Etude et optimisation de récupérateurs d’énergie vibratoire à substrat en microstructures

Au cours des dernières décennies, l’évolution rapide de l’électronique, marquée par la miniaturisation des composants et la réduction de leur consommation énergétique, a favorisé l’émergence de dispositifs autonomes capables de mesurer et transmettre des informations sans fil. Dans ce contexte, la récupération d’énergie à partir de vibrations ambiantes constitue une solution prometteuse pour alimenter ces systèmes, tout en limitant leur dépendance aux sources conventionnelles telles que les piles et les batteries. Cette thèse s’inscrit dans le domaine de la récupération d’énergie vibratoire à l’aide de matériaux piézoélectriques, qui offrent une densité de puissance élevée et sont adaptés aux vibrations mécaniques omniprésentes dans l’environnement. L’objectif principal est d’améliorer les modèles de prédiction existants et d’optimiser la conception de récupérateurs piézoélectriques pour maximiser la puissance récupérée et assurer leur fiabilité.Le travail se concentre sur l’utilisation de films piézoélectriques composites de type Macro Fiber Composite (MFC) qui se distinguent par leur souplesse et leur robustesse mécanique, et exploités principalement en mode d33 pour une génération de tension élevée. Pour surmonter les limitations liées à la non-uniformité du champ électrique et aux contraintes mécaniques, un modèle analytique a été développé. Ce modèle est basé sur des volumes élémentaires représentatifs et la théorie de Timoshenko qui permet ainsi de prendre en compte les effets de cisaillement transversal et de rotation des sections.Il offre ainsi une meilleure précision prédictive par rapport au modèle classique d’Euler–Bernoulli.Une analyse paramétrique complète et une optimisation par la simulation ont été réalisées pour concevoir des récupérateurs asymétriques et symétriques de type poutre ou plaque, en tenant compte de la fréquence d’excitation ciblée. Pour les configurations complexes, un métamodèle prédictif a été construit à partir d’une base de données hybride combinant résultats analytiques et simulations numériques, et intégré dans un processus d’optimisation basé sur un algorithme évolutionnaire.Enfin, l’intégration de métamatériaux dans les substrats des récupérateurs a été étudiée pour améliorer la puissance récupérée, réduire le poids et analyser la distribution des contraintes sur les films piézoélectriques. Des structures cellulaires de type nid d’abeille et auxétiques ont été considérées et une approche combinant modélisation numérique et intelligence artificielle a été développée pour prédire et optimiser automatiquement le comportement électromécanique.Cette thèse contribue au développement de récupérateurs d’énergie piézoélectriques plus performants et plus fiables, ce qui ouvre la voie à des applications dans l’Internet des objets, les systèmes de surveillance et l’alimentation autonome de dispositifs électroniques