Academic literature on the topic 'Couches viscoélastiques'

La problématique du bruit et des vibrations est cruciale en matière de santé et de sécurité du travail. Plusieurs études ont déjà été entreprises afin de lutter contre le bruit engendré par des machines vibrantes. L'amortissement vibratoire actif est une nouvelle technique qui combine un principe passif (viscoélastique contraint) à un principe actif (actionneur piézocéramique) pouvant être utilisée afin de réduire le bruit nuisible généré par des structures vibrantes. L'amortissement actif consiste à interposer un matériau viscoélastique entre une structure présentant des problèmes de vibrations et un actionneur piézocéramique. Dans un premier temps, un modèle analytique d'une poutre ayant des conditions limites quelconques et traitée à l'aide d'un dispositif partiel d'amortissement actif est introduit. Ce modèle est utilisé pour optimiser différents paramètres (type et épaisseur du matériau viscoélastique, type et emplacement du capteur d'erreur). Une validation expérimentale (à l'aide d'une poutre encastrée-libre) confirme la validité du code de simulation analytique. Un calcul de l'amortissement équivalent permet d'étudier les mécanismes de contrôle de l'amortissement actif. Ces mécanismes de contrôle semblent surtout dépendre de la rigidité du matériau viscoélastique utilisé. Une étude expérimentale large bande (0-1600 Hz) sur des poutres traitées par des dispositifs d'amortissement actif montre que l'amortissement actif présente des performances supérieures à un dispositif passif pur (matériau viscoélastique contraint passivement) et à un dispositif actif pur (actionneur piézocéramique sans viscoélastique). De plus, une meilleure identification du système par le contrôleur a été obtenue pour les poutres comportant un matériau viscoélastique. Un contrôleur feed-back numérique adaptatif a été utilisé pour le contrôle vibratoire large bande et les performances ont été évaluées en terme de la vitesse quadratique moyenne des différentes poutres.

Cette thèse propose un formalisme général pour modéliser la propagation des ondes acoustiques dans une multicouche composée de toute combinaison de couches liquides, solides élastiques isotropes et poro-élastiques isotropes, la méthode ayant la flexibilité d'être développée pour inclure d'autres natures de couches. Dans un premier lieu, un algorithme stable est développé, basé sur l'approche récursive de la matrice de rigidité, pour modéliser la propagation d'une onde plane incidente sur la multicouche en fonction de son angle d'incidence et de sa fréquence. Cet algorithme fusionne de manière récursive les matrices de rigidité des couches individuelles de la structure en une matrice de rigidité totale et permet ensuite le calcul des coefficients de réflexion et de transmission, ainsi que les composantes de déplacement et de contrainte à l'intérieur de la multicouche pour chaque direction d'incidence des ondes planes. Deuxièmement, pour modéliser la propagation d'un faisceau délimité d'ondes incidentes, la technique du spectre angulaire est utilisée, basée sur la décomposition de ce faisceau en un spectre d'ondes planes se propageant dans des directions différentes. Par la suite, le faisceau d'onde réfléchi dans le milieu d'incidence et le faisceau d'onde transmis dans le milieu de transmission, ainsi que la distribution des champs (composantes de déplacement et de contrainte) à l'intérieur de la multicouche sont obtenus en superposant la contribution de toutes les ondes planes se propageant dans les différentes directions. Comme application numérique, une tri-couche solide-poreuse-solide immergée dans l'eau est simulée. La réflexion et la transmission qui en résultent, ainsi que les composantes de déplacement et de contrainte dans la multicouche, correspondants à l’onde plane incidente et au faisceau limité incident, révèlent la stabilité du procédé et la continuité des déplacements et des contraintes aux interfaces
