Passive vibration control by using Nonlinear Energy Sink absorbers. Theoretical study and experimental investigations
Contrôle passif de vibrations à l’aide d’absorbeurs. Étude théorique et investigations expérimentales
Résumé
Passive vibration control methods using linear dampers have been largely studied and investigated, and they have nowadays a broad range of applications.
However, linear dampers are efficient when tuned to the specific frequency to control but present substantial limitations when applied to primary systems with uncertainties on the modal parameters or to systems having a natural frequency that may vary with external forcing.
In this thesis the vibration mitigation in mechanical systems by means of a Nonlinear Energy Sink absorber is studied. The phenomenon governing the physics of this kind of device is referred to as Targeted Energy Transfer and it consists in an irreversible energy transfer from the primary system
to the NES where the energy is then dissipated. This energy transfer may occur over a broad range of frequencies with no need for the NES to be tuned to a specific one.
The dynamics of a first type of NES called Vibro-Impact Nonlinear Energy Sink (VI-NES) is experimentally investigated via a harmonically forced single-degree-of-freedom linear oscillator to which a VI-NES is attached. A Targeted Energy Transfer from the LO towards the VI-NES is experimentally observed and a significant reduction of the primary system's resonance peak is obtained. The system is analytically studied by means of the Multiple Scales method and the nonlinear behavior experimentally observed is theoretically explained.
The second type of NES presented is the Magnetic-Strung NES with energy harvesting. This study adds the energy harvesting aspect to the research on nonlinear vibration absorbers. The system consists in a harmonically forced single-degree-of-freedom linear oscillator to which the MS-NES
is applied. The type of nonlinearity used can be shaped thanks to a magnetic force aptly introduced, allowing the NES to have several possible configurations.
The resulting system is an electro-mechanical system in which the vibration energy of the primary system is absorbed by the NES and subsequently partially dissipated by the viscous damping and partially converted into electrical power. The numerical and experimental studies analyze the
performances of the MS-NES both as an energy absorber and as an energy harvester.
Finally, ideas and perspectives arising from this study are discussed and future work directions are provided.
Les méthodes de contrôle de vibrations passives basées sur des absorbeurs linéaires ont été largement étudiées et ils ont aujourd'hui une vaste gamme d'applications. Cependant, les absorbeurs linéaires n’étant efficaces que lorsqu'ils sont accordés à la fréquence que l'on veut contrôler, ils présentent des limites considérables quand ils sont appliqués à des systèmes possédant des incertitudes sur les paramètres modaux ou ayant une fréquence propre dépendante de la force extérieure. Dans cette thèse la réduction des vibrations dans les systèmes mécaniques à l'aide d'un absorbeur Nonlinear Energy Sink est étudiée. Le phénomène qui gouverne la physique de ce dispositif est appelé pompage énergétique (Targeted Energy Transfer) et il consiste en un transfert irréversible d'énergie du système principal vers le NES, où l’énergie est dissipée. Ce transfert d'énergie peut se produire pour une large gamme de fréquences et sans besoin que le NES ne soit accordé _a une fréquence spécifique.La dynamique d'un premier type de NES appelé Vibro-Impact NonlinearEnergy Sink (VI-NES) est investiguée expérimentalement grâce à un oscillateur linéaire (OL) à un degré de liberté forcé harmoniquement auquel VI-NES est attaché. Le pompage énergétique du OL vers le VI-NES est observé expérimentalement, ce qui a permis d'obtenir une importante réduction du pic de résonance du système principal. Le système est étudié analytiquement à l'aide de la méthode Multi-Echelles et le comportement non-linéaire observé est expliqué théoriquement. Le deuxième type de NES présenté est le Magnetic-Strung NES avec récupération d'énergie. Cette étude ajoute l'aspect lié à la récupération d'énergie au domaine de recherche des absorbeurs non-linéaires. Le système consiste en un oscillateur linéaire (OL) à un degré de liberté forcé harmoniquement auquel le MS-NES est appliqué. La force non-linéaire de rappel peut être modulée grâce à une force magnétique introduite judicieusement, ce qui permet au NES d'avoir plusieurs configurations possibles. Le système résultant est un système électromécanique où l'énergie vibratoire du système principal est absorbée par le NES et est ensuite dissipée en partie par l'amortissement visqueux et convertie en partie en puissance électrique.Les études numérique et expérimentale analysent les performances du MSNES en tant qu'absorbeur d'énergie et en tant que récupérateur d'énergie.Finalement, les idées et les perspectives issues de cette étude sont traitées et les directions pour les travaux futurs sont fournies.
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