Influence de défauts sur la dynamique d'une structure intelligente

La détection de défauts par des méthodes non destructives est devenue un facteur majeur d'intérêt dans de nombreux domaines industriels, pour des raisons économiques et de fiabilité des systèmes. L'étude proposée s'intéresse plus particulièrement à l'influence de fissures sur les caractéristiques dynamiques d'une structure intelligente, instrumentée d'actionneurs et de capteurs piézoélectriques reliés par une boucle de contrôle des vibrations et repose sur une modélisation par éléments finis de la structure fissurée

Damage reduction of on-board structures using piezoelectric components and active modal control — Application to a printed circuit board

International audienceThe reliability of Printed Circuit Boards (PCB) is critical for on-board electronic systems, particularly when subjected to severe stress conditions. This paper presents an approach to reduce vibration damage in PCBs that can be extended to the majority of on-board structures subjected to damage. Vibration damage highly depends on mode shapes under large band excitations. A solution to reduce vibration from the most damaging modes is to use active modal control for targeting efficiently control energy on most damaging modes. Following this modal-damage strategy, the most damaging modes are determined using a damage analysis based on an initial detailed Finite Element Model (FEM) of the PCB. The control is then designed using only a few piezoelectric components located so as to be essentially effective on these modes. The location algorithm of these active components uses a second simplified FEM including the damage simulation results. Finally, a classical Linear Quadratic Gaussian algorithm is used to determine the modal controller-observer gains. The effectiveness of the proposed method for PCBs is then examined through experiments with different high level excitations. The proposed control is finally validated by a new damage analysis of the controlled PCB to estimate damage reduction. Based on results obtained on an actual PCB, the modal approach the optimal link between damage estimation, optimal placement of actuators ,optimal control, and minimization of control energy. Moreover, the predictions of damage reduction and of actuation energy are in good agreement with experimental results, what shows that the modal description of on-board smart structure, in particular PCB , is the key point in damage reduction with vibration active control. Manuscript Click here to view linked Reference

Surveillance vibratoire et contrôle actif d’une structure de type treillis comportant une fissure

Cette étude s’intéresse au contrôle de la dynamique des structures comportant des défauts. Le changement de la dynamique de la structure fissurée et de ses paramètres modaux est examiné à partir d’une modélisation éléments finis d’un treillis comportant une fissure. Le contrôle actif de la structure fissurée est ensuite réalisé par l’application d’un algorithme de contrôle Linéaire Quadratique et de composants de contrôles positionnés de façon optimale sur les modes les plus sensibles à la fissure à l’aide du critère de Hac et Liu

Simulations of modal active control applied to the self-sustained oscillations of the clarinet.

This paper reports a new approach to modifying the sound produced by a wind instrument. The approach is based on modal active control, which enables adjustment of the damping and the frequencies of the different resonances of a system. A self-sustained oscillating wind instrument can be modeled as an excitation source coupled to a resonator via a non-linear coupling. The aim of this study is to present simulations of modal active control applied to a modeled self-sustained oscillating wind instrument in order to modify its playing properties. The modeled instrument comprises a cylindrical tube coupled to a reed and incorporates a collocated loudspeaker and microphone; it can thus be considered to approximate a simplified clarinet. Modifications of the pitch, the strength of the harmonics of the sound produced by the instrument, and of the oscillation threshold are obtained while controlling the first two resonances of the modeled instrument