This thesis proposes a general formalism to model the acoustic wave propagation in a multilayer consisting of any combination of fluid, isotropic elastic solid, and isotropic poroelastic layers, the method having the flexibility to be extended to include other layer-natures. At a first stage, a stable algorithm is developed, based on the recursive stiffness matrix approach, to model the propagation of a plane wave incident on the multilayer as a function of its incidence angle and frequency. This algorithm merges recursively the structureindividual layers stiffness matrices into one total stiffness matrix and allows then the calculation of the reflection and transmission coefficients, as well as the displacement and stress components inside the multilayer for every incident plane wave direction. Secondly, to model the propagation of a bounded incident wave beam, the angular spectrum technique is used which is based on the decomposition of this beam into a spectrum of plane waves traveling in different directions. The corresponding reflected wave beam in the incidence medium, and the transmitted wave beam in the transmission medium, as well as the fields distributions (displacement and stress components) inside the multilayer are obtained by summing the contribution of all the plane waves traveling in different directions. As a numerical application, a three-layered solid-porous-solid structure immersed in water is simulated. The resulting reflection and transmission as well as the displacement and stress components in the multilayer corresponding to both, the incident plane wave in different directions and the incident bounded beam reveal the stability of the method and the continuity of the displacements and stresses at the interfaces

Dans ce travail, nous étudions l'amortissement passif et l'amortissement actif, qui réduisent les vibrations mécaniques. L'amortissement passif est créé par les structures sandwich constituées d'une couche centrale viscoélastique prise entre deux parements d'acier. L'étude de ces structures pose deux types de problèmes. Le premier est lié à la modélisation : le cisaillement dans la couche centrale viscoélastique étant responsable de l'amortissement, il faut un élément qui le prenne en compte. Nous développons l'élément fini sandwich de type coque : le BRR/Mindlin/BRR basé sur les hypothèses classiques des stratifiés, l'hypothèse de Mindlin dans les trois couches et les conditions de raccords cinématiques aux interfaces. Cet élément à huit nœuds et huit degrés de liberté par nœud. Le second problème est lié aux méthodes numériques : les caractéristiques de la couche viscoélastique dépendant de la fréquence, il faut résoudre un problème aux valeurs propres complexes non-linéaires. Pour obtenir les fréquences complexes et donc l'amortissement, nous proposons deux algorithmes itératifs d'ordre élevé basés sur l'homotopie et la méthode asymptotique numérique. L'un utilise l'inversion de matrices complexes, l'autre l'inversion d'une matrice réelle à tous les ordres et toutes les itérations. L'amortissement actif est réalisé à l'aide d'un capteur et d'un actionneur piézoélectriques ajoutés à une couche élastique ou à une structure sandwich viscoélastique. Pour étudier ces structures, nous utilisons une approche modale, quelques hypothèses et deux lois rétroactives. Cela nous permet d'obtenir une valeur approchée de la fréquence complexe et donc de l'amortissement

Le sujet de cette étude porte sur la caractérisation mécanique en nanoindentation et nanorayure de couches minces polymères. L'objectif est d'améliorer la compréhension du comportement élastique d'un film mince polymère déposé sur un substrat dur. Des essais de nanoindentation et nanorayure sont réalisés sur des couches minces déposées sur différents substrats. Un modèle rhéologique est utilisé afin d'extraire les propriétés élastiques du film seul à partir de la réponse mesurée, correspondant au système {film+substrat}. Un phénomène caractéristique des couches minces polymères est mis en évidence : I'effet enclume. En indentation, il s'exprime de deux façons différentes : une augmentation du module de conservation du film avec la dureté, liée au durcissement du film et une diminution du facteur de perte du film avec la dureté, qui s'explique par I'augmentation de la température de transition vitreuse. En rayure, cet effet se manifeste par une augmentation des propriétés mécaniques du film. Au cours de cette étude, la présence de contraintes résiduelles, majoritairement d'origine thermique, est mise en évidence. Une méthode de détermination des contraintes résiduelles d'un film mince polymère est présentée Une interprétation de l’effet enclume est proposé. Celui-ci correspond à la mise en pression d'un film mince confiné entre I'indenteur en diamant et le substrat dur. Ses propriétés mécaniques augmentent