EP3953603A1 - Metamateriau pour le filtrage des vibrations et pièce isolante realisée avec ledit metamateriau - Google Patents

Metamateriau pour le filtrage des vibrations et pièce isolante realisée avec ledit metamateriau

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Publication number
EP3953603A1
EP3953603A1 EP20725860.9A EP20725860A EP3953603A1 EP 3953603 A1 EP3953603 A1 EP 3953603A1 EP 20725860 A EP20725860 A EP 20725860A EP 3953603 A1 EP3953603 A1 EP 3953603A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
metamaterial
bridges
cell
auxetic
metamaterial according
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP20725860.9A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Adrien PYSKIR
Laurent ROTA
Zoran Dimitrijevic
Manuel Collet
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Ecole Centrale de Lyon
Stellantis Auto SAS
Ecole Nationale des Travaux Publics de lEtat ENTPE
Original Assignee
Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Ecole Centrale de Lyon
PSA Automobiles SA
Ecole Nationale des Travaux Publics de lEtat ENTPE
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Centre National de la Recherche Scientifique CNRS, Ecole Centrale de Lyon, PSA Automobiles SA, Ecole Nationale des Travaux Publics de lEtat ENTPE filed Critical Centre National de la Recherche Scientifique CNRS
Publication of EP3953603A1 publication Critical patent/EP3953603A1/fr
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F7/00—Vibration-dampers; Shock-absorbers
    • F16F7/10—Vibration-dampers; Shock-absorbers using inertia effect
    • F16F7/104—Vibration-dampers; Shock-absorbers using inertia effect the inertia member being resiliently mounted
    • F16F7/108—Vibration-dampers; Shock-absorbers using inertia effect the inertia member being resiliently mounted on plastics springs
    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/02—Mechanical acoustic impedances; Impedance matching, e.g. by horns; Acoustic resonators
    • G10K11/04—Acoustic filters ; Acoustic resonators
    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/16—Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/162—Selection of materials

