Reduced-order models for geometrically nonlinear vibrations of thin structures - ENSTA Paris - École nationale supérieure de techniques avancées Paris Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2021

Reduced-order models for geometrically nonlinear vibrations of thin structures

Modèles d’ordre réduit pour les vibrations non linéaires géométriques de structures minces

Résumé

When vibrating with large amplitudes, thin structures experience geometric nonlinearity due to the nonlinear relationship between strains and displacements. Because full-order nonlinear analysis on geometrically nonlinear models are computationally very expensive, the derivation of efficient reduced-order models (ROMs) has always been a topic of interest.In this thesis, nonlinear reduction methods for building ROMs with geometric nonlinearity in the framework of the Finite Element (FE) procedure, are investigated. Three non-intrusive nonlinear reduction methods are specifically investigated and systematically compared. They are: implicit condensation and expansion (ICE), modal derivatives (MD), and the reduction to invariant manifold. Theoretical analysis shows that the first two methods can give reliable results only if a slow/fast assumption between slave and master coordinates holds. On the other hand, reduction to invariant manifolds allows proposing a simulation-free reduction method that can be applied without restricting assumptions on the frequencies of the slave modes.Numerical comparisons and numerous applications to continuous structures discretized with the FE procedure, are given subsequently. For application of the invariant manifold-based method, the computation is based on a direct application of the normal form to the physical space and hence to the nodes of the FE mesh, a method recently developed. The examples show the advantages and drawbacks of each reduction method when deriving ROM, and the results of the theoretical comparison are validated.Finally, the analysis of the dynamics of a system with 1:2 internal resonance and cubic nonlinearity is given in the last part of the thesis. The real normal form of the problem is first derived. Then the solution branches of the problem are investigated and compared to simpler solutions with the dynamics truncated at order two. The divergent behaviour of the hardening/softening characteristics for single-mode reduction is investigated with this more complete model.
Lorsqu'elles vibrent avec de grandes amplitudes, les structures minces montrent un comportement non linéaire géométrique, provenant de la relation non linéaire entre les déformations et les déplacements. Les analyses des systèmes complets font appel à des calculs extrêmement couteux de telle sorte que l'établissement de modèles d'ordre réduit efficaces est un sujet d'intérêt majeur pour le calcul prédictif de vibrations de structures minces.Dans cette thèse, des méthodes non linéaires de réduction de modèle pour les structures discrétisées par la méthode des éléments finis et comportant une non-linéarité géométrique, sont étudiées. Trois méthodes non intrusives sont plus particulièrement examinées et systématiquement comparées: la méthode de condensation implicite, la méthode des dérivées modales, et la réduction sur variétés invariantes du système. Les analyses théoriques montrent que les deux premières méthodes ne peuvent donner de résultats fiables que sous hypothèse d'une séparation spectrale entre les fréquences propres des modes maitres et celles des modes esclaves. La méthode de réduction sur variétés invariantes permet quant à elle d'avoir une méthode directe, ne nécessitant pas de pré-calculs, ni d'hypothèses préalables sur les fréquences propres des modes esclaves, afin de fournir des résultats corrects.De nombreuses applications et de comparaisons numériques sont montrées sur diverses structures discrétisées avec la méthode des éléments finis. Pour appliquer la méthode des variétés invariantes, une méthode récemment développée, permet de proposer un calcul direct de la forme normale du problème, à partir de la base physique et donc des degrés de liberté du maillage éléments finis. Les exemples montrent clairement les avantage et inconvénients de chaque méthode, validant aussi les résultats théoriques montrés précédemment.Dans la dernière partie de la thèse, la dynamique non linéaire d'un système présentant une relation de résonance interne 1:2 est analysée, en tenant compte des termes cubiques. La forme normale réelle du problème est d'abord établie. Ensuite les branches de solution du problème sont analysées et comparées avec celles du modèle plus simple négligeant la non-linéarité cubique. Le comportement divergent observé lorsqu'on réduit le problème à un seul mode et que l'on cherche à prédire le comportement raidissant ou assouplissant, est ensuite étudié avec ce modèle plus complet.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03352699 , version 1 (23-09-2021)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03352699 , version 1

Citer

Yichang Shen. Reduced-order models for geometrically nonlinear vibrations of thin structures. Vibrations [physics.class-ph]. Institut Polytechnique de Paris, 2021. English. ⟨NNT : 2021IPPAE012⟩. ⟨tel-03352699⟩
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