Les structures sandwichs sont largement utilisées dans le domaine de l’aéronautique et de l’espace du fait de leur bon rapport rigidité sur masse. Cependant, leur amortissement doit être amélioré pour le confort des utilisateurs et la durabilité des structures. L’objectif de cette thèse est d’étudier l’amortissement apporté à une structure sandwich par l’utilisation d’un matériau d’âme récemment développé. Ce matériau est fabriqué à base de fibres de carbone enchevêtrées, réticulées avec de la résine époxy. Le matériau enchevêtré-réticulé est d’abord étudié seul. Les mesures expérimentales montrent un comportement dépendant de l’amplitude et de l’historique de sollicitation, et indépendant de la fréquence. Un modèle d’hystérésis est développé pour décrire les boucles contrainte-déformation mesurées. L’étude théorique d’une structure à un degré de liberté permet de détailler l’effet des différentes composantes de ces boucles sur la réponse dynamique. Le matériau est ensuite inclus dans une poutre sandwich. Un modèle de vibrations de poutres sandwichs en flexion est proposé pour inclure un comportement non-linéaire dissipatif du matériau d’âme. Une étude expérimentale est menée sur des poutres sandwichs, montrant un amortissement très supérieur à celui apporté par un matériau d’âme classique comme le nid d’abeille. Les simulations réalisées avec le modèle de poutre sandwich et le modèle d’hystérésis permettent de bien capturer les phénomènes non-linéaires observés. A la fin de l’étude, une utilisation mixte d’un matériau d’âme en nid d’abeille et d’un matériau d’âme enchevêtré-réticulé est proposée afin d’obtenir un bon amortissement pour un faible ajout de masse.

The vision driving the work reported herein is to investigate the fluid-structure interac- tion (FSI) effects of the flexible laminated blades for tilt-body micro-air-vehicles (MAV) proprotors in hover and forward flight configurations. This is in order to exploit the po- tential of flexible-bladed proprotor over the rigid-bladed proprotor in the enhancement of proprotor performance during hovering and cruising at a target forward speed. For that, the FSI model taking into account the specific problems devoted to MAV-sized proprotor made of laminate composite was developed. The FSI model combines aerody- namic model adapting Blade Element Momentum (BEM) theory and structural model adapting Anisotropic Finite Element Beam (AFEM) theory. The aerodynamic model is developed to be capable of adapting in the analysis on low Reynolds number proprotors. In the structural model, the blade is modeled as an elastic beam undergoing deflections in flap, lag, and torsion to capture the coupling effects in anisotropic materials, adapts the structural analysis on proprotor blades made of laminate composite. The reliability of the developed FSI model is verified through a validation on both aerodynamic and structural models, separately, on several MAV-sized proprotors. As for a direction to the analysis on passively-adaptive proprotor blades, an optimal design on actively-adaptive proprotor was carried out. For this, a program for designing the optimum rigid blades at single-point (for either isolated cruise-point or isolated hover-point) and multiple-point (combined cruise and hover point) for proprotors have been developed. The procedures in the optimal design program employs the numerical iterative inverse design method, based upon the minimum thrust induced losses (MIL). Even if the work in this thesis was directed primarily towards the proprotor, however, the propulsion system from the motor part was not neglected since the propulsion efficiency is a crucial factor to the suc- cess of MAVs. A cheap and time-effective method of proposing the best motor from the selected commercial motors was developed, based on Taguchi’s method. The sensitivity of the total power consumption to the variation of value of each motor design variables was also studied. The benefit of the use of tip body in the blade and the effect of bending on the induced twist and on the thrust degradation, respectively, were also analyzed and identified. Finally, the systematically designed passively-adaptive composite proprotors were evaluated under steady operating conditions. Hovering and cruise propulsive performance, characterized by total power Ptotal, were compared between the rigid-bladed and flexible-bladed proprotors. As a result of the comparison, the flexible-bladed proprotor with fixed system is found to be capable of slightly enhancing the performance through the reduction in Ptotal over its optimal rigid-bladed proprotor.

