Maîtriser les vibrations grâce à l’amortissement non linéaire

L’amortissement non linéaire est au cœur des recherches visant à comprendre comment l’énergie vibratoire se dissipe dans les structures mécaniques soumises à des sollicitations intenses. En ingénierie, les vibrations sont souvent perçues comme indésirables. On suppose généralement qu’elles sont faibles, mais en réalité, elles peuvent atteindre des amplitudes importantes, notamment dans les structures minces comme le fuselage ou les ailes d’un avion. Ces vibrations provoquent des changements soudains dans les propriétés mécaniques, en particulier la rigidité, ce qui rend le comportement du système non linéaire. De manière surprenante, certaines structures se mettent alors à vibrer beaucoup moins que prévu, révélant une forme de dissipation énergétique encore mal comprise. La question qui en découle est : où va l’énergie? L’étude de l’amortissement non linéaire essaye d’expliquer cette dissipation inattendue. Contrairement à l’amortissement linéaire —qui augmente de manière proportionnelle avec l’amplitude et la fréquence des vibrations — l’amortissement non linéaire croît beaucoup plus rapidement.

Comprendre la dissipation vibratoire

Giovanni Ferrari, professeur à l’ÉTS, se concentre précisément sur cette problématique. Il cherche à élucider les mécanismes permettant à l’énergie vibratoire de se dissiper naturellement dans les structures. Une meilleure compréhension de ces phénomènes pourrait permettre de concevoir des matériaux ou des systèmes à haut pouvoir d’amortissement, transformant ainsi l’amortissement non linéaire en un levier pour l’innovation. De plus, des structures naturelles, comme les artères humaines ou les arbres, qui présentent un amortissement non linéaire et une rigidité variable selon la fréquence des vibrations, inspirent de nouvelles approches biomimétiques pour la conception de matériaux. Par exemple, l’aorte humaine, en amortissant les pulsations cardiaques, possède des propriétés anisotropes qui lui permettent d’absorber efficacement les vibrations. Ce phénomène pourrait offrir des pistes pour développer des matériaux adaptés aux environnements dynamiques.

Applications médicales et défis des greffons

Ces recherches sont particulièrement pertinentes dans le domaine médical, notamment pour les chirurgies de l’aorte en cas d’anévrisme ou de rupture. Les greffons utilisés, plus rigides et comportant moins d’amortissement que l’aorte naturelle, ne remplissent pas correctement leur rôle, ce qui perturbe la dynamique des battements cardiaques. Giovanni Ferrari a mené des études expérimentales et numériques sur des échantillons d’aorte et de greffon dans des boucles circulatoires reproduisant la pression cardiaque. Ces recherches ont mis en lumière les défis liés à la jonction entre les greffons et l’aorte, soulignant l’importance de mieux comprendre le comportement de ces tissus pour améliorer les solutions proposées.

Vibrations non linéaires dans les réacteurs nucléaires

Dans le domaine de l’énergie nucléaire, les réacteurs à eau pressurisée rencontrent un problème similaire. Les barres de combustible, longues et fines, sont soumises à des vibrations non linéaires importantes en raison du liquide de refroidissement à grand débit qui les entoure. Ces vibrations génèrent un frottement intense aux attaches, pouvant causer l’usure et la perforation des barres, ce qui permet au liquide de refroidissement d’atteindre les matériaux nucléaires et entraîne l’arrêt du réacteur. Giovanni Ferrari mène des expériences sur des barres plus courtes pour mieux comprendre ces effets et établir des règles de conception afin de renforcer la sécurité du circuit primaire.

Réduction des vibrations dans les structures métalliques et composites

Enfin, dans les secteurs de l’aéronautique, certaines structures métalliques ou composites, comme les ailes d’avion ou les pales de moteur, peuvent vibrer de façon marquée sous l'effet du vent. Ces vibrations, souvent intenses, sont difficiles à contrôler en raison du faible amortissement naturel. Pour y remédier, Giovanni Ferrari explore l’utilisation de composants piézoélectriques intégrés dans la structure, capables de mesurer les vibrations ou de générer des vibrations opposées pour les annuler par interférence. Ce contrôle actif permet de réduire efficacement les vibrations non linéaires, un objectif que les méthodes passives ou linéaires ne sauraient atteindre.

Vers des solutions innovantes pour maîtriser les vibrations non linéaires

En conclusion, les recherches de Giovanni Ferrari ouvrent de nouvelles voies pour maîtriser les vibrations non linéaires, offrant des solutions innovantes dans des domaines aussi variés que l’aérospatiale, la médecine et l’énergie. Ces travaux pourraient non seulement améliorer la conception de matériaux, mais aussi rendre les structures plus sûres et plus efficaces face aux sollicitations dynamiques.