Definitions

  • TITLE METAMATERIAU FOR VIBRATION FILTERING AND INSULATING PART MADE WITH LEDIT METAMATERIAU
  • the invention relates to a metamaterial intended for filtering vibrations as well as an insulating part made with said metamaterial.
  • the invention is concerned with a metamaterial making it possible to ensure isolation with regard to vibrations at the interface of the internal links of a complex structure and, in particular, with respect to phenomena vibrations generated by the rotating members of motor vehicles and / or by external stresses applied to said vehicles.
  • TMD Tuned Mass Damper
  • auxetic materials have a negative Poisson's ratio and generally have a structure made up of geometric shapes which, under the action of a tensile stress in the longitudinal direction, will extend in the transverse direction.
  • Such structures include a block of polyurethane foam with rotating squares, each polygon of which contains a metal cylinder.
  • This double porosity material can thus, depending on its compression, significantly improve vibration insulation and sound absorption.
  • patent FR3016945B1 describes a cellular material allowing shock absorption.
  • This material includes a base plate supporting an auxetic structure.
  • the cross section of this material has a plurality of through holes which are filled with a damping material.
  • Metamaterials are suitable synthetic materials and intended for treating wave phenomena such as vibrations.
  • the structure of metamaterials is generally composite and consists of a base integrating resonators.
  • the profile and the geometry of the resonators vary according to the type of waves to be processed, but they are generally placed periodically on the base and thus make it possible to guide the waves through the metamaterial.
  • the present invention provides a metamaterial whose specific structural geometry is developed with a view to solving the technical problems posed by traditional insulation and / or filtering solutions.
  • an insulating metamaterial for filtering vibratory waves the structure of which comprises at least one auxetic modular element, characterized in that said auxetic modular element comprises at least one cell carrying elastically deformable peripheral bridges and including a rigid resonator insert.
  • the auxetic modular element comprises four cells interconnected by bridges so as to form a closed loop.
  • the walls of the cell and of the intercellular bridges are made in one piece and in the same elastomeric material and in that the rigid resonator insert is made of metal.
  • the thickness of the bridges is at least equal to that of the wall of the cell.
  • the bridges extend perpendicularly to each other at the periphery of the cell.
  • the cell has a substantially circular section, the interior volume of which is entirely occupied by the rigid resonator insert.
  • the cell is cylindrical and carries four bridges which extend radially and in a diametrically opposed manner in pairs.
  • the cell is spherical and carries six bridges.
  • Another object of the invention is an insulating piece of metamaterial for filtering vibrations in motor vehicles comprising a series periodic auxetic modular elements as defined above, connected to each other by bridges.
  • this insulating part is in the form of a plate or of a block.
  • the metamaterial of the invention through its static and dynamic characteristics, makes it possible to obtain a compact vibration isolation system affecting a wide range of frequencies.
  • the system has a stiffness plateau (zone of zero stiffness) after compression.
  • a stress state close to this plateau allows more extensive dynamic filtering of the vibrations. In practice, this state would be reached by taking up the mass of the system to be isolated (static stress).
  • the material has frequency zones in which the waves cannot propagate.
  • the metamaterial of the invention while having a low cost, offers better performance compared to traditional insulation materials and without increasing the bulk because it can be implanted in the existing intermediate space or equivalent.
  • the insulation material of the invention presents an excellent compromise between cost, performance, reliability and quality. [0033] Other characteristics and advantages of the invention will become apparent on reading the description which follows, with reference to the appended and detailed figures below.
  • FIG. IA is a front view of a first embodiment of the auxetic metamaterial of the invention in the free state (unconstrained).
  • FIG. IB is a front view of the embodiment of Figure IA in the pre-stressed state under compression.
  • FIG. IC is a front view of the embodiment of Figures IA and IB deformed under stress.
  • FIG. 2A is a front view of an auxetic metamaterial according to the invention produced by the assembly of several modular elements according to the embodiment of Figure IA.
  • FIG. 2B is a front view of the auxetic metamaterial of Figure 2A in the deformed state under compression.
  • FIG. 3 is a graph representing the stiffness curve of the metamaterial of FIG. 2A.
  • FIG. 4A is a graph representing the frequency zones of the forbidden bands of vibratory waves as a function of the dimensions of local resonators.
  • FIG. 4B is a graph representing the effects of deformation on the frequencies of the forbidden bands of vibratory waves.
  • FIG. 5 is a perspective view of a second embodiment of the auxetic metamaterial of the invention in the free state (unconstrained).