Dans le cadre d'un projet de recherche interne nommé JoSAT (Joint Stress Analysis Tool), Sogeti High Tech a développé depuis 2008 un outil de simulation simplifié d'analyse de joints collés. Cet outil permet d'obtenir à la fois la répartition des efforts internes dans chacun des substrats mais également la répartition des contraintes adhésives le long du recouvrement, tout en ayant l'avantage d'être beaucoup moins chronophage que la méthode des Éléments-Finis (EF). En 2011, cet outil a été étendu de sorte à supporter différents comportements adhésifs non-linéaires sous la forme de relations contrainte-déformation spécifiée par l'utilisateur. Cependant, le champs d'application de cette nouvelle théorie fut démontré comme limitée aux jonctions en simple recouvrement, et dans le cas de faible non-linéarité uniquement. Dans ce contexte, l'objectif de la thèse est double. Premièrement, étendre et valider l'outil d'analyse simplifiée aux cas de comportement non-linéaire adhésif mais également des substrats. Deuxièmement, proposer et développer de nouvelles méthodes visant à caractériser le comportement non-linéaire d'un film adhésif.

Dans le domaine aéronautique, la détection des défauts sur structures composites se fait lors des phases de maintenance. Celles-ci sont prévues de manière à détecter les défauts avant que ceux-ci ne deviennent critiques pour la tenue des structures en service. L’optimisation des intervalles de maintenance représente donc un fort intérêt que ce soit au niveau financier ou opérationnel. Les dommages des structures composites sont aujourd’hui traités par la non-propagation des défauts : lorsque ceux-ci apparaissent et qu’ils sont détectés, les pièces sont immédiatement réparées ou remplacées. Afin d’améliorer ces intervalles de maintenance, le comportement des défauts soumis aux spectres de charges aéronautique nécessite d’être caractérisé. Cela permettrait une transition vers une philosophie de tolérance aux dommages, en définissant des phases de propagation non-critique pour la tenue mécanique des structures. Dans ce contexte, la propagation de délaminage est étudiée sous chargement de fatigue. En mode I de propagation, les effets de la fréquence de sollicitation et du rapport de charge sur la propagation de délaminage en fatigue sont déterminés. Ceux-ci amorcent l’étude de la propagation de délaminage sous spectre de charges à niveau variable. Les effets de l’historique de chargement sont mis en évidence. En mode II de propagation, les effets de la fréquence de sollicitation sur la propagation de délaminage sont abordés pour quatre matériaux à l’aide d’un montage d’essais vibratoires dédié. Une analyse thermique des essais est également conduite. De plus, les effets du rapport de charge sont déterminés pour ce mode de propagation.

L'utilisation extensive des matériaux composites dans l'industrie aéronautique nécessite une compréhension étendue de leur comportement mécanique et mécanismes d'endommagement. La prise en compte des effets environnementaux, température et vieillissement humide, dans la prévision du comportement à l'impact, des endommagements et des mécanismes associés reste un sujet encore peu traité actuellement. Dans ce travail différentes conditions de vieillissement humide (dénommées ci-après état neuf, 65% VH, et 90%VH) ont été appliquées au matériau de l'étude. La caractérisation des propriétés du pli et de l'interface ont été effectuée à température ambiante et 80°e. Une attention particulière a été portée à l'identification des propriétés en cisaillement plan. Un modèle d'endommagement progressif basé sur la mécanique de l'endommagement dans les milieux continus est proposé afin de décrire au mieux le comportement du pli élémentaire en prenant en compte les comportements fortement non-linéaires identifiés pour le cisaillement plan de ce matériau. Ce modèle matériau de comportement du pli est combiné avec des lois cohésives d'interface inter-laminaire utilisés dans des simulations numériques d'impact à faible vitesse afin de prédire la réponse mécanique à l'impact et les dommages. Le modèle de matériau a été implémenté dans le code de calcul explicite LS-Dyna. Des essais d'impact à différentes énergies ont été effectués afin de valider par comparaison essais-calcul l'approche utilisée. Une bonne adéquation est observée entre les résultats numériques et expérimentaux du matériau non-vieilli et testé à température ambiante pour ce qui concerne l'historique de la réponse globale et les dommages internes (rupture de fibre, fissures de matrice et délaminages).

