Advanced vibro-acoustic condensed models for multi-layer structures
Modèles condensés vibro-acoustiques avancés pour les structures multicouches
Résumé
Vibro-acoustics pertain to a number of diverse industrial applications where sound absorption is a common design objective. Typical structural components in, e.g., aerospace applications involve sandwich composite panels with elastomer/metallic foam bi-materials in their core. In principle, the evaluation of vibroacoustic indicators (for example, transmission loss) of these multi-layer structures through finite element analysis would result in expensive computational power and time. This is due to an increase in the total number of degrees of freedom which results from a complete description of each different layer in the multi-layer system. This challenge could be tackled by employing a condensed equivalent single layer that simulates the vibroacoustic behaviour of the multi-layer system which would require lesser computational storage that effectively reduces the computation time.The existing equivalent plate models describe the bending and shear wave propagation in multi-layers which give a useful prediction for vibroacoustic indicators throughout the audible frequency range if the multi-layer system does not contain any soft material in terms of longitudinal compression. Since compressional (or breathing) wave propagation is not employed in the current models, they are limited to relatively thin multi-layer systems. In this context, this PhD thesis addresses the improvements made on these models through four novel chapters. The first chapter presents the applicability limits of the plate theories, which are commonly employed in many vibro-acoustic applications. In the second chapter, a simple equivalent plate model is developed for sandwich structures, that reduces the difficulties in implementation compared to other models. In the third chapter, a new condensed model is presented to include both symmetric and anti-symmetric motions of the physically multi-layer structures including poroelastic material. The final chapter lays out the newly developed finite element scheme to use the condensed model developed in the third chapter. Through this finite element scheme, it is showed that the condensed/equivalent models result in huge computational gain over the conventional full three-dimensional finite element approach.
La vibro-acoustique concerne un certain nombre d'applications industrielles diverses où l'absorption du son est un objectif de conception commun. Les composants structurels typiques, par exemple dans les applications aérospatiales, comprennent des panneaux composites sandwichs avec des bi-matériaux élastomère/mousse métallique en leur cœur. En principe, l'évaluation des indicateurs vibroacoustiques (par exemple, la perte de transmission) de ces structures multicouches par une analyse par éléments finis est coûteuse en temps et en puissance de calcul. Ceci est dû à l'augmentation du nombre total de degrés de liberté qui résulte d'une description complète de chaque couche différente dans le système multicouche. Ce problème pourrait être résolu en utilisant une couche unique équivalente condensée qui simule le comportement vibroacoustique du système multicouche, ce qui nécessiterait moins de mémoire de calcul et réduirait effectivement le temps de calcul. Les modèles de plaques équivalentes existants décrivent la propagation des ondes de flexion et de cisaillement dans les multicouches, ce qui donne une prédiction utile pour les indicateurs vibroacoustiques dans toute la gamme de fréquences audibles si le système multicouche ne contient pas de matériau mou en termes de compression longitudinale. Comme la propagation des ondes de compression (ou de respiration) n'est pas employée dans les modèles actuels, ceux-ci sont limités aux systèmes multicouches relativement minces. Dans ce contexte, cette thèse de doctorat aborde les améliorations apportées à ces modèles à travers quatre chapitres inédits. Le premier chapitre présente les limites d'applicabilité des théories des plaques, qui sont couramment employées dans de nombreuses applications vibroacoustiques. Dans le deuxième chapitre, un modèle de plaque équivalent simple est développé pour les structures sandwich, qui réduit les difficultés de mise en œuvre par rapport aux autres modèles. Dans le troisième chapitre, un nouveau modèle condensé est présenté pour inclure les mouvements symétriques et antisymétriques des structures physiquement multicouches incluant un matériau poroélastique. Le dernier chapitre présente le nouveau schéma d'éléments finis développé pour utiliser le modèle condensé développé dans le troisième chapitre. Grâce à ce schéma d'éléments finis, il est démontré que les modèles condensés/équivalents permettent un gain de calcul considérable par rapport à l'approche conventionnelle d'éléments finis tridimensionnels complets.
Origine : Version validée par le jury (STAR)