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D'un point de vue industriel, la mise en place de nouvelles architectures de systèmes mécaniques nécessite un long processus de conception permettant de définir et d'anticiper le comportement. Dans le cas particulier des systèmes aéronautiques tels que les moteurs d'avions, un certain nombre de pièces sont particulièrement sensibles car elles doivent répondre à des impératifs stricts en termes d'encombrement, de performance et de tenue mécanique. Dans ce contexte, la prévision du comportement vibratoire revêt une importance particulière puisqu'elle permet d'évaluer le niveau des sollicitations cycliques appliquées sur le système et guide ainsi la détection en amont d'éventuels problèmes de fatigue des matériaux. La plupart du temps, des modèles numériques sont utilisés pour représenter les structures, et le comportement est simulé en résolvant un ensemble d'équations. Pour atteindre un niveau de détail répondant au besoin industriel, ces modèles peuvent être particulièrement gros, et la résolution des équations associées demande des ressources et des temps de calcul considérables. De plus, pour rendre compte au mieux des comportements observés expérimentalement, il est souvent nécessaire de prendre en compte des phénomènes non-linéaires, ce qui augmente encore la difficulté. Les travaux présentés dans ce manuscrit concernent cette problématique du comportement vibratoire des structures non-linéaires et s'orientent autour de deux axes : la réduction de modèle et le calcul des solutions multiples. L'objectif du premier axe est de contribuer à la construction de modèles numériques non linéaires réduits utilisables en conception de systèmes industriels et de proposer des outils d'exploitation et d'interprétation de ces modèles. En particulier, on considère le cas des méthodes de projection de Galerkin et on montre qu'elles sont à même de construire des modèles réduits réalistes. Des méthodes complémentaires de réduction de modèles sont également présentées dans le cas particulier de la recherche de solutions par la méthode de la balance harmonique (HBM) : on s'intéressera en particulier à des méthodes de sélection d'harmoniques. Après avoir comparé les différentes méthodes proposées sur un exemple simple de poutre non-linéaire, elles sont appliquées à un modèle de structure industrielle représentant une aube d'hélice d'open rotor. Le second axe de ces travaux concerne le calcul de solutions multiples pour les systèmes dynamiques non-linéaires. Une particularité de ces systèmes est en effet de présenter plusieurs configurations stables pour un état de sollicitation donné. Il s'agira ici de proposer des méthodes de calcul permettant de dresser la liste exhaustive des solutions possibles. Le travail présenté se concentre sur la recherche de solutions périodiques par la méthode de la balance harmonique pour des systèmes possédant des non-linéarités polynomiales. Ces restrictions conduisent à la résolution de systèmes polynomiaux pour lesquels il existe des méthodes permettant de calculer l'ensemble des solutions. En particulier, on propose l'utilisation originale de méthodes basées sur le calcul de bases de Groebner pour la résolution de systèmes polynomiaux issus de la mécanique. Les différentes méthodes présentées sont illustrées et comparées sur des exemples simples. Les résultats montrent que même pour des systèmes simples, le comportement dynamique peut être très complexe.
Many types of engineering structures exhibit nonlinear behavior under real operating conditions. Sometimes the unpredicted nonlinear behavior of a system results in catastrophic failure. In civil engineering, grandstands at sporting events and concerts may be prone to nonlinear oscillations due to looseness of joints, friction, and crowd movements.
Stabilité et mécanique non linéaire présente deux aspects fondamentaux de la mécanique non linéaire des solides : l'analyse de réponse statique et l'analyse de stabilité des matériaux et des structures. Il s'agit d'une approche synthétique des notions de base et des principaux résultats concernant l'évolution quasi statique, la stabilité et lé bifurcation des systèmes réversibles ou dissipatifs usuels. Elle concerne par exemple les solides élastiques, élasto-plastiques ou visco-plastiques en petite ou en grande transformation, ces solides étant soumis à des chargements mixtes classiques ou à des conditions de contact unilatéral avec frottement, ou comportant des propagations de fissures internes. L'ouvrage présente les derniers développements de la modélisation des solides en liaisons avec les apports de la thermodynamique et de l'analyse convexe. Bon nombre de ces résultats sont issus des travaux de recherche récents du Laboratoire de Mécanique des Solides de l'Ecole Polytechnique. IL s'adresse plus particulièrement aux enseignants, aux chercheurs, aux ingénieurs et aux lecteurs avertis cherchant une approche variationnelle privilégiant l'esprit mécanique. Il fait le lien entre les ouvrages de mécanique de style classique et les traités mathématiques peu adaptés au contexte de la mécanique des solides.
Le travail présenté dans ce mémoire est une contribution au domaine de l'analyse et de l'identification du comportement dynamique des structures non linéaires. Le premier objectif est la mise au point et la comparaison de quatre techniques de calcul des Modes Normaux Non linéaires. (MNNs) : l'approche de Shaw et Pierre, l'approche de Bellizzi et Bouc, l'équilibrage harmonique et la méthode de tir. La combinaison des trois dernières méthodes avec la méthode de continuation permet de détecter les points de bifurcation et de trouver les nouvelles branches de solutions. Le deuxième objectif est l'identification des paramètres caractérisant le comportement dynamique des systèmes linéaires et non linéaires à partir des réponses libres ou des réponses au bruit ambiant. Les outils présentés sur le traitement du signal réel modulé en amplitude et en fréquence par la transformation en ondelettes continue permettent d'atteindre cet objectif. Le dernier objectif est l'extension de la méthode de sous-structuration linéaire de Craig-Bampton au cas non linéaire.Lorsque l'hypothèse de couplage faible entre les sous-structures est faite, le modèle réduit de la structure globale est obtenu par assemblage de modèles réduits de sous-structures avec interfaces de couplage fixe. Ces modèles réduits sont calculés en utilisant l'approche des MNNs de Shaw et Pierre. La robustesse et l'efficacité des méthodes présentées sont étudiées au travers d'exemples numériques ainsi que de tests réels.
En dynamique explicite, l'analyse des structures par la méthode des Eléments Finis est souvent très coûteuse en temps de calcul à cause du grand nombre de pas de temps nécessaire à la stabilité des modèles. L'utilisation d'algorithmes plus performants tels que les méthodes de décomposition de domaine est désormais cruciale. Ces dernières permettent d'adopter la discrétisation la plus pertinente et par conséquent le pas de temps le plus économique sur chaque sous-domaine. Le premier volet de ces travaux concerne la mise au point d'une méthode de gestion du contact entre les sous-domaines issus de la décomposition. Ce développement a une grande importance dans les simulations de crash automobiles, où l'on ne peut exclure à priori ce type de phénomène. Le second volet traite d'une méthode de discrétisation variable dont l'intérêt est d'enrichir localement et temporairement la discrétisation du modèle Eléments Finis au cours du calcul. Pour chacun de ces deux volets, plusieurs exemples d'application viendront illustrer puis valider les méthodes mises en oeuvre. Leurs efficacités seront alors mesurées par comparaison des résultats à ceux issus de l'approche mono-domaine classique.