Conception de structures allégées

La conception de structures allégées n’est pas une exigence nouvelle : depuis des décennies, les ingénieurs y travaillent avec succès. De nos jours cependant, dans un contexte mondial de réchauffement climatique, cette préoccupation prend tout son sens…

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La conception allégée : objectifs

Réduire les émissions de gaz à effet de serre

L’effet négatif d’un ajout de masse est évident : la masse étant le rapport d’échange entre l’énergie et le mouvement (énergie cinétique), plus la masse est importante, plus il faut d’énergie pour la déplacer.

Si l’on veut améliorer les performances énergétiques des moyens de transports actuels, une réduction de masse s’impose, en contradiction avec ce que démontrent les essais NVH, à savoir que l’ajout de masse contribue à la réduction des vibrations et du bruit tout en jouant un rôle dans la robustesse de la structure.

Depuis plusieurs décennies, les ingénieurs ont travaillé avec succès à la réalisation de structures plus légères, avec un impact limité sur le confort acoustique ou la résistance aux vibrations.

Alléger les structures reste cependant une préoccupation constante, tant que l’énergie sera une ressource limitée sur notre planète. Pour réduire la consommation d’énergie, des méthodes innovantes doivent être associées à des bonnes pratiques bien établies. La réduction de la masse des carrosseries de voiture est un exemple d’application.

Le besoin de limiter les émissions de gaz à effet de serre et la prise de conscience collective associée donne une nouvelle impulsion à cette thématique “allègement des structures” et encourage à la mise en application de concepts innovants dans le domaine des matériaux.

Conception de structures allégées : défis à relever

Performance de la conception

Assurer un confort acoustique et une bonne résistance aux vibrations peut être une tâche difficile car nombreuses sont les contraintes imposées par la conception et les performances fonctionnelles des produits. Parmi ces contraintes, on retrouve la taille, le coût et bien sûr, l’ajout de masse dédié au confort acoustique et à la réduction des vibrations.

L’ajout de masse apparaît comme la solution la plus simple pour contrer les problématiques soulevées en NVH : cette masse ajoutée peut réduire l’amplitude de la réponse vibratoire, décaler les fréquences de résonance et jouer un rôle d’amortissement passif lorsque des matériaux viscoélastiques sont utilisés à bon escient.

Bien que simple, cette solution n’est pourtant pas idéale.

La conception allégée : spécifications

Comment faire la différence ?

Incorporer des moyens de réduire la propagation des ondes élastiques et des vibrations indésirables dans les structures allégées est une idée innovante.

Cette idée peut être concrétisée en définissant des conditions adéquates pour contrôler les ondes élastiques comme la variation périodique des propriétés mécaniques ou des résonances locales, ce qui se traduit par une gamme de fréquences où la propagation des ondes est fortement amoindrie.

Le développement de ces nouveaux « matériaux » s’inscrit dans le cadre d’un partenariat de recherche avec l’université du Mans (LabCom FullFields) : l’objectif de ce programme commun est d’appliquer cette technologie résolument innovante dans le monde industriel. De grands noms des secteurs de l’aérospatial, de l’automobile, du ferroviaire et de l’énergie ont déjà manifesté leur intérêt pour soutenir les travaux en cours.

Ces nouveaux « matériaux » très techniques feront certainement partie des structures allégées de demain dans le domaine aérospatial ou automobile. La conception allégée et robuste nécessite le savoir-faire de Metravib en matière de dynamique structurelle et de vibro-acoustique, qui sont des compétences clés de nos ingénieurs et techniciens.

On ne peut pas ignorer l’importance de la caractérisation dynamique des structures, de l’estimation des forces dynamiques opérationnelles et de l’amortissement qui sont des paramètres clés utilisés dans la conception à l’aide de méthodes numériques (telles que les éléments finis) : cette approche qui combine conception numérique et qualification expérimentale est largement adoptée dans l’industrie. Elle est utilisée et perfectionnée par les ingénieurs de Metravib depuis des décennies.

La conception allégée : applications

FullFields LabCom

Metravib et L’Université du Mans se sont associés via leur laboratoire de recherche commun, FullFields, pour travailler ensemble sur :

  • Les métamatériaux non résonants pour créer des bandes interdites en vibration sur une structure de grande taille telle qu’une éolienne.
  • Les métamatériaux résonnants pour traiter les phénomènes en basse fréquence comme dans un transformateur électrique, des générateurs ou des moteurs.
  • Les trous noirs acoustiques pour améliorer l’amortissement des moyennes et hautes fréquences, comme dans la structure d’une voiture électrique par exemple.