Développement d'une méthode de réduction du bruit d'impact des structures par ajout d'une couche mince d'élastomère

摘要

Le point de départ de la recherche présentée dans cette thèse est la problématique industrielle soumise à l'ÉTS par la compagnie Bombardier Produits Récréatifs (BRP) de la réduction du bruit généré par le système d'entraînement par chenille de la motoneige. L'identification des mécanismes physiques responsables de la génération du bruit dans la chenille a été faite par des mesures effectuées en partie avant le début de cette thèse (mesures sur bancs d'essais) et en partie dans le cadre de cette thèse (mesures de portions de chenille soumises à des impacts). Les résultats de l'ensemble de ces mesures montrent que la source principale du bruit d'entraînement est due aux impacts mécaniques générés entre les barreaux de la chenille et d'autres éléments (barbotin, roues, glissières) du système de guidage et d'entraînement.ududDans le cadre de ce doctorat, le moyen pratique envisagé pour réduire le bruit d'impact généré par les barreaux consiste à des réductions à la source. Plus précisément, l'action typique considérée est celle qui consiste à réduire la force générée lors de l'impact en ajoutant, dans la zone contact entre les deux stmctures, une couche mince d'un matériau souple tel que les élastomères.ududL'objectif général de cette thèse est de développer une méthode permettant de prédire la réduction du bruit d'impact permise par l'ajout d'une couche mince d'élastomère entre l'objet impactant et la structure impactée qui est une structure complexe (c'est-à-dire une structure dont la géométrie est complexe et dont la composition fait intervenir plusieurs matériaux).ududPour atteindre cet objecfif général, trois objectifs spécifiques ont été fixés : (1) caractériser le comportement sous impact de différentes couches minces d'élastomères; (2) prédire la nouvelle force d'impact générée dans le cas où une couche mince d'élastomère est ajoutée entre l'impacteur et une stmcture vibrante complexe et (3) valider expérimentalement l'ensemble de la méthode de prédiction en l'appliquant à la réduction du bruit d'impact d'une barre de chenille de motoneige.ududPour atteindre le premier objectif spécifique (caractériser le comportement sous impact de différentes couches d'élastomères), une méthode expérimentale spécifique de caractérisation a été développée. Dans un premier temps, un dispositif expérimental a été réalisé dans le but de soumettre les couches à l'action reproductible d'un marteau d'impact. La pénétration de l'impacteur dans la couche est mesurée en filmant sa trajectoire avec une caméra hautevitesse puis en détectant sa position sur chacun des clichés. Dans un deuxième temps, l'analyse des signaux expérimentaux de force et de pénétration obtenus a permis de guider le choix d'un modèle de contact permettant de les reproduire. ududDans un troisième temps, les paramètres du modèle sont estimés à partir des résultats expérimentaux et du modèle. Huit couches d'élastomère différentes (quatre matériaux et deux épaisseurs) ont été caractérisées en utilisant cette méthode. Les résultats obtenus montrent que la méthode permet une caractérisation plus précise qu'une mesure de dureté.ududPour atteindre le deuxième objectif spécifique (prédire la nouvelle force d'impact générée dans le cas où une couche mince d'élastomère est ajoutée entre l'impacteur et une structure vibrante complexe), le phénomène de l'impact sur une stmcture vibrante a été modélisé. Le modèle retenu est un modèle de simulation sonore qui a développé dans le cadre du projet européen « Sounding Object » (Rocchesso et Fontana, 2003). ududPar analogie entre l'approche modale utilisée dans ce modèle et le formalisme modal utilisé pour l'étude des vibrations de structures, de premières modifications ont été apportées au programme initial (programme MATLAB impactmodal.m de Sounding Object) afin de modéliser physiquement l'impact d'une masse sur une structure vibrante. De secondes modifications ont été apportées au programme afin de prendre en compte le mouvement d'ensemble de la structure dans le cas de conditions aux limites libres (car la structure considérée pour la validation de la méthode est sous conditions aux limites libres).ududPour atteindre le troisième objectif spécifique (valider expérimentalement la méthode de prédiction en l'appliquant à la réduction du bruit d'impact d'une barre de chenille de motoneige), la première étape a consisté à mesurer la force et la pression acoustique rayonnée par la barre dans deux configurations d'impact : AVEC et SANS couche d'élastomère dans la zone de contact. La deuxième étape a consisté à modéliser la configuration AVEC élastomère en appliquant le modèle d'impact d'une masse sur une structure vibrante (présenté au Chapitre 2). Pour déterminer la valeur des paramètres d'entrée du modèle qui décrivent la barre, les paramètres modaux des six premiers modes de flexion de la barre ont été mesurés en effectuant une analyse modale expérimentale. Enfin, la validation de la méthode a consisté dans un premier temps à vérifier expérimentalement l'hypothèse de linéarité en comparant les réductions des spectres de force permises par l'ajout de la couche d'élastomère aux réductions des spectres de bruit. Dans un deuxième temps, la méthode a été validée dans les domaines temporel et fréquentiel par des comparaisons entre les signaux de force simulés et les signaux de force mesurés. Ces comparaisons montrent que les différences sont relativement importantes pour certaines couches (en particulier car le mouvement d'ensemble de la structure libre est plus compliqué qu'une simple translation) mais que l'ordre de grandeur des signaux temporels et fréquentiels simulés est satisfaisant.