Brevet FR3095023A1 — publié le 20201016

Description Titre de l'invention : METAMATERIAU POUR LE FILTRAGE DES VIBRATIONS ET PIECE ISOLANTE REALISEE AVEC LEDIT METAMATERIAU [0ool] L'invention concerne un métamatériau destiné au filtrage des vibrations ainsi qu'une pièce isolante réalisée avec ledit métamatériau. [0002] Plus précisément, l'invention s'intéresse à un métamatériau permettant d'assurer une isolation à l'égard des vibrations à l'interface des liaisons internes d'une structure complexe et, notamment, vis-à-vis des phénomènes vibratoires générés par les organes tournants de véhicules automobiles et/ou par des sollicitations extérieures appliquées auxdits véhicules. [0003] Il existe déjà de nombreux moyens destinés à assurer un filtrage des ondes vibratoires et/ou une isolation vis-à-vis des vibrations. [0004] Parmi ces moyens, on peut citer, notamment, les cales en matériau élastomère, les cales hydrauliques, les dispositifs amortisseurs. [0005] Généralement, ces moyens traditionnels sont destinés, en présence de vibrations, soit à assurer une rigidification en hautes fréquences, soit à traiter uniquement les basses fréquences. [0006] Leurs bandes fréquentielles de fonctionnement sont donc étroites en particulier pour les masses de type « Tuned Mass Damper » (TMD) embarquées ce qui restreint le champ de leur utilisation et limite leur efficacité. [0007] Par ailleurs, à la croisée des domaines vibratoire et acoustique, il a été trouvé d'autres solutions d'isolation utilisant des matériaux à propriétés dites auxétiques. [0008] Ces matériaux auxétiques ont un coefficient de Poisson négatif et présentent géné- ralement une structure constituée de formes géométriques qui sous l'action d'une contrainte de traction dans la direction longitudinale vont s'étendre dans la direction transversale. [0009] De telles structures, dont celle développée notamment par Cui et Flai-ne, comprennent un bloc en mousse polyuréthane à canés rotatifs dont chaque polygone contient un cylindre métallique. [0010] Ce matériau à double porosité peut ainsi, en fonction de sa compression, améliorer sensiblement l'isolation vibratoire et l'absorption acoustique. [0011] Toutefois, ce matériau n'a pas été développé dans une optique d'optimisation dynamique et sa conception (tant en profil qu'en géométrie) n'est donc pas adaptée au domaine automobile. [0012] En outre, l'usage d'une mousse comme élément constitutif modifie le comportement 2 du matériau et restreint ses applications de manière non négligeable. [0013] Par ailleurs, le brevet FR3016945B1 décrit un matériau alvéolaire permettant l'amortissement des chocs. Ce matériau comprend une plaque de base supportant une structure auxétique. La section transversale de ce matériau comporte une pluralité d'orifices traversants qui sont remplis d'un matériau d'amortissement. [0014] Il s'avère donc qu'il n'existe pas aujourd'hui de matériau isolant présentant une structure composite ajourée permettant d'avoir un comportement mécanique fortement non linéaire. [0015] Les métamatériaux sont des matériaux de synthèse aptes et destinés à traiter les phénomènes ondulatoires tels que des vibrations. La structure des métamatériaux est généralement composite et est constituée d'une base intégrant des résonateurs. Le profil et la géométrie des résonateurs varient selon le type d'ondes à traiter niais ils sont généralement disposés périodiquement sur la base et permettent ainsi de guider les ondes à travers le métamatériau. [0016] La présente invention propose un métamatériau dont la géométrie structurelle spécifique est élaborée en vue de résoudre les problèmes techniques posés par les solutions d'isolation et/ou de filtrage traditionnelles. [0017] Ce but est atteint au moyen d'un tnétatnatériau isolant pour le filtrage des ondes vi- bratoires dont la structure comprend au moins un élément modulaire auxétique, caractérisé en ce que ledit élément modulaire auxétique comprend au moins une cellule portant des pontets périphériques élastiquement déformables et renfermant un insert résonateur rigide. [0018] Selon un mode de réalisation préférentiel, l'élément modulaire auxétique comprend quatre cellules reliées entre elles par les pontets de façon à former une boucle fermée. [0019] Selon une caractéristique avantageuse, les parois de la cellule et des pontets intercel- lulaires sont réalisées d'un seul tenant et dans une même matière élastomère et en ce que l'insert résonateur rigide est en métal. [0020] Selon une caractéristique spécifique, l'épaisseur des pontets est au moins égale à celle de la paroi de la cellule. [0021] Selon une autre caractéristique, les pontets s'étendent perpendiculairement entre eux à la périphérie de la cellule. [0022] Selon encore une autre caractéristique, la cellule a une section sensiblement circulaire dont le volume intérieur