Vibration control of hydrofoil structures with nonlinear piezoelectric shunt absorbers

Contrôle des vibrations des structures hydroptères avec des absorbeurs shunt piézoélectriques non linéaires

Zein Alabidin Shami (1)

1 LISPEN - Laboratoire d’Ingénierie des Systèmes Physiques et Numériques

Hydrofoils are lifting surface structures that are mounted on the boats' hull to increase the speed to the power consumption ratio. The basic concept is based on generating a lift force on the boat body leading to a reduction of the contact area with the water and thus a lower drag force. At higher speeds, hydrofoils are subjected to flow-induced vibrations that can lead to high stresses and fatigue, lowering their performance. This thesis aims to attenuate those vibrations using the nonlinear piezoelectric shunt absorber. Those absorbers consist of connecting an electronic shunt circuit to the hydrofoil structure through piezoelectric transduction. In this work, the shunt circuits mainly consist of a resonant circuit (i.e., a resistor in series with an inductor) with a nonlinear component intentionally added. The purpose of adding the nonlinearity is to exploit some features to enhance the absorber attenuation. The main feature under consideration in this work is the saturation phenomenon that leads to the independence of the oscillation amplitude from the excitation level. Consequently, high vibration attenuation can be reached at high excitation levels. This work proposes different nonlinear circuit architectures, including quadratic, cubic, and nonsmooth nonlinearities. Those absorbers are studied theoretically and verified experimentally with a detailed discussion on their advantages, performance, and limitations.

Les hydrofoils sont des structures à surface portante qui sont montées sur la coque des bateaux afin d'augmenter le rapport entre la vitesse et la consommation d'énergie. Le concept de base consiste à générer une force de levage sur le corps du bateau, ce qui entraîne une réduction de la surface de contact avec l'eau et donc une diminution de la force de traînée. A des vitesses plus élevées, les hydrofoils sont soumis à des vibrations induites par l'écoulement qui peuvent conduire à des contraintes élevées et à la fatigue, diminuant ainsi leurs performances. Cette thèse a pour but d'atténuer ces vibrations en utilisant un absorbeur piézoélectrique non-linéaire en dérivation. Ces absorbeurs consistent à connecter un circuit électronique de dérivation à la structure de l'hydroptère par transduction piézoélectrique. Dans ce travail, les circuits de dérivation consistent principalement en un circuit résonnant (c'est-à-dire une résistance en série avec une inductance) avec un composant non linéaire ajouté intentionnellement. Le but de l'ajout de la non-linéarité est d'exploiter certaines caractéristiques pour améliorer l'atténuation de l'absorbeur. La principale caractéristique prise en compte dans ce travail est le phénomène de saturation qui conduit à l'indépendance de l'amplitude d'oscillation par rapport au niveau d'excitation. Par conséquent, une forte atténuation des vibrations peut être atteinte à des niveaux d'excitation élevés. Ce travail propose différentes architectures de circuits non linéaires, incluant des non-linéarités quadratiques, cubiques et non lisses. Ces absorbeurs sont étudiés théoriquement et vérifiés expérimentalement avec une discussion détaillée sur leurs avantages, leurs performances et leurs limites.

Mots clés: Hydrofoils; Piezoelectric shunts; Nonlinear vibrations; Saturation phenomenon; Amortisseurs de vibrations

Mots clés: Hydrofoils; Shunts piézoélectriques; Vibrations non linéaires; Phénomène de saturation

Domaines: Mécanique des matériaux [physics.class-ph]

Zein Alabidin Shami. Contrôle des vibrations des structures hydroptères avec des absorbeurs shunt piézoélectriques non linéaires. Mécanique des matériaux [physics.class-ph]. HESAM Université, 2022. Français. ⟨NNT : 2022HESAE072⟩. ⟨tel-03863895⟩