Développement de fluides électrorhéologiques et applications en contrôle semi-actif des vibrations

Sun, Yulan (2009). Développement de fluides électrorhéologiques et applications en contrôle semi-actif des vibrations. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

L’objectif de cette étude concerne le développement d’un fluide électrorhéogique (ER) ainsi que des applications en contrôle vibratoire. Ce travail est scindé en deux volets, l’un portant sur le développement et la caractérisation d’un fluide ER et l’autre portant sur une application de ce fluide ER pour amortir semi-activement les rotors en torsion.

Un fluide ER est un fluide dont le comportement rhéologique varie sous l’action d’un champ électrique. Dans le premier volet, en analysant l’influence des différents paramètres caractérisés, nous avons développé un fluide ER à l’aide de la méthode des « plans d’expériences ». Ce nouveau fluide ER, nommé ETSERF, permet d’obtenir de bonnes performances rhéologiques. Le fluide ER qui possède un comportement rhéofluidifiant, particulièrement, quand le fluide ER travaille à basse vitesse et proche du seuil d’écoulement.

Afin de bien décrire le phénomène ER, deux modèles empiriques ont été développés. Basée sur l’analyse ANOVA, une relation quantitative entre la contrainte de cisaillement et les variables indépendantes soit : la concentration des particules, la taille des particules, le champ électrique, le surfactant et la vitesse de cisaillement, a été développée. Ce modèle donne une bonne explication de la contribution de chaque variable indépendante sur la viscosité et le seuil d’écoulement. Pour décrire ce comportement notamment aux faibles vitesses d’écoulement, une nouvelle théorie appelée “Quasi-Bingham’’ a été développée et un autre modèle empirique a été proposé. Cette nouvelle théorie peut être utilisée pour modéliser tous les fluides ER rhéofluidifiants. La relation entre l’effet ER et la permittivité a également été étudiée en détail puisque l’effet ER est fortement influencé par les propriétés diélectriques du fluide ER.

Dans le deuxième volet, nous avons conçu un nouvel absorbeur dynamique contrôlable semi activement dans lequel nous avons introduit notre fluide ER afin d’amortir les vibrations d’un rotor en torsion. Le but de cette partie de l’étude est d’évaluer les performances d’amortissement du fluide ER appliqué à un absorbeur dynamique contrôlable (« Smart ER Dynamic Absorber » : SERDA). L’absorbeur SERDA peut fournir, en mode de cisaillement, un amortissement aussi bien qu’une rigidité contrôlable à l’aide d’un champ électrique. Le modèle empirique de Quasi-Bingham a été amélioré afin qu’il puisse s’adapter aux conditions de fonctionnement vibratoire du fluide ER. Les résultats expérimentaux montrent que l’absorbeur SERDA est efficace pour réduire semi activement les vibrations en torsion d’un rotor.

Titre traduit

Development of electroheological fluids and applications for semi-active control of vibrations

Résumé traduit

The purpose of this study involves the development of an ER fluid and applications for controlling torsional vibrations. These two parts concern the development and characterization of an ER fluid and the application of this ER fluid for semi-active damping of vibrations of rotors.

In the first part, we have developed an ER fluid by applying a design of experiments and by analyzing the influence of different parameters of design on rheological efficiency. This new ER fluid, called ETSERF, provides good rheological efficiency. In order to describe the ER behavior of the ER suspension, two empirical models has been developed. Based on ANOVA analysis, a quantitative relationship between the dynamic shear stresses and the independent variables has been developed. A relationship provides a very useful explanation for the contributions of each independent variable to the viscosity and yield stress. In order to improve this relationship, especially at low shear rates, a new empirical model, called the Quasi-Bingham model, is proposed to explain the performance of rheological fluids that have ER shear-thinning behavior, especially when the ER fluid works under the conditions of low speed and near yield stress. This new model may be used for all fluids with a shear-thinning behavior, especially when they work at low shear rates and yield stress conditions. The relationship between the ER effect and permittivity was also deeply studied since the ER effect strongly depends on the dielectric properties of ER fluids.

In the second part, we have designed a new Smart ER Dynamic Absorber (SERDA) in which our ER fluid has been introduced, in order to semi-actively damp the rotor torsional vibrations. The purpose of this study is to evaluate the efficiency of the SERDA absorber. The results show that the SERDA absorber could semi-actively provide various torsional damping and stiffness under the application of an electric field. A general Quasi Bingham model is proposed in order to describe the dynamic behavior of the fluid ER. The measurements of the absorber efficiency have been carried out and the results show that the ER dynamic absorber exhibits very good performances in order to semi actively reduce the torsional vibrations of rotor systems.

This thesis is presented in the published paper form. Three papers (one published and two submitted) and three papers published in proceedings of conferences show the results of this research:
1. Sun Y, Thomas M., 2009, Control of Rotor Torsional Vibrations by using an Electrorheological Fluid Dynamic Absorber, is accepted to Journal of Vibration and Control
(JVC), 37 pages.
2. Sun Y, Thomas M. and Masounave J., 2009, A Quasi-Bingham model for predicting Electrorheological fluid behaviour, is submitted to Measurement Science and Technology (MST).
3. Sun Y., Thomas M. and Masounave J., 2009, An experimental investigation of the dielectric properties of electrorheological fluids, Journal of Smart Materials and Structures, 18, 024004, 9 p.
4. Sun Y., Thomas M., and Masounave J., July 2007, Experimental investigation on Electrorheological fluid rheology and dielectric properties, Int. Conf. on Smart Materials and Nanotechnology in Engineering (SMN2007), Harbin China, 8p.
5. Sun Y, Thomas M. and Masounave J., 2006, Damping of rotor torsional vibrations with electrorheological fluids, Proceedings of the 24th Seminar on machinery vibration,
Canadian Machinery Vibration Association, ISBN 2-921145-61-8, Montréal, pp. 344-369.
6. Sun Y., Thomas M. and Masounave J., October 2004, Investigation of Dynamic Behavior of Electrorheological Fluids by Experimental Design, Proceedings of the 7th
Cansmart International workshop on Smart Materials and structures, Montreal, pp 153-162.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thèse par articles présentée à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention du doctorat en génie". Comprend des réf. bibliogr.
Mots-clés libres:	Fluides électrorhéologiques. Rotors. application, contrÔle, dÉveloppement, er, semi-actif, orsion, vibration
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Thomas, Marc
Codirecteur:	Codirecteur Masounave, Jacques
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	19 août 2010 13:04
Dernière modification:	17 janv. 2017 02:29
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/82

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