est entièrement occupé par l'insert résonateur rigide. [0023] Selon une première variante, la cellule est cylindrique et porte quatre pontets qui s'étendent radialement et de façon diamétralement opposée deux à deux. [0024] Selon une autre variante, la cellule est sphérique et porte six pontets. [0025] Un autre objet de l'invention est une pièce isolante en métamatériau pour le filtrage des vibrations dans les véhicules automobiles comprenant une série périodique 3 d'éléments modulaires auxétiques tels que définis ci-dessus reliés les uns aux autres par des pontets. [0026] Selon une variante de réalisation, cette pièce isolante est sous forme de plaque ou de bloc. [0027] Doté d'une structure spécifique composite et ajourée, le rnétarnatériau de l'invention, par ses caractéristiques statiques et dynamiques, permet d'obtenir un système d'isolation vibratoire compact affectant un domaine de fréquences élargi. [0028] En statique, le système présente un plateau de raideur (zone de raideur nulle) après compression. Un état de contrainte proche de cc plateau permet un filtrage dynamique plus étendu des vibrations. En pratique, cet état serait atteint via la reprise de la masse du système à isoler (contrainte statique). [0029] En dynamique, le matériau présente des zones de fréquences dans lesquelles les ondes ne peuvent pas se propager. [0030] En outre, le métamatériau de l'invention tout en ayant un coût faible, offre de meilleures performances par rapport aux matériaux d'isolation traditionnels et sans augmentation de l'encombrement car il peut être implanté dans l'espace intercalaire existant ou équivalent. [0031] Par conséquent, le matériau d'isolation de l'invention présente un excellent compromis entre le coût, les performances, la fiabilité et la qualité. [0032] D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront à la lecture de la description qui va suivre, en référence aux figures annexées et détaillées ci-après. [0033] [fig.1A] est une vue de face d'un premier mode de réalisation du métamatériau auxétique de l'invention à l'état libre (sans contrainte). [0034] [fig.1B] est une vue de face du mode de réalisation de la figure 1A à l'état pré- contraint sous compression. [0035] [fig.1C] est une vue de face du mode de réalisation des figures 1A et 1B déformé sous contraintes. [0036] [fig.2A] est une vue de face d'un métamatériau auxétique selon l'invention réalisé par l'assemblage de plusieurs éléments modulaires selon le mode de réalisation de la figure 1A. [0037] [fig.2B] est une vue de face du métamatériau auxétique de la figure 2A à l'état déformé sous compression. [0038] [fig.3] est graphe représentant la courbe de raideur du métamatériau de la figure 2A. [0039] [fig.4A] est un graphe représentant les zones de fréquences des bandes interdites des ondes vibratoires en fonction des dimensions de résonateurs locaux. [0040] [fig.4B] est un graphe représentant les effets de la déformation sur les fréquences des bandes interdites des ondes vibratoires. [0041] [fig.5] est une vue en perspective d'un second mode de réalisation du métamatériau auxétique de l'invention à l'état libre (sans contrainte). [0042] Pour plus de clarté, les éléments identiques ou similaires sont repérés par des signes de référence identiques sur l'ensemble des figures. [0043] Naturellement, les modes de mise en oeuvre du procédé de l'invention illustrés par les figures présentées ci-dessus et décrites ci-après, ne sont donnés qu'à titre d'exemples non limitatifs. Il est explicitement prévu que l'on puisse proposer et combiner entre eux différents modes pour en proposer d'autres. [0044] L'invention concerne un métamatériau auxétique perfectionné, destiné au filtrage des ondes vibratoires et dont la structure comprend au moins un élément modulaire cellulaire. En particulier, l'invention s'intéresse au filtrage et/ou à l'absorption des vibrations à l'interface de liaison entre divers composants montés dans un ensemble mécanique. [0045] Le métamatériau auxétique de l'invention trouve une application spécifique dans le filtrage des vibrations générées par des machines tournantes et/ou des sollicitations extérieures. [0046] Un domaine d'application spécifiquement visé par le métamatériau d'isolation de l'invention se situe dans le secteur automobile où le métamatériau est utilisé pour la fabrication de pièces isolantes. [0047] De manière générale, un matériau à propriétés auxétiques est caractérisé par un co- efficient de Poisson négatif. [0048] Le coefficient de Poisson correspond, en valeur absolue, au rapport entre la contrainte transversale d'un matériau et sa contrainte longitudinale. Ce coefficient traduit donc la capacité de déformation transversale d'un matériau. [0049] Lorsqu'un matériau présentant un coefficient de Poisson positif est soumis à une traction dans la direction