avec la pression hydrostatique. Ce phénomène est d'autant plus sensible pour des films de faible épaisseur (<50 µm) dont les propriétés mécaniques sont nettement inférieures à celles du substrat Une étude en température montre que les courbes isothermes du module de conservation en fonction de la pression, sont décalées. L'effet enclume peut alors être décrit par une courbe unique, en appliquant les constantes additives déterminée pour une température de référence donnée. Il en est de même pour le facteur de perte du film. Enfin, les conséquences de I' effet enclume sur les propriétés d'usage des revêtements polymères sont étudiées : la résistance à la rayure et I'adhérence sur le substrat. Une application fondamentale des couches minces est étudiée : les revêtements multicouches. Il semble que I'effet enclume soit un phénomène à considérer afin d'améliorer la résistance à la rayure d'un revêtement mono ou multicouche. Les résultats obtenus sur les couches minces permettent de choisir deux formulations, de type topcoat et basecoat, afin de former un revêtement bicouche performant. Nous avons montré que la présence d'un primaire d'adhérence mou entre un topcoat et un substrat dur permet d'améliorer la performance à la rayure du revêtement final
The topic of this study was to mechanically characterize in nanoindentation and nanoscratch thin polymers layers. The goal is to improve the understanding of thin polymer layer elastic behavior laid on hard substrate. Tests in nanoindentation and nanoscratch were done on thin polymer films laid on different substrates. A rheologic model was used in order to extract the film elastic properties from the measured value linked to {film+substrate}. A specific behavior of thin polymer film has been identified: the anvil effect. In indentation, it is observed in two different ways : increase of the conservation film modulus with the hardness, linked to the film hardening, and decrease of the loss tangent with the hardness, which is explained by increasing the vitreous transition temperature. In scratch test, this effect is related to the increase of the film mechanical properties. Nanoindentation tests have highlighted residual stresses, mainly thermal driven. A new methodology to characterize those residual stresses for a thin polymer film was presented. An interpretation of the anvil effect is proposed. This effect is linked to thin layer pressurized, confined between diamond indenter and hard substrate. Its mechanical properties grow with hydrostatic pressure. This phenomenon is greater for thin layers (< 50μm) with lower mechanical properties than those of the substrate. A logarithmic type evolution law is proposed. A temperature study show isothermal curves of the conservation modulus with the pressure are shifted. The anvil effect can be described by a unic curve, applying additive constants determined at a given reference temperature. It is the same for the film loss tangent. Moreover, the consequences of the anvil effect on the use properties of polymer coating are analyzed: scratch resistance and the adhesion to substrate. A fundamental application of thin film was studied multilayer coatings. It seems that anvil effect is a phenomenon to consider for improvement of mono or multilayer coating scratch resistance. The results obtained on thin layers allow to choose two mix of basecoat and topcoat in order to have an improved bilayer. We have demonstrated that a basecoat between the topcoat and the hard substrate allow an improved scratch resistance of the final coating

De récents travaux ont montré une relation directe entre le comportement cellulaire (adhésion et prolifération) et les propriétés viscoélastiques du substrat sur lequel des cellules vivantes ont été déposées. La technique de dépôt « LBL » permet d’élaborer différents types de films multicouches de polyélectrolytes à épaisseur contrôlée, présentant des applications potentielles importantes dans le domaine biomédical. Le but de mes travaux a été la mise au point de films fonctionnalisés aux propriétés contrôlées en termes de biocompatibilité, de viscoélasticité et de rigidité. La technique de nanoindentation au microscope de force atomique nous a permis de caractériser des films multicouches élaborés à partir de deux polyélectrolytes différents. Les résultats ont montré que les films à croissance exponentielle tels que (PLL/HA)24 et (CHI/HA)24 présentent