Objectifs

Les applications industrielles visées par les travaux qui seront développés en CESMADYN concernent principalement les navires de surface (DGA, DCNS, GTT..), les sous-marins (DGA, DCNS, ..), les éoliennes offshores (DCNS, ..), les phares et balises (CETMEF, ..) et les plates-formes offshores (SAIPEM, SBM, TECHNIP). Deux sous-thèmes peuvent être extraits de cette problématique pour structures marines, à savoir leur comportements aux impacts et aux ondes de choc (paquet de mer, tossage, collision, protection contre les ondes de choc aériennes et sous-marines) d’une part et leur comportements dynamiques d’ensemble et vibratoires (manoeuvrabilité, tenue à la mer, hydroélasticité, effet des appendices) d’autre part. Les enjeux scientifiques associés à ces activités de recherche sont la simulation et l’expérimentation :

de la propagation d’une onde de choc dans un milieu diphasique (eau aérée, mousses liquide et solide, ..) ;
du mouvement libre d’un corps solide ou élastiquement déformable en interaction avec l’eau ;
de l’endommagement et de la rupture des structures marines (métalliques, composites, mousses, ..) soumises aux impacts ou aux ondes de choc ;
des sollicitations hydrodynamiques cycliques et de leurs conséquences.

Enfin les points durs scientifiques identifiés concernent plus particulièrement :

l’expérimentation et les capteurs en dynamique rapide multi-physique (gaz-fluide-solide),
l’homogénéisation liquide-gaz et solide-gaz en dynamique rapide,
les modèles numériques « simplifiés » avec,

l’unification manœuvrabilité et tenue à la mer,
le tossage linéarisé,
le couplage tossage et fouettement,
la tenue à la mer en non linéaire (balises flottantes et bateaux),

les modèles numériques « avancés » avec

la simulation numérique des surfaces libres en non linéaire,
les super-éléments en couplage fluide-structures déformables (ancrages, navires),
couplage code dynamique du solide avec codes CFD,
couplage code Eléments Finis avec code Eléments Frontières ;

Les critères d’endommagement et de rupture en dynamique rapide (métaux, composites, mousses) avec prise en compte de l’état du matériau après

élaboration,
vieillissement en milieu marin.

La déclinaison des actions de recherche relevant du groupe CESMADYN s’énonce comme suit dans chaque sous-thème.

Comportements dynamique d’ensemble et vibratoire

Participants : Steven Kerampran, Jean-Marc Laurens, Jean-Batiste Leroux, Kostia Roncin

Le développement du modèle de cavitation à poche et sa validation ouvre des voies de recherche prometteuses. Dans un premier temps, il s’agit d’implémenter le modèle de cavitation dans un solveur Navier-Stokes. L’idée est de reprendre la méthode des vitesses de transpiration en utilisant les valeurs calculées en régime potentiel. On peut également utiliser le même modèle en partant du régime subcavitant calculé en Navier-Stokes. La deuxième méthode sera certes plus chère en ressources informatiques mais restera quoi qu’il en soit bien plus rapide que les méthodes classiques actuellement en développement. Marin, aux Pays-Bas, s’est montré très intéressé par l’approche et propose de travailler en collaboration. La société Vicusdt, Vigo, Espagne, s’est également montrée très intéressée. Pour les besoins du développement précédent, seules les poches de cavitation partielles ont été modélisées. En régime supercavitant on sait que les efforts hydrodynamiques s’effondrent et le corps portant perd sa fonction. D’un point de vue hydrodynamique industrielle la prédiction des efforts en régime supercavitant n’a donc en apparence que peu d’intérêt. Cependant, ce régime existe lorsque l’hélice est trop sollicitée. On court alors le risque d’endommager la ligne d’arbre à très brève échéance car la pale en position haute cavite alors qu’elle ne cavite pas en position basse en raison de la pression hydrostatique. Ce déséquilibre entraîne un effort de flexion sur la ligne d’arbre qui se combine avec la compression déjà exercée par la poussée de l’hélice. Pour évaluer les risques pour la ligne d’arbre il s’agit dans un premier temps d’étendre le modèle de poche aux poches supercavitantes puis d’imposer les efforts hydrodynamiques résultants en condition limite d’un calcul de structure impliquant la ligne d’arbre et ses tenants.

