Performance of piezoelectric shunts for vibration reduction

This work addresses passive reduction of structural vibration by means of shunted piezoelectric patches. The two classical resistive and resonant shunt solutions are considered. The main goal of this paper is to give closed-form solutions to systematically estimate the damping performances of the shunts, in the two cases of free and forced vibrations, whatever the elastic host structure is. Then it is carefully demonstrated that the performance of the shunt, in terms of vibration reduction, depends on only one free parameter: the so-called modal electromechanical coupling factor (MEMCF) of the mechanical vibration mode to which the shunts are tuned. Experiments are proposed and an excellent agreement with the model is obtained, thus validating it

Performance of piezoelectric shunts for vibration reduction

International audienceThis work addresses passive reduction of structural vibration by means of shunted piezoelectric patches. The two classical resistive and resonant shunt solutions are considered. The main goal of this paper is to give closed-form solutions to systematically estimate the damping performances of the shunts, in the two cases of free and forced vibrations, whatever the elastic host structure is. Then it is carefully demonstrated that the performance of the shunt, in terms of vibration reduction, depends on only one free parameter: the so-called modal electromechanical coupling factor (MEMCF) of the mechanical vibration mode to which the shunts are tuned. Experiments are proposed and an excellent agreement with the model is obtained, thus validating it

Structures déployables constituées de mètres rubans : modélisations et essais expérimentaux.

Les structures déployables sont largement étudiées dans l'industrie spatiale afin de réduire le volume des systèmes spatiaux lors du lancement. Cela permet ainsi d'envoyer un ou plusieurs satellites de grande envergure à l'aide d'un unique lanceur. Avec une masse relativement faible, une grande compacité et une capacité de déploiement autonome, les mètres rubans sont au c?ur de plusieurs projets de structures spatiales déployables. Ces structures minces et élancées à section semi-circulaire présentent un comportement très complexe lié à leur géométrie. Sous l'effet de sollicitations mécaniques externes, des plis peuvent se former et se déplacer le long du ruban, mais aussi fusionner ou disparaître. La formation de ces plis permet d'emmagasiner de l'énergie de déformation qui est ensuite libérée pour déployer la structure. Du fait de ces comportements complexes, la modélisation de structures constituées de mètres rubans est compliquée. Les modèles de coques sont principalement utilisés pour modéliser les rubans, mais leur résolution à l'aide de calculs éléments finis n'est pas aisée et les temps de simulation sont généralement longs. Afin de réduire le coût en terme de temps de calcul, un modèle de poutre à section flexible a été développé par Guinot et al. et est uniquement dédié aux comportements plans du ruban. Il est basé sur les modèles de coques mais il est simplifié en prenant en compte plusieurs hypothèses cinématiques. Ce modèle a ensuite été amélioré par Picault et al. afin de prendre en compte les mouvements hors plan du ruban via l'introduction d'un paramètre de gauchissement de la section. L'implémentation de ces modèles dans un code de calculs éléments finis a permis de démontrer leur capacité à reproduire les comportements complexes du ruban (apparition, disparition, translation des plis). Un élément linéaire de poutre à section flexible constitué de deux n?uds a été développé pour une utilisation industrielle dans le logiciel Abaqus, via la subroutine UEL (User ELement). Cet élément permet ainsi de simuler le comportement de structures constituées de plusieurs rubans. Afin de valider ces modèles, les résultats des simulations numériques seront comparés aux résultats obtenus expérimentalement via des essais de flexion de rubans. Ils consistent à appliquer les conditions aux limites suivantes : encastrement total d'une des extrémités du ruban tandis qu'une rotation est imposée à la seconde. L'extrémité qui est en rotation est libre de translater selon l'axe coïncidant avec la direction de la ligne moyenne du ruban. Pour les deux extrémités, la section n'est pas libre de se déformer. L'orientation du ruban autour de l'axe coïncidant avec la direction de la ligne moyenne peut être choisie, ce qui permet de faire des essais de flexion plane mais aussi de la flexion transverse. Ces deux tests seront réalisés avec des rubans fabriqués à partir de plis UD de manière à former un empilement symétrique évitant le couplage flexion-torsion

Modélisation et optimisation de dispositifs non-linéaires d’amortissement de structures par systèmes piézoélectriques commutés