Les méthodes de contrôle de vibrations passives basées sur des absorbeurs linéaires ont été largement étudiées et ils ont aujourd'hui une vaste gamme d'applications. Cependant, les absorbeurs linéaires n’étant efficaces que lorsqu'ils sont accordés à la fréquence que l'on veut contrôler, ils présentent des limites considérables quand ils sont appliqués à des systèmes possédant des incertitudes sur les paramètres modaux ou ayant une fréquence propre dépendante de la force extérieure. Dans cette thèse la réduction des vibrations dans les systèmes mécaniques à l'aide d'un absorbeur Nonlinear Energy Sink est étudiée. Le phénomène qui gouverne la physique de ce dispositif est appelé pompage énergétique (Targeted Energy Transfer) et il consiste en un transfert irréversible d'énergie du système principal vers le NES, où l’énergie est dissipée. Ce transfert d'énergie peut se produire pour une large gamme de fréquences et sans besoin que le NES ne soit accordé _a une fréquence spécifique. La dynamique d'un premier type de NES appelé Vibro-Impact Nonlinear Energy Sink (VI-NES) est investiguée expérimentalement grâce à un oscillateur linéaire (OL) à un degré de liberté forcé harmoniquement auquel le VI-NES est attaché. Le pompage énergétique du OL vers le VI-NES est observé expérimentalement, ce qui a permis d'obtenir une importante réduction du pic de résonance du système principal. Le système est étudié analytiquement à l'aide de la méthode Multi-Echelles et le comportement non-linéaire observé est expliqué théoriquement. Le deuxième type de NES présenté est le Magnetic-Strung NES avec récupération d'énergie. Cette étude ajoute l'aspect lié à la récupération d'énergie au domaine de recherche des absorbeurs non-linéaires. Le système consiste en un oscillateur linéaire (OL) à un degré de liberté forcé harmoniquement auquel le MS-NES est appliqué. La force non-linéaire de rappel peut être modulée grâce à une force magnétique introduite judicieusement, ce qui permet au NES d'avoir plusieurs configurations possibles. Le système résultant est un système électromécanique où l'énergie vibratoire du système principal est absorbée par le NES et est ensuite dissipée en partie par l'amortissement visqueux et convertie en partie en puissance électrique. Les études numérique et expérimentale analysent les performances du MSNES en tant qu'absorbeur d'énergie et en tant que récupérateur d'énergie. Finalement, les idées et les perspectives issues de cette étude sont traitées et les directions pour les travaux futurs sont fournies.

L’objectif de cette thèse est de contrôler passivement une instabilité dynamique appliquée au flottement d’un profil aéroélastique à l’aide de différents types d’Amortisseurs à Masse Accordés (AMA). Un profil 2D appelé Section Typique est utilisé tout au long de l’étude. En première partie, une étude comparative de trois modèles mathématiques d’interaction fluide/structure appliqués à la Section Typique (Theodorsen, LUVLM et UVLM) met en valeur les forces et faiblesses de chacun. Le banc d’essai aéroélastique en soufflerie, utilisé par la suite, est présenté puis identifié avec et sans vent (GVT). En deuxième partie, les calculs des vitesses critiques de Divergence, d’Inversion des Gouvernes et de Flottement sont automatisés avec le modèle Theodorsen afin de réaliser une étude paramétrique du banc d’essai et mettre en lumière les variables de conception les plus influentes. L’analyse modale présente différentes bifurcations liées au changement soudain du mode instable. Ensuite, le même algorithme est utilisé afin d’analyser la suppression du flottement à l’aide de trois géométries d’AMAs linéaires. La dernière partie présente l’étude expérimentale et numérique d’un AMA non linéaire de type Nonlinear Energy Sink (NES). La singularité de cette configuration est d’utiliser le volet en tant qu’amortisseur et ainsi, ne pas ajouter de masse (FSI-VA). En soufflerie, six comportements non linéaires sous-critiques (en deçà de la vitesse de flottement dans la configuration linéaire) sont observés, identifiés et analysés : cinq Cycles Limites d’Oscillations (LCO) et un battement non linéaire chaotique.

