Couplage électromécanique effectif dans les structures piézoélectriques : expérimentations, simulations et corrélations

Le coefficient de couplage electromecanique (CCEM) est un parametre essentiel pour la description des materiaux piezoelectriques, il traduit la conversion d’energie electrique en energie mecanique et vice versa. Ce coefficient de couplage est etudie et determine dans le cadre de cette these pour des ceramiques piezoelectriques. Ces dernieres sont utilisees pour trois structures differentes ; la premiere structure etudiee est constituee d’une poutre longue et mince avec des petits patchs colles symetriquement sur les deux faces de la poutre en Aluminium, la seconde structure se compose d’une poutre courte et epaisse avec deux grands patchs. La derniere structure etudiee est une plaque composite multicouche du type aeronautique avec un seul grand patch. Ces trois structures ont ete etudiees afin de determiner le coefficient de couplage electromecanique effectif qui est considere comme un indicateur de performance de l’amortissement passif shunte. Ce coefficient de couplage a ete evalue de differentes manieres en utilisant differents parametres dont les conditions limites electriques, les proprietes elastiques des patchs, les proprietes modales de la poutre seule ainsi que les facteurs de couplages piezoelectriques. Une premiere etude experimentale a ete menee sur la poutre longue pour deux types de configurations en court circuit et circuit ouvert pour identifier ses proprietes modales. La poutre longue a ete simulee pour deux types de polarisations, identiques et opposees, et simulee dans les deux codes Ansys® et Abaqus®. L’influence de la condition d’equipotentielle sur le coefficient de couplage a ete etudiee. Une seconde campagne experimentale et numerique sur une autre structure a ete necessaire pour valider les resultats obtenus. Pour pouvoir atteindre cet objectif, il etait necessaire de travailler sur une structure plus courte et plus rigide. Ainsi, la poutre courte a ete simulee dans Ansys® et les resultats obtenus ont confirme la necessite de prendre en compte l’equipotentialite sur les faces des patchs. Cette condition a pour effet de reduire le couplage electromecanique et parfois de decoupler certains modes. L’ecart resultant de la correlation experimentale / numerique des deux poutres instrumentees a incite a recaler les modeles numeriques. Ce recalage peut se presenter sous trois formes : mecanique en remplacant l’encastrement par des ressorts lineaires, electrique en remplacant les capacites fournies par le fabricant par les valeurs mesurees experimentalement et electromecanique en utilisant les deux recalages precedents simultanement. Les deux poutres ont ensuite ete simulees en deformations planes et contraintes planes et recalees afin d’approcher les resultats experimentaux. L’etude de ces deux structures a permis de confronter les differentes methodes d’evaluation du CCEM effectif, d’evaluer l’influence de l’equipotentialite sur les faces des electrodes et de comparer les simulations bidimensionnelles aux tridimensionnelles. Une plaque composite multicouche du type aeronautique a ete ensuite etudiee pour generaliser la methode d’evaluation du CCEM effectif pour les structures minces composites. La plaque seule a d’abord ete simulee dans Ansys® pour valider le modele numerique. Des tests sur la structure adaptative ont ensuite ete menes pour l’evaluation du CCEM experimental. La position choisie du patch a ete determinee par une analyse de l’energie de deformation de la plaque seule pour les modes d’interet. Cette methode de placement du patch s’est averee efficace dans le sens ou elle a conduit a des CCEM effectifs eleves pour certains modes de la bande de frequence retenue.