In order to reduce the vibrations of a mechanical structure, one can use piezoelectric elements connected to passive electrical circuits. The goal is to achieve the same efficiency as active vibration control without the associated complexity and energy consumption. First the use of a resistor (with an effect similar to viscous damping) and eventually of an inductor (allowing the creation of a tuned resonator) for the circuit is considered. These systems have interesting properties, but are not very efficient, except in the case of a finely tuned inductor. In order to obtain good performance without requiring a precise tuning, a switching circuit is considered. The switching process is synchronized on the vibrations, and the effect of the free electric charge (similar to a dry damping) reduces the vibrations. This system is self-adaptive and can be self-powered. However, the strong non-linearities create a high frequency excitation which may disturb the switch timing. Two different reduced electromechanical models (analytical and finite element) are proposed, allowing a description of the whole system dynamics with accuracy and to emphasize the coupling between one vibration mode and the circuit. This coupling is found to be decisive for the performance in vibration reduction. A study of the influence of various parameters allow the optimisation of the piezoelectric elements, electric circuits and switch timing. These results are experimentally tested and a good agreement with the predictions is obtained ; the difficulty of switch timing is also noticed.Afin de réduire les vibrations d'une structure, on utilise des éléments piézoélectriques connectés à des circuits électriques passifs. L'objectif est de se rapprocher de l'efficacité du contrôle actif sans en supporter la complexité et la consommation. On considère d'abord l'association d'une résistance (qui a un effet similaire à un amortissement visqueux) et éventuellement d'une inductance (permettant de réaliser un oscillateur accordé) aux éléments piézoélectriques. Ces systèmes ont des propriétés intéressantes, mais sont peu efficaces à moins d'un accord très précis de l'inductance. Afin d'obtenir des performances élevées sans accord précis, on étudie un circuit à commutation, qui se ferme et s'ouvre à des instants bien précis. L'effet de la charge, qui freine la structure, s'apparente à un frottement sec. En synchronisant les commutations sur les vibrations, le système est auto-adaptatif et peut être auto-alimenté. Les fortes non-linéarités entraînent une excitation haute fréquence de la structure qui peut rendre la synchronisation problématique. Deux modèles électromécaniques (analytique et éléments finis) réduits sont proposés, permettant de décrire la dynamique du système complet de manière précise et de mettre en valeur le couplage entre un mode de vibration et le circuit électrique. Ce couplage est déterminant pour la réduction de vibrations. Une étude de l'influence de divers paramètres permet d'optimiser les éléments piézoélectriques, les circuits, et les instants de commutation. Ces résultats sont vérifiés expérimentalement. On constate un bon accord avec la théorie ; la difficulté de synchroniser correctement la commutation est aussi constatée

Flexure joints modeling for micrometer accuracy of an active 6-PUS space telescope through experimental calibration

International audienceFlexure joints are widely used to ensure manipulator mobility in difficult environmental conditions such as for micro-manipulation and in aerospace application. The use of flexure joints may imply complex kinematic behaviors that need to be considered to increase the device accuracy. This paper proposes, compares and analyzes three incremental models of the flexure joints used in an active wrist parallel telescope. A spherical joint model, a model issued from the beam theory and a stiffness model are considered. Because of uncertainties on the model parameters, an accurate experimental calibration with photogrammetry data is used to choose the most suitable model considering the telescope requirements. The experiments show that observability issue in calibration is the main factor limiting the model complexity in our case

Optimisation de dispositifs passifs d'atténuation de vibration par shunt piézoélectrique

International audienceThis article is devoted to vibration reduction by means of shunted piezoelectric elements. First, a model of a beam with piezoelectric patches is expanded on the short-circuit vibration modes in order to obtain a simple representation of the electromechanical coupled problem. Then, from this representation, the optimal resistive and inductive shunts are calculated. The obtained attenuation is deduced. Finally, an optimization of the piezoelectric patches dimensions as well as their position on the structure is proposed. All these results are compared to experimental ones.On s'intéresse dans cet article à la réduction de vibrations obtenue en associant à une structure des éléments piézoélectriques shuntés. On étudie le cas particulier d'une poutre mu-nie d'éléments piézoélectriques. On propose une représentation du problème électromécanique couplé sous forme de projection modale. À partir de cette représentation, des shunts résistifs et résonants optimaux sont calculés. Leurs performances sont évaluées, en terme de réduction de vibration. Ensuite, une optimisation de la taille des éléments piézoélectriques et de leur position sur la structure est proposée. Tous ces résultats sont vérifiés expérimentalement

User Element dédié au modèle de mètre ruban 1D à section flexible: implémentation et comparaison avec des éléments de coques

International audienceDes modèles de poutres à section flexible utilisés pour caractériser le comportement de mètres rubans sous sollicitations mécaniques ont été développés précédemment ([4],[8],[9]). Un enrichissement de ces modèles est proposé ici menant à des résultats numériques très proches de ceux obtenus avec des modèles de coques qui sont généralement choisis comme référence. Un élément fini spécifiquement dédié au modèle de poutre à section flexible enrichi est développé et implémenté dans un code commercial afin qu’il soit utilisé dans le cadre de l’analyse de structures

Modèle de poutre à section flexible pour le comportement des mètres rubans : aspects numériques liés à la non-convexité de l'énergie de déformation

International audienceLe modèle de poutre à section flexible appliqué au comportement des mètres rubans conduit à une densité d’énergie de déformation non-convexe et s’apparente à celui d’une barre d’Ericksen régularisée. Son implémentation numérique par éléments finis nécessite donc quelques précautions. Ce travail a pour objectif de mieux comprendre l’effet des paramètres du modèle et de la simulation numérique (régularisation, conditions limites, finesse du maillage, types d’éléments...) sur les réseaux de branches bifurquées obtenues en statique pour l’essai de pliage par flexion