Amortissement piézoélectrique pour la réduction des vibrations d’origine hydrodynamique – HYDRAVIB

Le projet HYDRAVIB propose d’utiliser des « shunts piézoélectriques » permettant de coupler la structure mécanique à un circuit électrique destiné à en modifier la dynamique vibratoire. De fines couches de matériau piézoélectrique peuvent être intégrées en surface des structures sous écoulement et le circuit de contrôle délocalisé en pied de pale ou même à l’intérieur du navire. Cette technique a déjà été validée en laboratoire mais démontre encore quelques faiblesses dont le manque de robustesse en cas de variation de certains paramètres. Des solutions adaptatives existent mais elles ne sont pas conçues pour répondre aux forts niveaux de tension rencontrés lors d’essais sous écoulement hydrodynamique. De plus, la diversité des phénomènes d’interaction fluide-structure incite à revoir les stratégies de réglage des shunts piézoélectriques dont l’optimisation est souvent limitée à des excitations large bande. Bien qu’actuellement presque inexistants dans la littérature scientifique, des modèles prenant en compte les composantes fluide, structure et couplage à un circuit électrique sont nécessaires afin de concevoir, développer puis expérimenter de nouvelles techniques de réduction des vibrations des surfaces portantes.

Projet en cours

L’impact industriel potentiel ne se limite pas au secteur naval mais s’étend à l’aéronautique et au secteur de l’énergie qui partagent de nombreuses problématiques communes en matière de vibrations d’aubes ou de pales en rotation.

Projet en cours

La discrétion acoustique est un enjeu majeur pour les plateformes navales dont la furtivité vis-à-vis des sonars passifs est nécessaire pour mener à bien leurs missions de dissuasion ou d’intervention. En effet, contrairement aux ondes électromagnétiques, les ondes acoustiques se propagent très bien sous l’eau et certains bruits peuvent être détectés à plus de cent kilomètres de distance. Le rayonnement acoustique provient de différentes sources dont la cavitation des hélices, les phénomènes hydroacoustiques et ceux d’origine vibratoire. Le projet HYDRAVIB vise à réduire le bruit d’origine vibratoire en proposant des solutions innovantes destinées au contrôle des résonances structurelles sous écoulement hydrodynamique. Ces techniques contribueront également à augmenter la durée de vie des pales, hydrofoils ou encore ailerons, en réduisant la fatigue sous environnement vibratoire. L’impact industriel potentiel ne se limite pas au secteur naval mais s’étend à l’aéronautique et au secteur de l’énergie qui partagent de nombreuses problématiques communes en matière de vibrations d’aubes ou de pales en rotation.

Le projet HYDRAVIB propose d’utiliser des « shunts piézoélectriques » permettant de coupler la structure mécanique à un circuit électrique destiné à en modifier la dynamique vibratoire. De fines couches de matériau piézoélectrique peuvent être intégrées en surface des structures sous écoulement et le circuit de contrôle délocalisé en pied de pale ou même à l’intérieur du navire. Cette technique a déjà été validée en laboratoire mais démontre certaines faiblesses dont le manque de robustesse en cas de variation de certains paramètres. Des solutions adaptatives existent mais elles ne sont pas conçues pour répondre aux forts niveaux de tension rencontrés lors d’essais sous écoulement hydrodynamique. De plus, la diversité des phénomènes d’interaction fluide-structure incite à revoir les stratégies de réglage des shunts piézoélectriques dont l’optimisation est souvent limitée à des excitations large bande. Bien qu’actuellement presque inexistants dans la littérature scientifique, des modèles prenant en compte les composantes fluide, structure et couplage à un circuit électrique sont nécessaires afin de concevoir, développer puis expérimenter de nouvelles techniques de réduction des vibrations.

Le programme scientifique de ce projet associant le Cnam, l’ENSAM et l’École Navale débute par l’identification et la modélisation de configurations vibratoires pouvant se produire sous écoulement. Les configurations ciblées seront celles rencontrées dans le tunnel hydrodynamique de l’Institut de Recherche de l’École Navale qui sera utilisé pour les campagnes d’essais en eau. Ces modèles d’interaction fluide-structure seront ensuite complétés par l’introduction du couplage à un shunt piézoélectrique en vue de pré-dimensionner différentes stratégies de réduction des vibrations. Des facteurs de réduction de l’ordre de 10 sont attendus sur les structures en eau sans écoulement et de l’ordre de 3 pour les structures sous écoulement. Dans le but de rendre le système adaptatif et robuste aux hautes tensions, la mise en œuvre expérimentale nécessite un fort investissement en matière de conception et réalisation des circuits électriques. Ceux-ci seront basés sur une électronique de type amplification à découpage, technique encore jamais utilisée dans le cadre de des shunts piézoélectriques. Une autre innovation du projet concerne l’application de ces techniques à un hydrofoil composite qui sera instrumenté de patchs piézoélectriques. Ceux-ci seront intégrés au profil dès la phase de fabrication, ce qui ouvre également des perspectives en matière de contrôle santé des structures au cours des différentes phases de leur cycle de vie. Intrinsèquement pluridisciplinaire, le projet HYDRAVIB permettra donc de répondre à de nombreux défis, tant relatifs à la compréhension qu’à la réduction des vibrations de surfaces portantes sous écoulement fluide.