longitudinale, il se contracte alors dans la direction transversale comme c'est le cas pour la plupart des matériaux. [0050] En revanche, il existe des matériaux qui, lorsqu'ils sont soumis à une traction longi- tudinale, voit leur dimension transversale augmenter. Leur coefficient de Poisson est alors négatif et de tels matériaux sont dits auxétiques. [0051] De manière générale, l'élément auxétique modulaire du métamatériau de l'invention comprend au moins une cellule portant des pontets périphériques élastiquement déformables et renfermant un insert résonateur rigide. [0052] Dans le mode de réalisation représenté notamment sur les figures 1A et 2A, l'élément auxétique modulaire 1 constituant le métamatériau d'isolation vibratoire de l'invention ne comprend ici que quatre cellules 10 (respectivement 10a, 10b, 10c et 10d) reliées entre elles par des pontets 11 élastiquement déformables en formant une boucle fermée la. Chaque cellule renferme un insert résonateur rigide 12. [0053] Dans un autre mode de réalisation illustré par la figure 2A, le métamatériau d'isolation de l'invention peut comprendre une série périodique d'éléments modulaires auxétiques 1 reliés les uns aux autres par les pontets intercellulaires 11 en formant une plaque P d'épaisseur uniforme ou variable. La structure du métamatériau de l'invention consiste alors en un arrangement régulier dc cellules composites 10 dans l'espace. [0054] Toutefois, le mode de réalisation préférentiel du métamatériau de l'invention consiste à assembler plusieurs éléments auxétiques 1 en boucles fermées la formées chacune de quatre cellules 10. [0055] Les parois des cellules 10 et des pontets 11 sont réalisées d'un seul tenant et dans une même matière très élastique, par exemple, un élastomère avec un coefficient de dissipation faible. L'épaisseur des pontets 11 et au moins égale à l'épaisseur de la paroi des cellules 10. [0056] La matière élastomère constituant la paroi des cellules 10 et celle des pontets 11 est, de préférence, choisie dans le groupe comprenant ; le silicone, le TPU, .... tandis que l'insert résonateur 12 est réalisé avec une matière à forte densité, par exemple, un métal choisi dans le groupe comprenant l'acier, le plomb, ... [0057] Comme illustré par les figures 1A, 1B et 1C, la paroi de chaque cellule 10 se prolonge radialcment par quatre pontets 11 qui font saillie à partir de la périphérie de la cellule et de façon diamétralement opposée. Dans le mode dc réalisation représenté ici, les pontets 11 sont disposés sur des diamètres perpendiculaires de la cellule 10. [0058] Les cellules 10 ont une section sensiblement circulaire ou polygonale dont le volume intérieur est entièrement occupé par le résonateur rigide 12 qui est encapsulé et solidaire de la paroi de la cellule. Il en résulte que, sous contraintes, la paroi des cellules 10 ne subit que peu ou pas de déformation, à la différence des pontets 11. [0059] En effet et comme illustré par les figures, le métamatériau de l'invention est réalisé au moyen d'un élément modulaire 1 en boucle la (figure 1A) à quatre cellules 10, soit sous forme d'une plaque P formée de la réunion de plusieurs éléments modulaires 1 (figure 2A) s'étendant dans un même plan. [0060] Bien entendu, le métamatériau de l'invention peut être utilisé pour fabriquer des pièces isolantes ayant tous profils et toutes géométries à condition de reprendre, de façon périodique, les éléments modulaires 1 en boucle fermée la. [0061] Lorsqu'une pièce en métamatériau est fixée sur un support R à isoler et se trouve sous contraintes, par exemple, par l'action d'une source de vibrations S (représentée au-dessus de la plaque P de matériau isolant sur la figure 2A), les pontets intercellulaires 11 flambent et les cellules 10 pivotent (dans le sens des flèches sur les figures 1B/ 1C et figure 2B) en se rapprochant progressivement (figure 1B) ce qui conduit à aplatir l'évidement situé au centre de la boucle la. [0062] L'état de déformation de la plaque P en métamatériau isolant tel qu'il résulte d'une compression est illustré par la figure 2B (avec 5% de déformation) tandis que la figure 6 3 représente la courbe de raideur de la plaque P de matériau (obtenue par simulation numérique). [0063] Comme cela apparaît sur la figure 2B, les zones de plus fortes contraintes se situent ici au niveau des pontets intercellulaires latéraux. [0064] La courbe de la figure 3 fait apparaître deux tendances principales : d'une part, une pente initiale quasi-linéaire et, d'autre part, un plateau où la raideur est proche de zéro. Une telle valeur de raideur permet de traiter les vibrations de manière optimale et d'isoler les composants à protéger. [0065] Bien que non représenté sur la figure 3, il a été observé une reprise de raideur lorsque les différentes cellules 10 rentrent en contact et viennent en butée les unes