown that metamaterials can be designed to meet different criteria usually contradictory and as such, are strong candidates for innovative breakthroughs in industry. As this kind of solutions differs radically from existing ones, the first chapter is a state-of-the-art review, both to grasp the main mechanims behind the multitude of metamaterials designs that can be found in the literature, as well as the methods used to modelize them. The second chapter tackles the characterization of the materials used along this thesis. The mechanical tests and results presented allow to determine the material models then inserted in the computations. Through preliminary computations, the third chapter attempts to understand and select the most promising mechanisms to satisfy the expected specifications. The chosen design properties are further investigated in the fourth chapter, through static and dynamic computations, as well as parametric studies. A hybrid metamaterial with enhanced isolation properties is proposed. To finally assess the numerical results obtained and reach better undestanding of the underlying mechanisms, the fifth chapter deals with the performed experimental tests, their analysis, and their comparison with previous results.
Les métamatériaux sont des matériaux architecturés de telle sorte qu’ils présentent des propriétés exotiques, issues non pas du matériau constitutif, mais de leur structure interne. Bien qu’ayant été étudiés depuis une vingtaine d’années, peu d’applications réelles ont été recensées, notamment dans le domaine industriel. Cette thèse est consacrée aux métamatériaux élastiques susceptibles de réduire les vibrations dans les véhicules automobiles. En effet, une meilleure isolation des principales sources vibratoires permettrait l’amélioration du confort vibratoire et la durée de vie des pièces mécaniques. Les résultats de calculs numériques et essais expérimentaux montrent que les métamatériaux peuvent satisfaire des contraintes contradictoires, et représentent donc des candidats intéressants pour la réalisation d’innovations industrielles. Ce type de solutions étant fondamentalement différent des systèmes d’isolation actuels, le premier chapitre dresse un état de l’art des métamatériaux, afin d’en comprendre les mécanismes et les méthodes numériques permettant d’en calculer les performances. Le deuxième chapitre aborde les techniques de caractérisation des matériaux employées pendant cette thèse. Les essais mécaniques ainsi que les résultats permettent de définir les modèles matériaux utilisés par la suite. Dans le troisième chapitre, des calculs numériques appliqués à différentes architectures aident à mieux comprendre certains mécanismes des métamatériaux et à choisir le meilleur candidat vis-à-vis des propriétés ciblées. Celui-ci est approfondi dans le quatrième chapitre, à travers des études paramétriques statiques et dynamiques. Des propositions d’améliorations géométriques sont proposées, y compris un métamatériau hybride aux propriétés supérieures. Afin de vérifier les résultats expérimentaux et d’acquérir une meilleure compréhension des mécanismes sous-jacents, le cinquième chapitre aborde finalement les essais expérimentaux effectués, l’analyse de leurs résultats, et leur confrontation avec les résultats numériques.
Origine : Version validée par le jury (STAR)