  • the invention relates to an improved auxetic metamaterial, intended for filtering vibratory waves and whose structure comprises at least one cellular modular element.
  • the invention relates to filtering and / or absorption of vibrations at the connection interface between various components mounted in a mechanical assembly.
  • the auxetic metamaterial of the invention finds a specific application in the filtering of vibrations generated by rotating machines and / or external stresses.
  • a field of application specifically targeted by the insulation metamaterial of the invention is in the automotive sector where the metamaterial is used for the manufacture of insulating parts.
  • a material with auxetic properties is characterized by a negative Poisson's ratio.
  • the Poisson's ratio corresponds, in absolute value, to the ratio between the transverse stress of a material and its longitudinal stress. This coefficient therefore reflects the transverse deformation capacity of a material.
  • the modular auxetic element of the metamaterial of the invention comprises at least one cell carrying elastically deformable peripheral bridges and enclosing a rigid resonator insert.
  • the modular auxetic element 1 constituting the vibration isolation metamaterial of the invention comprises here only four cells 10 (respectively 10a, 10b, 10c and 10d ) interconnected by elastically deformable bridges 11 forming a closed loop. Each cell contains a rigid resonator insert 12.
  • the insulation metamaterial of the invention may comprise a periodic series of auxetic modular elements 1 connected to each other by intercellular bridges 11 in forming a plate P of uniform or variable thickness.
  • the structure of the metamaterial of the invention then consists of a regular arrangement of composite cells in space.
  • the preferred embodiment of the metamaterial of the invention consists in assembling several auxetic elements 1 in closed loops 1a each formed of four cells 10.
  • the walls of the cells 10 and of the bridges 11 are made in one piece and in the same very elastic material, for example, an elastomer with a low dissipation coefficient.
  • the thickness of the bridges 11 is at least equal to the thickness of the wall of the cells 10.
  • the elastomeric material constituting the wall of the cells 10 and that of the bridges 11 is preferably chosen from the group comprising; silicone, TPU, .... while the resonator insert 12 is made with a high density material, for example, a metal chosen from the group comprising steel, lead, ...
  • each cell 10 is extended radially by four bridges 11 which project from the periphery of the cell and diametrically opposed.
  • the bridges 11 are arranged on perpendicular diameters of the cell 10.
  • the cells 10 have a substantially circular or polygonal section, the interior volume of which is entirely occupied by the rigid resonator 12 which is encapsulated and integral with the wall of the cell. It follows that, under stress, the wall of cells 10 undergoes little or no deformation, unlike bridges 11.
  • the metamaterial of the invention is produced by means of a modular element 1 in a loop ( Figure IA) with four cells 10, or in the form of a plate P formed of the union of several modular elements 1 (FIG. 2A) extending in the same plane.
  • the metamaterial of the invention can be used to manufacture insulating parts having all profiles and all geometries on condition that the modular elements 1 are used periodically in a closed loop.
  • FIG. 2B The state of deformation of the plate P in insulating metamaterial as it results from compression is illustrated in FIG. 2B (with 5% deformation) while FIG. 3 represents the stiffness curve of the plate P of material (obtained by numerical simulation).
  • the areas of greatest stress are located here at the level of the lateral intercellular bridges.
  • the curve in Figure 3 shows two main trends: on the one hand, an initial quasi-linear slope and, on the other hand, a plateau where the stiffness is close to zero. Such a stiffness value makes it possible to treat vibrations optimally and to isolate the components to be protected.
  • FIG. 4A represents approximately the dimensions of the forbidden bands as a function of the radius of the resonator inserts 12 and of the frequencies f, for a compression ratio of 20%.
  • FIG. 4B represents the influence of the compression deformation on these forbidden bands as a function of the frequencies f, for resonator inserts 12 of radius 2mm.
  • the auxetic metamaterial according to the invention is used to produce insulating parts by extrusion in two dimensions, that is to say in the form of a block or of a plate having a constant section in the third direction (perpendicular to the plane of figures).
  • This variant which is illustrated in particular by FIGS. 2A and 2B, makes it possible to have resonators of significant mass and a different stiffness in this third direction, which may prove useful depending on the applications.
  • the envisaged manufacturing process uses a 3D printed mold to perform the molding of the plate P with an elastomeric material of the silicone type.
  • the cells 10 and the resonator inserts 12 are then no longer cylinders, but spheres, which reduces their mass and therefore their potential effect but which allows to have forbidden bands for vibrations in all directions.
  • the spherical cells then carry six bridges 11 for connection with the adjacent cells 10 and the manufacturing process will use either a lost mold in negative, or a suitable 3D printing.