Grâce à un couplage entre des simulations potentielles et des simulations par résolution des équations d’Euler, nous avons obtenu des fluctuations de pressions sur la jambe d’un pod tracteur. Le couplage sert surtout à éviter la diffusion numérique importante qui se manifeste dans les codes volumes finis et qui rend impossible la prédiction des fluctuations de pressions. Ces résultats ont été validés par confrontation avec des résultats expérimentaux obtenus au Canada. Cependant notre méthode ne permet pas de placer l’hélice à un grand angle d’incidence car il y a apparition de décollement de la couche limite sur les profils que le code potentiel n’est pas en mesure de simuler. On peut imaginer un couplage Euler-Euler qui ne diffuse pas numériquement en récupérant les vitesses en aval du propulseur en incidence que l'on réinjecte dans un maillage structuré du pod. L’autre approche prometteuse serait de travailler en collaboration avec ISAE qui développe un solveur s’appuyant sur la méthode sprectral finite volumes qui n’accuse pas la diffusion numérique des méthodes standards même sur des éléments tétraédriques.

Nous réfléchissons depuis plusieurs années à une méthode « universelle » de simulation des mouvements libres et/ou forcés d’un objet sous-marin. Il peut s’agir d’une sortie d'arme ou de contre-mesure à partir d’un sous-marin mais aussi du porteur lui-même ou d’un engin de type AUV. Les efforts hydrodynamiques sont obtenus par résolution des équations de Navier-Stokes et les mouvements sont obtenus par couplage avec les équations du mouvement. Nous disposons maintenant d’une chaîne de calcul qui a été vérifiée en considérant des configurations élémentaires. Nous avons également lancé des simulations sur des configurations complexes tridimensionnelles mais les ressources informatiques sont alors très gourmandes et nécessitent l'accès au calculateur de l'Ifremer. Seules les configurations bidimensionnelles sont à la portée de nos moyens informatiques. Un nouveau moyen d'essais (veine bidimensionnelle) devra permettre de valider la procédure de calcul sur de nombreuses configurations ; En parallèle, il est prévu de lancer des séries de simulations tridimensionnelles que nous pourrons confronter à des essais en bassin. Nous nous intéressons également à calculer la trajectoire des gliders, des AUV qui se propulsent grâce au ballastage mais surtout à la portance de leurs ailes. En ne prenant de la viscosité que la condition de Joukowski et le frottement, un solveur potentiel instationnaire s’avèrerait tout à fait adéquat et beaucoup plus rapide et efficace qu’un solveur RANSE pour ces simulations.

Dans le cadre de la conception préliminaire des navires les logiciels utilisés doivent être rapides et adaptés aux cas de chargements critiques. Les outils disponibles aujourd’hui sont schématiquement les méthodes par éléments de frontière tridimensionnelle et linéaire, les codes de calcul RANSE et les méthodes des tranches. La dernière classe de méthode est plus ancienne car moins gourmande en ressource de calcul et plus rapide à mettre en œuvre. Elle est, malgré l’essor des moyens de calcul, une méthode prisée et fait encore aujourd’hui l’objet de nombreuses publications scientifiques. Le principal avantage est qu’elle permet de traiter des non linéarités propres aux mouvements de large amplitude. La nature du travail proposé consiste à proposer une nouvelle méthode des tranches traitant les non linéarités de l’écoulement et de la coupler à la résolution du PFD sur les 6 degrés de liberté. Cet outil devra notamment permettre d’aborder des problèmes liant tenue à la mer et manœuvrabilité tel que le roulis paramétrique ou la détermination des charges hydrodynamique sur la structure. Il pourra être couplé aux autres outils développés au sein du laboratoire qui visent à la résolution du problème de tossage (slamming) tridimensionnel.

Nous souhaitons développer une validation expérimentale des modèles de comportement des navires sur houles. Actuellement un degré assez fin dans la détermination des charges hydrodynamiques lors du tossage est atteint à condition que la géométrie et la vitesse de l’impact soient parfaitement définies, ce qui nécessite la connaissance des mouvements relatifs du navire par rapport à l’eau. Le projet consiste en la réalisation d’un système expérimental sous la forme d’un voilier robot. Le système sera équipé de capteurs et systèmes de mesure (centrale d’inertie, GPS, anémomètre, girouette) permettant de connaître à chaque instant et d’enregistrer sont état (position, attitude, torseur cinématique, accélération). Les mesures ainsi réalisées permettront d’alimenter les modèles développés au laboratoire avec des conditions plus réalistes de navigation.

Comportements aux impacts et aux ondes de choc

Participants : Michel Arrigoni, Nicolas Jacques, Christian Jochum, Steven Kerampran, Alain Nême, Mostapha Tarfaoui

Sollicitations dynamiques en environnement complexe :

L’étude expérimentale du tossage, soutenue par la DGA, se poursuit avec la mise au point d’un système de mesure de la pression hydrodynamique exercée sur une coque lors de son impact violent sur une surface d’eau aérée ou non. La déformation de la structure ainsi que l’effort hydrodynamique total seront également mesurés. Ces essais s’effectueront sur la machine de choc du laboratoire. L’aération de l’eau sera contrôlée par un générateur de bulles dans le bassin. Une confrontation essais-calculs (ABAQUS, codes « labo ») sera établie.