avec les autres. [0066] En dynamique, des simulations sur des structures périodiques infinies permettent d'observer des zones de fréquences où les ondes sont réfléchies et ne peuvent pas se propager. L'étude de ces zones dénommées bandes interdites (ou « bandgaps ») a permis de montrer d'une part l'intérêt d'insérer des résonateurs locaux de diamètre maximal (figure 4A), et d'autre part de mettre en évidence l'effet de la déformation sur les fréquences des bandes interdites (figure 4B). [0067] La figure 4A représente de manière approximative les dimensions des bandes in- terdites en fonction du rayon des inserts résonateurs 12 et des fréquences f, pour un taux de compression de 20%. [0068] De même, la figure 4B représente l'influence de la déformation en compression sur ces bandes interdites en fonction des fréquences f, pour des inserts résonateurs 12 de rayon 2mm. [0069] Les effets présentés sur les courbes de la figure 4B apparaissent à hautes fréquences, mais il est facile de descendre en fréquences, en optimisant les matières constitutives et les dimensions des cellules 10. [0070] Selon un premier mode de réalisation, le métamatériau auxétique selon l'invention est utilisé pour réaliser des pièces isolantes par extrusion en deux dimensions, c'est-à-dire sous forme d'un bloc ou d'une plaque ayant une section constante dans la troisième direction (perpendiculaire au plan des figures). Cette variante qui est illustrée, notamment, par les figures 2A et 2B, permet d'avoir des résonateurs de masse importante et une raideur différente dans cette troisième direction, ce qui peut s'avérer utile en fonction des applications. Dans ce cas, le procédé de fabrication envisagé utilise un moule imprimé en 3D pour effectuer le moulage de la plaque P avec une matière élastomère de type silicone. [0071] Selon un autre mode de réalisation, il est prévu de réaliser une pièce isolante en mé- tamatériau auxétique avec une section variable selon les trois dimensions (pour une structure développée en 3D). Dans un tel mode illustré par la figure 5, les cellules 10 et 7 les inserts résonateurs 12 (dont l'un est représenté en éclaté) ne sont alors plus des cylindres, mais des sphères, ce qui diminue leur masse et donc leur effet potentiel mais qui permet d'avoir des bandes interdites pour les vibrations dans toutes les directions. [0072] Pour cet autre mode, les cellules sphériques portent alors six pontets 11 de liaison avec les cellules 10 adjacentes et le procédé de fabrication utilisera, soit un moule perdu en négatif, soit une impression 3D adaptée. 8 [Revendication 1] [Revendication 2] [Revendication 3] [Revendication 4] [Revendication 5] [Revendication 6] [Revendication 7] [Revendication 8] [Revendication 9] [Revendication 10] REVENDICATIONSMétamatériau pour le filtrage des ondes vibratoires dont la structure comprend au moins un élément modulaire auxétique (1), caractérisé en ce que ledit élément modulaire auxétique (1) comprend au moins une cellule (10) portant des pontets (11) périphériques élastiquement déformables et renfermant un insert résonateur rigide (12). Métamatériau selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit élément modulaire auxétique (1) comprend quatre cellules (10a, 110h, 10c, 10d) reliées entre elles par lesdits pontets (11) de façon à former une boucle fermée (la). Métamatériau selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les parois de ladite cellule (10) et desdits pontets (11) sont réalisées d'un seul tenant et dans une même matière élastomère et en ce que ledit insert résonateur rigide (12) est en métal. Métamatériau selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'épaisseur des pontets (11) est au moins égale à celle de la paroi de la cellule (10). Métamatériau selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que lesdits pontets (11) s'étendent perpendiculairement entre eux à la périphérie de la cellule (10). Métamatériau selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite cellule (10) a une section sensiblement circulaire dont le volume intérieur est entièrement occupé par l'insert résonateur rigide (12). Métamatériau selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ladite cellule (10) est cylindrique et porte quatre pontets (11). Métamatériau selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite lesdits pontets (11) s'étendent radialement et de façon diamétralement opposée deux à deux. Métamatériau selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite cellule (10) est sphérique et porte six pontets (11). Pièce isolante en métamatériau pour le filtrage des vibrations dans les véhicules automobiles, caractérisée en ce qu'elle comprend une série périodique d'éléments modulaires auxétiques (1) selon l'une des revendications précédentes, reliés les uns aux autres par lesdits pontets (11).