un module de Young de moins de 10-20 kPa par rapport aux films à croissance linéaire tels que (PSS/PLL)24 et (PSS/PAH)210 pour lesquels il vaut respectivement environ 50 kPa et plus de 500 kPa. Nous avons également mesuré l’effet de la réticulation chimique sur l’élasticité des films (PLL/HA)24. Il en ressort que le module de Young des films (PLL/HA)24 augmente avec la concentration en agent réticulant, jusqu’à une valeur plateau de l’ordre de 400 kPa. Ces résultats ont pu être corrélés à l’adhésion, la viabilité et l’étalement cellulaire de chondrocytes. Nous avons ensuite étudié des films composés de deux strates construites à partir de deux paires de polyélectrolytes différents : une strate épaisse et molle, (PLL/HA)24, et une strate très mince et dure, (PSS/PAH)n. Nos mesures ont montré que la rigidité des films (PLL/HA)24-(PSS/PAH)n-PSS augmente avec le nombre n de bicouches déposées. Elle passe ainsi de quelques kPa pour n = 0 à plus de 700 kPa pour n = 24. Cette étude a été étendue à d’autres systèmes possédant la même strate basale (PLL/HA)24 mais couverte d’une seconde strate différente : (PLL/PGA)6, (PLL/PGAmannose)6, (PLL/PGAlactose)6 et (PSS/PAH)6. Cette étude a révélé une grande variabilité de la rigidité du système en fonction de la nature chimique de la seconde strate. L’utilisation de plusieurs modèles viscoélastiques pour interpréter les courbes de force mesurées sur les films couverts par (PSS/PAH) nous a permis de montrer que ceux-ci peuvent être assimilés à un système mécanique comportant un ressort, deux unités de Kelvin (un ressort et un piston montés en parallèle) et un piston associés en série. Enfin nous avons étudié des films constitués de PLL et d’un mélange de polyanions [HAx/PSS1-x] où x représente la fraction molaire en monomères dans la solution de polyanions. L’étude par ellipsométrie a révélé le passage par un minimum d’épaisseur de ces films pour des fractions molaires respectives en HA et PSS de 0,9 et 0,1. Par ailleurs, l’analyse de ces films par spectroscopie infrarouge a montré que ceux-ci sont fortement dopés en PSS, même pour des concentrations très faibles de ce polyélectrolyte en solution. Ceci peut s’expliquer par une plus grande affinité de la PLL pour le PSS que pour le HA. L’étude des propriétés mécaniques de ces films par nanoindentation a montré une corrélation entre le module d’Young et le dopage réel du film en PSS.

Les matériaux composites biosourcés sont de plus en plus utilisés dans différents secteurs pour leurs intérêts, notamment, environnementaux. L’objectif de cette thèse est l'étude de l'effet de l'intégration d'un matériau fonctionnel, une couche viscoélastique sur le comportement mécanique (en statique, en fatigue, en vibration et à l’impact ; température) d'un composite biosourcé. Les matériaux considérés sont constitués de fibres courtes de lin associées à un biopolymère Acide Poly-Lactique (PLA). Une couche viscoélastique en polyuréthane thermoplastique (TPU) est intégrée à ces composites. Ils sont élaborés par la fabrication additive en impression 3D. Tout d’abord, les caractéristiques élastiques et à la rupture du composite Lin/PLA et des composites avec couches viscoélastiques sont déterminées en traction et en flexion. Ensuite, une analyse approfondie de ses caractéristiques en fonction de l’épaisseur et de la séquence d’empilement des couches viscoélastiques est réalisée en statique, en fatigue et en vibration. Le comportement en statique est ici analysé, en mettant l’accent sur l’efficacité de l’intégration de la couche viscoélastique. Par la suite, des essais de fatigue jusqu'à rupture et des essais cycliques avec paliers de chargement sont réalisés. L'évolution de la raideur et du coefficient d'amortissement en fonction du nombre de cycles et des conditions de chargement est analysée pour les composites avec et sans couche viscoélastique. Les essais vibratoires sont réalisés afin d’analyser les propriétés modales des composites. Le module de Young et le facteur de perte sont déterminés aux pics de résonance en fonction de la fréquence et ont permis d’évaluer l’efficacité de la couche viscoélastique en termes d’amortissement des vibrations. L’effet de la variation de la température sur le comportement mécanique de tous les composites est réalisé en statique, en fatigue et vibration. Les résultats obtenus des différents essais montrent que les caractéristiques mécaniques dépendent fortement de la température. Cet effet est beaucoup plus prononcé dans les composites en présence de couches viscoélastiques. Une dernière partie de ce travail est relative à l’étude de l’effet de la résistance à l'impact des composites sous différents niveaux d’énergies. L'analyse des dommages internes et externes montre que les composites avec couches viscoélastiques présentent une meilleure capacité d'absorption de l'énergie malgré une déformation plus importante que celle des composites sans couches viscoélastiques