Nous souhaitons effectuer la conception détaillée d’essais expérimentaux permettant, sur des configurations géométriques simples, une représentation des phénomènes de fouettement (whipping) d’un navire faisant suite à un tossage. Pour cela le logiciel ABAQUS et un module de simulation du tossage (codes « labo ») seront employés. Les simulations permettront de définir les géométries de carènes à tester, de dimensionner les assemblages, et également de contrôler l’adéquation des essais proposés avec l’objectif de validation d’un module de simulation hydro-élastique développé conjointement par le BV et l’ECM. Par la suite les essais seront effectués sur la machine de choc du LBMS.

Le dimensionnement des structures de propulsion pour bâtiments militaires nécessite la prise en compte de chargements dynamiques qui résultent de l’explosion d’une charge à proximité du navire. Si les effets d’une explosion sur une structure immergée sont bien connus, le développement de méthodes numériques permettant de simuler l’interaction entre l’onde de pression résultant de l’explosion et une structure élastique est un sujet d’actualité. Afin de disposer de données utilisables en phase d’avant projet, DCNS/Propulsion développe des méthodes de calculs couplés fluide/structure appliquées à l’étude linéaire des interactions fluide/structure dans le cas de l’explosion sous-marine non au contact. Le travail envisagé aura pour but de réaliser les développements nécessaires à la généralisation de la méthode de calcul au cas d’une géométrie 2D de forme quelconque et son extension au cas de géométries 3D, avec différents modèles. Par ailleurs une extension dans le cadre des non linéarités géométriques est envisagée.

Dans un nombre important de cas, les chocs se propagent dans plusieurs milieux régis par des équations d’états différentes. C’est notamment le cas d’une onde de choc aérienne générée par la détonation d’un explosif condensé ou d’une onde de choc sous-marine interagissant avec un rideau de bulle. L’objectif est de développer un outil numérique prédictif s’appuyant sur le formalisme des volumes finis, interfaçable avec des codes de calcul commerciaux. Dans ce cadre, plusieurs schémas numériques seront testés et validés pour une gamme d’équations d’états (Gas parfait, J.W.L, Mie-Grüneisen, …). Des moyens matériels (tube à choc, canon de Taylor interfacé avec un compartiment d’eau) seront mis en place afin d’obtenir les résultats expérimentaux nécessaires à la validation des modèles implémentés. Ces activités de recherche s’inscrivent à la fois dans le cadre d’un partenariat avec le CEA-DAM (atténuation d’une onde de choc dans une mousse aqueuse) et du projet RESIBAD labellisé par le Pôle de compétitivité Mer Bretagne (atténuation d’une onde de choc sous-marine par un rideau de bulle).

Dans la thématique de propagation des chocs générés par des hautes puissances pulsées, des recherches exploratoires sur les applications industriels impliquant les hautes puissances pulsées sont envisagées (Laser Shot Peening, Laser adhérence Test). Ces méthodes reposent sur l’utilisation d’un laser impulsionnel pour la génération. Plusieurs partenaires se sont montrés intéressés (DCNS, ITHPP, l’Institut de la corrosion, la faculté d’odontologie de Brest). La thématique serait traitée en collaboration avec l’équipe MMA. La réalisation de ces projets est subordonnée à l’acquisition d’un laser impulsionnel.

Endommagement et rupture des structures marines :

Un travail de synthétisation sera poursuivi concernant la description d’un spectre assez large de phénomènes mécaniques critiques (précurseurs à l’échelle macroscopique d’endommagements et/ou de ruptures dans les structures solides) via une formulation « unifiée » de la Bifurcation d’Equilibre en Vitesse (BEV). Il traitera par exemple des conditions coplanaires de flambement d’une poutre droite élastique, de la bifurcation, plus connue sous l’aspect instabilité, de Taylor–Couette dans un écoulement cylindrique de fluide visqueux, de la (micro)fissuration d’un milieu macroscopiquement élastique fragile, des bifurcations de type Rice dans les milieux (thermo)élasto(visco)plastique à écrouissage isotrope, de la robustesse du critère de BEV implanté comme critère de rupture dans le code aux éléments finis ABAQUS au travers de son comportement au raffinement de maillage et des conditions d’existence d’une BEV à l’échelle macroscopique dans les milieux élastoplastiques à écrouissage cinématique linéaire (Prager).