Effects of internal resonances in the pitch glide of Chinese gongs

The framework of nonlinear normal modes gives a remarkable insight into the dynamics of nonlinear vibratory systems exhibiting distributed nonlinearities. In the case of Chinese opera gongs, geometrical nonlinearities lead to a pitch glide of several vibration modes in playing situation. This study investigates the relationship between the nonlinear normal modes formalism and the ascendant pitch glide of the fundamental mode of a xiaoluo gong. In particular, the limits of a single nonlinear mode modeling for describing the pitch glide in playing situation are examined. For this purpose, the amplitude-frequency relationship (backbone curve) and the frequency-time dependency (pitch glide) of the fundamental nonlinear mode is measured with two excitation types, in free vibration regime: first, only the fundamental nonlinear mode is excited by an experimental appropriation method resorting to a phase-locked loop; second, all the nonlinear modes of the instrument are excited with a mallet impact (playing situation). The results show that a single nonlinear mode modeling fails at describing the pitch glide of the instrument when played because of the presence of 1:2 internal resonances implying the nonlinear fundamental mode and other nonlinear modes. Simulations of two nonlinear modes in 1:2 internal resonance confirm qualitatively the experimental results

Contrôles modaux actif, semi-adaptatif et semi-actif de structures intelligentes embarquées - Application aux cartes électroniques

Les structures embarquées telles que les cartes électroniques embarquées, peuvent être soumises à des contraintes sévères, particulièrement en terme de niveau vibratoire, qui altèrent leur durée de vie opérationnelle. le mémoire suivant présente dans une première partie, une méthode de réduction des vibrations par contrôle actif modal pour réduire le dommage modal induit par les vibrations. Le choix de la stratégie de contrôle modal permet de minimiser l\u27énergie nécessaire au contrôle en la ciblant uniquement sur les modes à contrôler. La stratégie modale permet également de limiter le nombre d\u27actionneurs et de capteurs nécessaires. Le contrôle est réalisé par des actionneurs et capteurs piézoélectriques. La stratégie de contrôle modal a été numériquement puis expérimentalement testée sur la carte électronique dans sa configuration industrielle en termes de conditions aux limites et de niveau d\u27excitation. Afin d\u27augmenter la robustesse du contrôle modal, le mémoire suivant présente dans une deuxième partie, une stratégie de contrôle modal semi-adaptative, basée sur des algorithmes d\u27identification, pour prendre en compte les évolutions et/ou variations de la structure tout en garantissant des performances optimales. La stratégie semi-adaptative est ensuite testée numériquement puis expérimentalement sur la carte électronique pour une variation fréquentielle et pour une variation du couple de serrage. Enfin, dans le contexte des structures embarquées, l\u27énergie utilisée par le contrôle doit être minimale pour limiter la masse embarquée. La dernière partie présente ainsi une stratégie de contrôle semi-actif modal pour éliminer l\u27apport d\u27énergie opérative. Elle est appliquée numériquement, notamment sur le mode le plus endommageant en présence d\u27excitation aléatoire

Contrôles modaux actif, semi-adaptatif et semi-actif de structures intelligentes embarquées (application aux cartes électroniques)