Bio-based composites are increasingly used in various sectors due to their environmental benefits. The objective of this thesis is to study the effect of integrating a functional material, a viscoelastic layer, on the mechanical behavior (in static, fatigue, vibration, and impact; temperature) of a bio-based composite. The materials considered consist of short flax fibers combined with a polylactic acid (PLA) biopolymer. A viscoelastic layer of thermoplastic polyurethane (TPU) is integrated into these composites. They are produced through additive manufacturing using 3D printing. First, the elastic and fracture characteristics of the flax/PLA composite and the composites with viscoelastic layers are determined in tension and bending. Then, an in-depth analysis of their characteristics based on the thickness and stacking sequence of the viscoelastic layers is conducted in static, fatigue, and vibration scenarios. The static behavior is analyzed, focusing on the effectiveness of integrating the viscoelastic layer. Next, fatigue tests up to failure and cyclic tests with loading increments are performed. The evolution of stiffness and damping coefficient as a function of the number of cycles and loading conditions is analyzed for composites with and without viscoelastic layers. Vibration tests are conducted to analyze the modal properties of the composites. The Young's modulus and loss factor are determined at resonance peaks based on frequency, allowing evaluation of the effectiveness of the viscoelastic layer in damping vibrations. The effect of temperature variation on the mechanical behavior of all composites is studied in static, fatigue, and vibration scenarios. The results of the various tests show that the mechanical characteristics are highly dependent on temperature. This effect is more pronounced in composites with viscoelastic layers. The final part of this work examines the impact resistance of the composites under different energy levels. Analysis of internal and external damage shows that composites with viscoelastic layers have better energy absorption capacity but higher deformation levels compared to composites without viscoelastic layers

L’objectif de ce travail est de développer des outils numériques utilisables dans la détermination de manière exacte des propriétés modales des structures sandwichs viscoélastiques composites au vue de la conception des structures sandwichs viscoélastiques légères mais à haut pouvoir amortissant. Pour cela nous avons tout d’abord développé un outil générique implémenté en Matlab pour la détermination des propriétés modales en vibration libre des plaques sandwichs viscoélastiques dont les faces sont en stratifié de plusieurs couches orientées dans diverses directions. L’intérêt de cet outil, basé sur une formulation éléments finis, réside dans sa capacité à prendre en compte l’anisotropie des couches composites, la non linéarité matérielle de la couche viscoélastique traduit par diverses lois viscoélastiques dépendant de la fréquence ainsi que diverses conditions aux limites. La résolution du problème aux valeurs propres non linéaires complexes se fait par le couplage entre la technique d’homotopie, la méthode asymptotique numérique et la différentiation automatique. Ensuite pour permettre une étude continue des effets d’un paramètre de modélisation sur les propriétés modales des sandwichs viscoélastiques, nous avons proposé une méthode générique de résolution de problème résiduel non linéaire aux valeurs propres complexes possédant en plus de la dépendance en fréquence introduite par la couche viscoélastique du coeur, la dépendance du paramètre de modélisation qui décrit un intervalle d’étude bien spécifique. Cette résolution est basée sur la méthode asymptotique numérique, la différentiation automatique, la technique d’homotopie et la continuation et prend en compte diverses lois viscoélastiques. Nous