Les travaux de modélisation micromécanique de l’endommagement dynamique ductile, réalisés en collaboration avec l’Université de Metz, devraient se poursuivre dans les années qui viennent. Néanmoins, une nouvelle orientation est donnée vers le développement d’un modèle permettant de décrire les problèmes de déchirure ductile. Ces travaux ont été initiés cette année. Les problèmes de déchirure ductile impliquent des mécanismes de nucléation et de croissance des cavités différents de ceux entrant en jeu pour l’écaillage (étudié précédemment), nécessitant de revoir en profondeur la modélisation adoptée. Un point clé est toujours la prise en compte des effets micro-inertiels dans la formulation. Les premières simulations réalisées semblent montrer que ces effets pourraient jouer un rôle crucial lors de la propagation dynamique de fissures ductiles.

À l’échelle macroscopique, les travaux portant sur l’identification directe du comportement de matériaux composites en élasticité couplée à l’endommagement seront élargis aux cas de sollicitations cycliques (chocs répétés, fatigue). Dans cette optique, les méthodes d’extensométrie optique seront couplées à la technique de thermographie infra rouge pour identifier les paramètres gouvernant l’initiation et la propagation de l’endommagement par impact et par fatigue. Ce travail implique deux développements sous-jacents très peu abordés dans la littérature. Le premier concerne l’application de la thermographie infra rouge au suivi quantitatif et à la caractérisation des processus physiques d’endommagement par impact. Le deuxième porte sur la construction de modèles thermomécaniques intégrant ces mécanismes et leur cinétique d’endommagement. Ces recherches seront appliquées pour l’utilisation des matériaux composites dans le domaine des énergies marines renouvelables et plus particulièrement dans le cadre de l’éolien offshore et des hydroliennes.

Compte tenu de l’augmentation intrinsèque des performances du renfort fibreux et des formulations des matrices correspondantes, l’utilisation des composites épais (typiquement plus de 5 mm d’épais) à des fins structurelles est de plus en plus répandu dans les applications marines et offshores. Néanmoins, le comportement thermo activable et exothermique de la cuisson des composites thermodurcissables doit être pris en compte pour cerner les couplages entre la thermique, la chimie et la mécanique de la matrice ne formation. Cette expertise a permis de montrer que la stratégie adoptée permettait une assez bonne prédiction des gradients de propriétés mécaniques et du niveau de contraintes internes induites par la cuisson. Outre le fait que la modélisation des couplages puisse encore être améliorée (prise en compte du vieillissement marin, approfondissement du comportement viscoélastique de la matrice en formation), il apparaît indispensable de confronter la validité de la modélisation mise en œuvre avec des essais dynamiques sur éprouvettes et sur structures. Cette démarche doit permettre de répondre à la question du dimensionnement des structures composites sous sollicitations dynamiques en apportant une description tridimensionnelle des gradients de propriétés et de contraintes internes présentes dans le composite épais à l’issue de sa fabrication.

Il est envisagé de poursuivre la modélisation micromécanique du comportement dynamique des composites à microstructure tridimensionnelle afin d’élargir la gamme des vitesses de déformations étudiées pour des architectures différentes (couture, Z-pins, 2.5D et 3D) et d’introduire dans la modélisation les effets inertiels des phases du matériau. Cette perspective nécessite la mise en en place de méthodologies expérimentales spécifiques (barre d’Hopkinson, machine de choc…). L’objectif des travaux à réaliser est la compréhension des mécanismes de fonctionnement de la liaison des préformes sur composite afin de donner au bureau d’étude les informations pertinentes pour optimiser la conception d’un assemblage de préformes pour leur tenue aux chocs. Des modèles numériques plus performants, qui tiennent compte des différentes interactions procédé-matériau-structure, seront développés pour améliorer la modélisation du comportement à l’impact et à la fatigue des assemblages de structures composites, afin de contribuer à la connaissance de leur tolérance aux dommages.

Pour les structures collées, les performances en mode I et en mode II sont très différentes. Les résultats expérimentaux que nous avons établis indiquent que, pour les assemblages étudiés, la ténacité croît avec la vitesse. Ces observations pourraient être étoffées par d’avantages de résultats expérimentaux en introduisant la caméra rapide et la caméra infrarouge. Enfin, il semblerait intéressant de rapprocher les variations de la ténacité avec la température et la vitesse, aux variations des propriétés mécaniques. Ces travaux de recherche devraient être utilisés pour de nouvelles technologies d’assemblage hybride (boulonné/collé, cousu/collé, composite/aluminium,…).