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Abstract

L'invention concerne un métamatériau 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 ainsi qu'une pièce isolante réalisée avec ledit métamatériau.

Description

DESCRIPTION
TITRE : METAMATERIAU POUR LE FILTRAGE DES VIBRATIONS ET PIECE ISOLANTE REALISEE AVEC LEDIT METAMATERIAU
[0001] La présente invention revendique la priorité de la demande française 1903816 déposée le 10.04.2019 dont le contenu (texte, dessins et revendications) est ici incorporé par référence.
[0002] L’invention concerne un métamatériau destiné au filtrage des vibrations ainsi qu’une pièce isolante réalisée avec ledit métamatériau.
[0003] 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.
[0004] 11 existe déjà de nombreux moyens destinés à assurer un filtrage des ondes vibratoires et/ou une isolation vis-à-vis des vibrations.
[0005] Parmi ces moyens, on peut citer, notamment, les cales en matériau élastomère, les cales hydrauliques, les dispositifs amortisseurs.
[0006] 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.
[0007] 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.
[0008] 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. [0009] Ces matériaux auxétiques ont un coefficient de Poisson négatif et présentent généralement 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.
[0010] De telles structures, dont celle développée notamment par Cui et Harne, comprennent un bloc en mousse polyuréthane à carrés rotatifs dont chaque polygone contient un cylindre métallique.
[0011] Ce matériau à double porosité peut ainsi, en fonction de sa compression, améliorer sensiblement l'isolation vibratoire et l'absorption acoustique.
[0012] 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.
[0013] En outre, l'usage d’une mousse comme élément constitutif modifie le comportement du matériau et restreint ses applications de manière non négligeable.
[0014] 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.
[0015] 11 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.
[0016] 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 mais ils sont généralement disposés périodiquement sur la base et permettent ainsi de guider les ondes à travers le métamatériau. [0017] 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.
[0018] Ce but est atteint au moyen d’un métamatériau isolant pour le filtrage des ondes vibratoires 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.
[0019] 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.
[0020] Selon une caractéristique avantageuse, les parois de la cellule et des pontets intercellulaires sont réalisées d’un seul tenant et dans une même matière élastomère et en ce que l’insert résonateur rigide est en métal. [0021] Selon une caractéristique spécifique, l’épaisseur des pontets est au moins égale à celle de la paroi de la cellule.
[0022] Selon une autre caractéristique, les pontets s’étendent perpendiculairement entre eux à la périphérie de la cellule.
[0023] Selon encore une autre caractéristique, la cellule a une section sensiblement circulaire dont le volume intérieur est entièrement occupé par l’insert résonateur rigide.
[0024] Selon une première variante, la cellule est cylindrique et porte quatre pontets qui s’étendent radialement et de façon diamétralement opposée deux à deux.
[0025] Selon une autre variante, la cellule est sphérique et porte six pontets. [0026] 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 d’éléments modulaires auxétiques tels que définis ci-dessus, reliés les uns aux autres par des pontets.
[0027] Selon une variante de réalisation, cette pièce isolante est sous forme de plaque ou de bloc. [0028] Doté d’une structure spécifique composite et ajourée, le métamatériau de l’invention, par ses caractéristiques statiques et dynamiques, permet d’obtenir un système d’isolation vibratoire compact affectant un domaine de fréquences élargi.
[0029] En statique, le système présente un plateau de raideur (zone de raideur nulle) après compression. Un état de contrainte proche de ce 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).
[0030] En dynamique, le matériau présente des zones de fréquences dans lesquelles les ondes ne peuvent pas se propager.
[0031] 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.
[0032] Par conséquent, le matériau d’isolation de l’invention présente un excellent compromis entre le coût, les performances, la fiabilité et la qualité. [0033] 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.
[0034] [Fig. IA] est une vue de face d’un premier mode de réalisation du métamatériau auxétique de l’invention à l’état libre (sans contrainte). [0035] [Fig. IB] est une vue de face du mode de réalisation de la figure IA à l’état pré-contraint sous compression. [0036] [Fig. IC] est une vue de face du mode de réalisation des figures IA et IB déformé sous contraintes.
[0037] [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 IA.
[0038] [Fig. 2B] est une vue de face du métamatériau auxétique de la figure 2A à l’état déformé sous compression.
[0039] [Fig. 3] est graphe représentant la courbe de raideur du métamatériau de la figure 2A. [0040] [Fig. 4A] est un graphe représentant les zones de fréquences des bandes interdites des ondes vibratoires en fonction des dimensions de résonateurs locaux.
[0041] [Fig. 4B] est un graphe représentant les effets de la déformation sur les fréquences des bandes interdites des ondes vibratoires.
[0042] [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).
[0043] Pour plus de clarté, les éléments identiques ou similaires sont repérés par des signes de référence identiques sur l’ensemble des figures.
[0044] Naturellement, les modes de mise en œuvre 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. 11 est explicitement prévu que l'on puisse proposer et combiner entre eux différents modes pour en proposer d'autres.
[0045] 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. [0046] 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.
[0047] 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.
[0048] De manière générale, un matériau à propriétés auxétiques est caractérisé par un coefficient de Poisson négatif.
[0049] 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.
[0050] 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. [0051] En revanche, il existe des matériaux qui, lorsqu’ils sont soumis à une traction longitudinale, voit leur dimension transversale augmenter. Leur coefficient de Poisson est alors négatif et de tels matériaux sont dits auxétiques.
[0052] 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.
[0053] Dans le mode de réalisation représenté notamment sur les figures IA 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 lOd) reliées entre elles par des pontets 11 élastiquement déformables en formant une boucle fermée la. Chaque cellule renferme un insert résonateur rigide 12.
[0054] 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 de cellules composites 10 dans l’espace.
[0055] 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.
[0056] 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.
[0057] 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, ...
[0058] Comme illustré par les figures IA, IB et IC, la paroi de chaque cellule 10 se prolonge radialement par quatre pontets 11 qui font saillie à partir de la périphérie de la cellule et de façon diamétralement opposée. Dans le mode de réalisation représenté ici, les pontets 11 sont disposés sur des diamètres perpendiculaires de la cellule 10.
[0059] 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. 11 en résulte que, sous contraintes, la paroi des cellules 10 ne subit que peu ou pas de déformation, à la différence des pontets 11.
[0060] 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 IA) 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. [0061] 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.
[0062] 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 IB/ IC et figure 2B) en se rapprochant progressivement (figure IB) ce qui conduit à aplatir l’évidement situé au centre de la boucle la.
[0063] 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 3 représente la courbe de raideur de la plaque P de matériau (obtenue par simulation numérique).
[0064] Comme cela apparaît sur la figure 2B, les zones de plus fortes contraintes se situent ici au niveau des pontets intercellulaires latéraux.
[0065] 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.
[0066] 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.
[0067] 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). [0068] La figure 4A représente de manière approximative les dimensions des bandes interdites en fonction du rayon des inserts résonateurs 12 et des fréquences f, pour un taux de compression de 20%.
[0069] 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.
[0070] 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. [0071] 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.
[0072] Selon un autre mode de réalisation, il est prévu de réaliser une pièce isolante en métamatériau 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 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.
[0073] 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.

Claims

REVENDICATIONS
1. Métamatériau 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).
2. Métamatériau selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit élément modulaire auxétique (1) comprend quatre cellules (10a, 110b, 10c, lOd) reliées entre elles par lesdits pontets (11) de façon à former une boucle fermée (la).
3. 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.
4. 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).
5. 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).
6. 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).
7. Métamatériau selon la revendication précédente, caractérisé en ce que ladite cellule (10) est cylindrique et porte quatre pontets (11).
8. Métamatériau selon la revendication 7, caractérisé en ce que ladite lesdits pontets (11) s’étendent radialement et de façon diamétralement opposée deux à deux.
9. Métamatériau selon la revendication 6, caractérisé en ce que ladite cellule (10) est sphérique et porte six pontets (11).
10. 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).
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