proposons après cela, deux formulations distinctes pour étudier les effets, sur les propriétés amortissantes, de deux paramètres de modélisation qui sont importants dans la conception de sandwichs viscoélastiques à haut pouvoir amortissement. Le premier est l’orientation des fibres des composites dans la référence du sandwich et le second est l’épaisseur des couches qui lorsqu’elles sont bien définies permettent d’obtenir non seulement des structures sandwichs à haut pouvoir amortissant mais très légères. Les équations fortement non linéaires aux valeurs propres complexes obtenues dans ces formulations sont résolues par la nouvelle méthode de résolution d’équation résiduelle développée. Des comparaisons avec des résultats discrets sont faites ainsi que les temps de calcul pour montrer non seulement l’utilité de ces deux formulations mais également celle de la méthode de résolution d’équations résiduelles non linéaires aux valeurs propres complexes à double dépendance
Modeling and design of composite viscoelastic structures with high damping powerThe aim of this thesis is to develop numerical tools to determine accurately damping properties of composite sandwich structures for the design of lightweight viscoelastic sandwichs structures with high damping power. In a first step, we developed a generic tool implemented in Matlab for determining damping properties in free vibration of viscoelastic sandwich plates with laminate faces composed of multilayers. The advantage of this tool, which is based on a finite element formulation, is its ability to take into account the anisotropy of composite layers, the material non-linearity of the viscoelastic core induiced by the frequency-dependent viscoelastic laws and various boundary conditions . The nonlinear complex eigenvalues problem is solved by coupling homotopy technic, asymptotic numerical method and automatic differentiation. Then for the continuous study of a modeling parameter on damping properties of viscoelastic sandwichs, we proposed a generic method to solve the nonlinear residual complex eigenvalues problem which has in addition to the frequency dependence introduced by the viscoelastic core, a modeling parameter dependence that describes a very specific study interval. This resolution is based on asymptotic numerical method, automatic differentiation, homotopy technique and continuation technic and takes into account various viscoelastic laws. We propose after that, two separate formulations to study effects on the damping properties according to two modeling parameters which are important in the design of high viscoelastic sandwichs with high damping power. The first is laminate fibers orientation in the sandwich reference and the second is layers thickness which when they are well defined allow to obtain not only sandwich structures with high damping power but also very light. The highly nonlinear complex eigenvalues problems obtained in these formulations are solved by the new method of resolution of eigenvalue residual problem with two nonlinearity developed before. Comparisons with discrete results and computation time are made to show the usefulness of these two formulations and of the new method of solving nonlinear complex eigenvalues residual problem of two dependances

Une modélisation de la courbure d'une dalle bicouche armée est présentée. La première couche est formée d'un matériau armé stable en voile de verre, à comportement élastique linéaire. La seconde est une couche en "matières plastiques" à base de FVC, dont le comportement est viscoélastique. L'instabilité de la structure est due au retrait induit dans la couche viscoélastique après la fabrication. Le modèle utilisé est le Modèle Multiphasique des Matériaux Multicouches appelé "modèle M4". Il propose une modélisation alternative des structures multicouches, par rapport aux deux grands courants, bidimensionnels et tridimensionnels. Une solution analytique, à coût numérique réduit, est proposée. Le comportement de la couche viscoélastique est identifié à un modèle de Zener. Les différentes caractéristiques du modèle sont déterminées, en se basant sur des séries d'essais expérimentaux simples, inspirés par le comportement réel du matériau. Le problème à résoudre est donc celui de l'évolution de la géométrie de ce bicouche (Elastique - Viscoélastique) avec le temps, ainsi que le rôle de chaque paramètre dans cette évolution.