Numéro : 2796 - Année : 2023
Analyse du comportement mécanique des arbres de propulsion navale: approche expérimentale
FARGERE, Florent BRIDIER, Benoit HABERT, Benjamin DIEU, Alexis DOMBEK, Pierre-Etienne CIVEL, Naval Group site de Nantes – Direction Technique et Equipements Propulsion – Bouguenais et La Montagne (France)
Yannick CADORET, Ministère des Armées – Direction Générale de l’Armement (DGA), Ingénierie & Projets (IP) – Paris, Balard, France
Benyebka BOU-SAÏD, LaMCoS – INSA Lyon, Villeurbanne, France
Siegfried FOUVRY, LTDS - Ecole Centrale de Lyon, Ecully, France
Véronique DOCQUET, LMS - Ecole Polytechnique, Palaiseau, France
Dans le cadre des projets de navires militaires de types bâtiments de surface, on est amené à évaluer les capacités de résistance mécanique de la charpente dans son mode de déformation de poutre, que ce soit en flexion longitudinale sur houle, ou toujours en flexion longitudinale, sous l’effet des chargements dus aux explosions sous-marines (fouettement de la poutre sous pulsation de la bulle des gaz de l’explosion).
Si les sollicitations demeurent de sévérité limitée, la réponse du navire reste dans le domaine du comportement élastique linéaire des matériaux et structures ; sont alors mises en œuvre des techniques d’analyse à ce jour certifiées. Il s’agit d’une part d’évaluer la résistance statique de flexion de poutre et la détermination des moments de résistance ultime atteignables en arc et en contre-arc : une méthode pratique est connue sous le vocable « méthode de composants indépendants ». Elle a été développée par la société PRINCIPIA dans l’outil RULTIM et implantée à DGA Techniques navales pour sa mise en œuvre. Il s’agit d’autre part d’estimer les sollicitations maximales attendues, que ce soit par calcul de tenue à la mer ou de réponse d’ensemble du navire à l’explosion sous-marine.
Pour une analyse sécuritaire, on met alors en regard la sollicitation maximale relevée en dynamique avec la capacité de résistance ultime, établie en statique. Très, voire trop conservatoire, cette méthodologie n’est plus applicable dans un cadre d’études de scénarios accidentels ou d’agressions sévères qui imposent de prendre en considération le comportement non-linéaire, en dynamique transitoire. Tel est notamment le cas s’il s’agit d’évaluer le domaine de vulnérabilité du navire, ou bien même de spécifier les performances de munitions (mine, torpille) dimensionnées pour détruire les coques.
Les travaux présentés dans ce mémoire visent à disposer d’un outil de vulnérabilité permettant d’évaluer rapidement les capacités de résistance des plates-formes aux effets des armes sous-marines. Par comparaison aux méthodes classiquement employées pour évaluer le fouettement, limitées par nature à la réponse linéaire de la poutre navire, ce nouveau modèle vise à étendre le champ des applications pour les cas d'agressions sévères provoquées par les armes sous-marines opérant à distance. Il s’agit alors de modéliser la poutre navire en tenant compte de son comportement non-linéaire et des mécanismes de ruine plastique sous chargements d’explosion ; aux temps courts (choc primaire) et aux temps longs (excitations de bulle), les premiers effets étant de nature à accentuer les seconds. Pour répondre à ce besoin, l’outil PHEDRE « Poutre Hydroélastique Endommageable Dynamique en Réponse aux Explosions » est développé.
Le premier volet des travaux présentés dans ce mémoire concerne la modélisation du comportement non-linéaire de la poutre navire, en arc et en contre-arc, sous sollicitation dynamique cyclique caractéristique du fouettement. L’explosion sous-marine et les pulsations de bulle qui en découlent se traduisent en effet par l’alternance de chargements en flexion verticale, positifs et négatifs.
Le second volet vise à quantifier l’influence du choc primaire sur la réponse de la poutre navire aux temps longs. Les sollicitations provoquées par l’interaction du choc sous-marin avec le navire sont en effet de nature à réduire la capacité de résistance des fonds du navire (par enfoncements plastiques, voire ruptures) et donc de la poutre navire au niveau des sections endommagées. Il s’agit donc d’analyser l’éventuel couplage local/global pour la prise en compte des effets de l’explosion aux temps courts (c.-à-d. enfoncements des bordés sous choc primaire), susceptibles d’influencer la réponse globale aux temps longs (c.-à-d. fouettement non-linéaire de poutre navire).
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