Le phénomène de résonance sol (PRS) est une instabilité pouvant survenir lorsque l’hélicoptère est au sol et le rotor est en marche ; elle peut vite aboutir à la destruction de l’appareil. L’origine de l’instabilité est un couplage entre les mouvements de roulis du fuselage posée sur le train d’atterrissage et le mouvement asymétrique de l’ensemble des pales dans le plan du rotor principal. Etudier théoriquement des alternatives de stabilisation par des absorbeurs de vibration linéaires (tuned mass dampers - TMD) et non linéaires (nonlinear energy sinks - NES) c’est le sujet de ce travail de thèse. Ces possibilités sont étudiées en ajoutant à un modèle minimal d’un hélicoptère à quatre pales identiques (rotor isotrope), précédemment étudié par l’équipe de l’ISAE, d’abord, un TMD au fuselage, puis des TMD identiques au niveau de l’articulation des pales du rotor. Ensuite, des dispositifs à raideur purement non linéaire (NES) sont considérées, d’abord, au fuselage, puis, aux pales du rotor (NES identiques).

Dans un contexte industriel où l’utilisation de matériaux composites s’est généralisée jusqu’à atteindre les structures primaires, la menace foudre se révèle être une problématique majeure. Avec un coup de foudre en moyenne par an et par avion en service, les nouvelles structures composites, moins bonnes conductrices que leurs prédécesseurs en métal, doivent être protégées. Les protections mises en oeuvre par les fabricants et les équipementiers sont des couches minces ajoutées à l’empilement composite, initialement choisi pour le compromis optimal qu’il offre entre résistance et légèreté. L’optimisation et le conseil concernant les protections foudre deviennent alors un enjeu industriel d’importance. Dans ce cadre, le travail de thèse a porté sur l’étude et la compréhension des dommages issus des chocs foudre sur des structures protégées dans le but ultérieur d’optimiser ou de créer des protections adaptées. Nous proposons une méthode qui permet de déterminer les caractéristiques d’un impact mécanique sur une plaque composite nue, équivalent à un choc foudre sur une structure protégée. Une campagne d’essais d’impacts avec un canon du laboratoire couplé à une campagne numérique ont permis de conclure que la stratégie et la méthode d’équivalence sont fondées, et permettent de prendre en compte les paramètres constitutifs de la protection de surface. Les modèles proposés permettront d’aborder les questions de conception des protections.

Une méthode innovante pour simuler des interactions fluide-structure complexes tout en gardant un bon compromis temps de calcul/précision est présenté.Pour réduire le temps de simulation des modèles d’ordre réduits sont utilisés au lieu des modèles complets aussi bien pour les modèles structuraux que pour les modèles aérodynamiques. Un des challenges de base était d'utiliser des modèles industrielles hautes fidélités. La technique de condensation dynamique est utilisée pour réduire la taille du modèle éléments finis structures et la décomposition aux valeurs propres est utilisé sur une base de données aérodynamiques construite à partir de simulations CFD.Les non-linéarités structurelles sont réintroduites à posteriori.Une comparaison poussée des méthodes classique d'interpolation comme des méthodes de spline, d’interpolation sur des Manifold de Grassmann avec des méthodes innovantes d'apprentissage statistiques a été amené.Afin de valider complètement la méthodologie développée, une maquette expérimentale visant à imiter le comportement du carénage au sol avant le décollage a été conçue.Ce cas a pu être assimilé à une plaque avec des raideurs de liaisons dans une couche de mélange.La validation de cette méthode est réalisée en comparant les résultats des simulations numériques avec les données enregistrées pendant des essaies en soufflerie. On pourra ainsi comparer aussi bien des champs que des mesures locales. L'ensemble des essais a permis d'améliorer la compréhension de ce phénomène vibratoire qui mène à des problèmes récurrents de fatigue dans cette sous structures.Cette méthode est enfin appliquée à une structure aéronautique: les carénages de volet hypersustentateur