Les structures embarquées telles que les cartes électroniques embarquées, peuvent être soulises à des contraintes sévères, particulièrement en terme de niveau vibratoire, qui altèrent leur durée de vie opérationnelle. Les industriels recherchent des techniques pour augmenter la durée de vie de ces structures notamment lorsqu'elles sont complexes. En prenant comme application les cartes électroniques embarquées sur missiles MBDA, le mémoire suivant présente dans une première partie, une méthode de réduction des vibrations par contrôle actif modal pour réduire le dommage modal induit par les vibrations. Le choix de la stratégie de contrôle modal permet de minimiser l'énergie nécessaire au contrôle en la ciblant uniquement sur les modes à contrôler. La stratégie modale permet également de limiter le nombre d'actionneurs et de capteurs nécessaires. Le contrôle est réalisé par des actionneurs et capteurs piézoélectriques. La stratégie de contrôle modal a été numériquement puis expérimentalement testée sur la carte électronique dans sa configuration industrielle en termes de conditions aux limites et de niveau d'excitation. La production en grande série peut induire une dispersion sur les caractéristiques et donc sur les paramètres modaux de la structure. De plus, les conditions initiales de fonctionnement, comme les conditions aux limites, peuvent varier pendant la durée de vie de la carte électronique et ainsi modifier les performances et la stabilité du contrôle établi sur le modèle nominal. Afin d'augmenter la robustesse du contrôle modal, le mémoire suivant présente dans une deuxième partie, une stratégie de contrôle modal semi-adaptative, basée sur des algorithmes d'identification, pour prendre en compte les évolutions et/ou variations de la structure tout en garantissant des performances optimales. La stratégie semi-adaptative est ensuite testée numériquement puis expérimentalement sur la carte électronique pour une variation fréquentielle et pour une variation du couple de serrage. Enfin, dans le contexte des structures embarquées, l'énergie utilisée par le contrôle doit être minimale pour limiter la masse embarquée. La dernière partie présente ainsi une stratégie de contrôle semi-actif modal pour éliminer l'apport d'énergie opérative. Elle est appliquée numériquement, notamment sur le mode le plus endommageant en présence d'excitation aléatoire. Cette technique pourrait être utilisée pour augmenter la durée de vie moyennant des recherches complémentaires.On-board structures such as electronic boards are submitted to severe stresses, particularly vibration. This extreme environment affects the structure s expected lifetime. Some techniques can be used to increase their lifetime particularly in the case of complex structures. This dissertation presents firstly a method to reduce vibration using modal active control applied to on-board MBDA Printed Circuit Boards (PCB). This modal strategy permits to reduce on-board energy and to target the control energy only on the controlled modes using a minimum number of components. The control uses piezoelectric actuators and sensors. The method has been numerically and experimentally tested on the PCB with industrial boundary conditions and excitation levels. In the case of industrial mass production, dispersion leads to changes in mechanical and electromechanical properties. Moreover, boundary condition variations can induce mechanical properties variations. These variations can modify control performance and stability. This dissertation presents secondly a modal semi-adaptive control strategy, based on identification algorithms, aim at increasing control robustness. This strategy has been numerically and experimentally tested on the PCB for frequency and torque variations respectively. Finally, in the case of on-board structures, on-board energy used by the control must be minimal to reduce on-board mass. The last part of this dissertation presents a modal semi-active control strategy to eliminate operational energy. This method has been numerically tested on the most damaging mode of the PCB. This method could be used to increase PCB lifetime in future research.VILLEURBANNE-DOC'INSA LYON (692662301) / SudocSudocFranceF

Crack detection based on optimal control

International audienceTechniques for optimal control to increase system security attract a great deal of interest from industry. The presence of transversal cracks can considerably modify the dynamics of a system. In the case of closed-loop systems, i.e. controlled systems, these faults can cause the destabilization and variation of control performance. Consequently, such variations can be used to detect transversal cracks. Therefore, the present study proposes an investigation into the possibility of detecting structure modification based on estimated control performance by using the Rational Fraction Polynomial(RFP) algorithm. This method is applied numerically to a multi-cracked controlled truss. Both the optimal control of thecracked structure and the possibility of detecting the presence of cracks by monitoring the evolution of control performanceare studied. The efficiency of the proposed method is demonstrated through numerical simulations correspondingto different crack orientations and locations

On the Use of Linear and Nonlinear Controls for Mechanical Systems Subjected to Friction-Induced Vibration

International audienceFriction-Induced Vibration and noisE (FIVE) is still a complex and nonlinear physical phenomenon which is characterized by the appearance of instabilities and self-sustained vibrations. This undesirable vibrational phenomenon is encountered in numerous industrial applications and can cause major failures for mechanical systems. One possibility to limit this vibration phenomenon due to the appearance of instabilities is to add a controller on the system. This study proposes to discuss the efficiency but also limitations of an active control design based on full linearization feedback. In order to achieve this goal, a complete study is performed on a phenomenological mechanical system subjected to mono or multi-instabilities in the presence of friction. Transient and self-excited vibrations of the uncontrolled and controlled systems are compared. More specifically, contributions of linear and nonlinear parts in the control vector for different values of friction coefficient are investigated and the influence of the control gain and sensitivity of the controller to the signal-to-noise ratio are undertaken