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H/F Proposition de Thèse : Implémentation d'une zone d'invisiblité vibratoire dans une plaque avec un métamatériau programmable

Cette offre est disponible dans les langues suivantes :
Français - Anglais

Date Limite Candidature : jeudi 26 mai 2022

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Informations générales

Référence : UMR5513-MANCOL-001
Lieu de travail : ECULLY
Date de publication : jeudi 5 mai 2022
Nom du responsable scientifique : Manuel Collet
Type de contrat : CDD Doctorant/Contrat doctoral
Durée du contrat : 36 mois
Date de début de la thèse : 5 septembre 2022
Quotité de travail : Temps complet
Rémunération : 2 135,00 € brut mensuel

Description du sujet de thèse

La réalisation d'une zone d'invisibilité pour des ondes de plaque est complexe et nécessite différentes approximations. L'approche active utilise un ensemble de sources multipolaires discrètes réparties dans l'espace. Lorsque les positions et les amplitudes des sources sont soigneusement spécifiées, le champ actif interfère de manière destructive avec l'onde harmonique incidente de manière à annuler le champ total dans un sous-domaine fini et à garantir que dans le champ lointain, seule l'onde incidente est présente, c'est-à-dire que le champ actif n'est pas - rayonnant. La méthodologie nécessite une mesure du champ de déplacement dans tout le domaine et ne peut être mise en œuvre que pour des réponses harmoniques. Une autre voie consiste à construire un réseau approprié présentant une distribution spatiale effective de masse surfacique et de rigidité en flexion pour approximer l'équation théorique de masquage. Dans la plupart des articles abordant la conception de zone d'invisibilité pour les ondes linéaires, une transformation spatiale de l'équation de plaque en repère axisymétrique est utilisée mais introduit des singularités aux interfaces de raccordement. De telles approches peuvent donner de bons résultats pour les modèles théoriques et numériques de milieux continus mais introduisent de fortes difficultés pour les implémentations pratiques. En particulier, non seulement la transformation conduit à des vitesses d'onde infinies sur la frontière intérieure de la zone protégée, mais aussi l'utilisation d'un matériau de synthèse caractérisé par une forte anisotropie en rigidité mais aussi en termes inertiels complexes. Une structure en treillis, au lieu d'un continuum, peut être utilisée pour créer une approximation de l'invisibilité. Un avantage significatif des réseaux est qu'ils introduisent naturellement des contrastes élevés dans leur comportement, donc potentiellement une forte anisotropie. Cependant, une cape d'invisibilité discrète radiale qui s'adapte à l'intérieur d'un anneau circulaire ne correspondrait à aucun réseau périodique, et la présence d'un décalage géométrique sur la frontière de l'interface conduit à un décalage substantiel dans les conditions aux limites de l'interface.
La thèse portera sur l'étude d'une nouvelle approche qui consistera à ajuster la le domaine de traitement avec réseau intégrée de cellules électro actives..
Comme démontré précédemment dans différents travaux, on peut ajuster la rigidité en flexion effective d'une cellule de plaque composite piézoélectrique en ajustant les caractéristiques d'un circuit de shunt. Différentes applications ont été faites pour la stabilisation multimodale, la réflexion des ondes ou la focalisation d'ondes dans des plaques. La programmation numérique des shunts électriques synthétiques ouvre la voie à la mise en œuvre d'une fonction de gradient et/ou adaptative surpassant les circuits standards. Sur la base de cette capacité à programmer un comportement électromécanique efficace, cette thèse vise à étudier la mise en œuvre d'un gradient de contrôle de shunts capable de produire la variation nécessaire de la masse volumique et de la rigidité effectives pour synthétiser l'approximation du comportement souhaité tel que proposé dans la littérature.
La thèse portera sur la conception de ce système innovant à deux niveaux d'échelle pour une mise en œuvre continue et discrète.Elle peut être décomposée en :
1. Conception et optimisation du comportement du gradient continu permettant d'établir une zone d'invisibilité carrée dans une large bande de fréquence pour une plaque infinie.
2. Sur la base de la masse et du coefficient de rigidité effectif, la deuxième étape se concentrera sur la conception de cellules piézoélectriques unitaires locales capables de produire ce comportement spécifique en utilisant une fonction de shunt appropriée. La cellule de conception et la stratégie de contrôle spécifiée seront utilisées par d'autres partenaires pour la réalisation d'un prototypes et des tests de caractérisation.
3.La première étape de ce travail concerne la modélisation du cloaking sur une structure continue tandis que la deuxième étape concerne le développement technologique de cellules piézoélectriques "discrètes" permettant d'influencer les caractéristiques mécaniques locales d'une structure composite (masse et rigidité). Les développements du point 2 ne peuvent donc apporter qu'une solution "technologique" au point 1 de manière approximative et discrète. Le 3ème point de ce travail de recherche s'intéressera donc à la quantification des incertitudes et approximations apportées par la solution technologique discrète par rapport au problème théorique continu étudié au point 1. Les aspects de robustesse de cette solution seront étudiés afin d'estimer la validité des solutions technologiques proposées à base de cellules piézoélectriques incluses dans une structure méta-composite adaptative.
4. Les outils produits et les modèles améliorés seront réalisés dans une boucle de processus itérative entre les calculs et les tests pour améliorer la conception électromécanique des cellules, la contrainte de programmation et la sensibilité des paramètres. Cette analyse fait partie des résultats visant à développer une méthodologie de conception intégrée basée sur la confrontation calculs/essais.

Contexte de travail

Les matériaux adaptatifs sont des matériaux avec des propriétés de couplage particuliers renforçant leurs capacités d'adaptation par rapport aux matériaux classiques (détection ou actionnement dans ce projet du fait de l'utilisation de matériaux piézoélectriques). Ils peuvent ainsi agir directement sur leur environnement et améliorer les propriétés globales de la structure dans laquelle ils sont intégrés (durabilité, efficacité, réponse instantanée aux stimuli de l'environnement). Les composites, quant à eux, sont des matériaux clés pour de nombreux domaines (transports, aéronautique, énergies renouvelables, etc.). Ils répondent au besoin d'allègement des pièces tout en conservant d'excellentes propriétés mécaniques. La combinaison de ces deux technologies permet l'émergence de "super" matériaux aux propriétés structurales contrôlables : les méta-composites adaptatifs qui possèdent de nouvelles propriétés personnalisées, développées selon un cahier des charges fonctionnel.
Les défis technologiques associés à ces matériaux et à leur utilisation dans les structures sont bien identifiés et ont le potentiel de répondre aux grands défis sociétaux et aux Objectifs de Développement Durable de l'Agenda 2030 adopté aux Nations Unies. Ces défis concernent, d'une part, l'augmentation de la durabilité des structures composites et, d'autre part, leurs méthodologies de conception robustes. Le projet ASTRIA vise à ouvrir la voie vers des outils d'aide à la décision pour maîtriser la conception robuste de structures complexes contrôlables, multiphysiques et multiéchelles telles que les structures méta-composites adaptatives à base de matériaux piézoélectriques. L'exemple choisi concerne la mise en œuvre de zone d'invisibilité vibratoire sur une plaque continue par des métamatériaux programmables.

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