PÔLE THÉMATIQUE DE RECHERCHE 3 | Structures, fluides et interactions

Responsable : Sandrine THUILLIER – Responsable adjoint : Nicolas JACQUES

Les travaux de recherche développés dans ce thème sont par nature plus transversaux que ceux des autres pôles et combinent à la fois études théoriques, numériques et expérimentales sur le comportement de matériaux et structures en interaction avec leur environnement et/ou leur procédé de fabrication. Ces travaux font majoritairement intervenir des phénomènes physiques couplés, tels le navire soumis au tossage dans son environnement maritime, la structure métallique en tôle mince mise en forme à chaud puis impactée jusqu’à rupture, le procédé de soudage laser impliquant des transferts d’énergie et de masse. Ces couplages forment le concept clé qui rassemble les chercheurs dans ce pôle.

Compétences

  • Impacts hydrodynamiques auxquels sont soumises les structures navales, approche expérimentale et modélisation
  • Méthodes numériques avec grand nombre de variables, prédiction des instabilités et suivi de branches bifurquées (faible nombre de Reynolds)
  • Développement de modèles de comportement pour décrire la réponse statique (mise en forme) et dynamique de milieux continus complexes
  • Mise en évidence expérimentale des comportements transitoires spécifiques
  • Mesurer en dynamique des champs de variables d’état
  • Disposer de modèles et d’outils de simulation suffisamment robustes pour traiter l’ensemble des couplages tout en limitant les temps de calcul

Axes de recherche

Interactions fluide-structure : Étude des structures en interaction avec des fluides essentiellement incompressibles et newtoniens

Cet axe s’intéresse à l’étude des structures en interactions avec des fluides essentiellement incompressibles et newtoniens. Les applications principales prennent place dans un environnement marin. De plus certaines activités concernent l’analyse des instabilités et la transition vers la turbulence.

Le développement de méthodes numériques spécifiques nécessaires à la résolution de problèmes à très grand nombre de variables trouve des applications en mécanique des fluides et en vibrations de structures minces. Le calcul des instabilités et le suivi des branches bifurquées permettent de décrire avec précision les phénomènes physiques étudiés, tels que les écoulements autour de solides indéformables et les vibrations non linéaires de structures.

Les verrous scientifiques concernent principalement le développement de méthodes numériques avancées en mécanique des fluides et pour les interactions fluide-structure ainsi que les sollicitations hydrodynamiques auxquelles sont soumises les structures navales, avec également une étape de validation expérimentale.

Caractérisation et modélisation de chargements hydrodynamiques globaux et locaux pour dimensionner des navires et des sous-parties de systèmes navals, tels que des appendices portants et les propulseurs.

Les problématiques pour les objets mis en jeu concernent par exemple l’optimisation de performances et le dimensionnement des points de vues hydrodynamique et/ou structurel.

Experimental set-up in “Bassin de Génie Océanique” First (La Seyne/Mer, France) for an elliptic paraboloid set on the forced motion generator. Study of the oblique entry of three dimensional bodies in liquid.
Successive free surface profiles in a rectangular tank with chamfers. The tank is in forced horizontal motion. Results of the code FSID which solves the fully nonlinear equations in potential theory.

Critères de stabilité du navire à l’état intact

Courbes de KGmax en fonction du déplacement du navire. Le KGmax est l’altitude maximum que peut prendre le centre de gravité en respectant la contrainte réglementaire. On compare les résultats des différents calculs réglementaires proposés pour protéger l’APL China du roulis paramétrique. Les calculs de niveau 1 (L1.1 et L1.2) sont plus restrictifs que les calculs de niveau 2 (L2.1 et L2.2). En appliquant la règle L2.2 et la réglementation actuellement en vigueur (IMO 1st gen), on définit la zone de vulnérabilité du navire. Le déplacement et la valeur du KG lors de l’accident montre que l’application de cette nouvelle réglementation aurait empêché l’accident.

Conception et optimisation de cerfs-volants de traction de très grande taille

Taille supérieure à 1000 m2 pour navires (projet beyond the sea®) avec une approche interaction fluide-structure et prise en compte de l’anisotropie. Manœuvrabilité et stabilité du navire tracté.

On-board picture of the kite in static flight during measurement campaign held in Canada in Autumn 2015
IFS on a kite

Étalement d’un jet d’eau salée au fond d’un bassin d’eau douce.

Les équations de continuité et de la quantité de mouvement sont formulées en négligeant la force de tension d’interface entre les deux liquides miscibles. Les équations de Navier-Stokes moyennées et celle de l’advection-diffusion de la fraction volumique de l’eau salée sont utilisées pour calculer la fraction volumique, la vitesse moyenne ū et la pression p.

Jet horizontal miscible de flottabilité positive près de la paroi rigide au fond du bassin pour Re0=2778 et Fr0=12,8 ; obtenu expérimentalement à gauche : Intensité lumineuse de réflexion du mélange colorée à l’aide de la rhodamine B et numériquement à droite : fraction volumique du mélange.

Analyse de bifurcation par la Méthode Asymptotique Numérique (MAN) des écoulements fluides.

La recherche des bifurcations dans les écoulements fluides est d’un intérêt fondamental car celles-ci caractérisent une modification « profonde » de l’écoulement. Des algorithmes spécifiques (technique de branchement, de réduction de modèle, d’homotopie) sont associés à la MAN afin de réaliser numériquement les analyses de bifurcation et prédire très précisément les instabilités, tant pour des cas-tests académiques que pour des modèles à grands nombres de degrés de liberté.

Ecoulement fluide dans une veine avec expansion soudaine – solution post-bifurcation pour une vitesse d’écoulement égale à un nombre de Reynolds Re=108 – paramètres géométriques : rapport d’expansion verticale E=5 et rapport d’expansion latérale A=3

Structures minces en contact avec un fluide (vibro-acoustique).

Dans ce cadre, on s’intéresse à la réponse vibratoire (libre ou forcée) d’une cavité contenant un fluide et dont les parois sont constituées d’un matériau viscoélastique. Le couplage entre un fluide et les propriétés viscoélastiques du matériau conduisent à manipuler des matrices non symétriques et à gérer une non linéarité de comportement ; les techniques de résolution sont fondées sur la MAN.

Mode propre de vibration d'une cavité élastique (acier – à droite) contenant un fluide acoustique (air – à gauche)

De la mise en forme aux comportements dynamiques : Caractérisation et modélisation de la réponse transitoire de milieux continus et de structures, principalement sous sollicitations dynamiques

Les activités de cet axe sont liées à la caractérisation et la modélisation de la réponse transitoire de milieux continus et de structures, principalement sous sollicitations dynamiques. La gamme d’applications considérée est assez large, allant de la réponse instable de structures aux phénomènes d’impacts et d’ondes de choc. Le passage du matériau à la structure implique une étape de mise en forme, qu’il est indispensable de prendre en compte pour une prédiction correcte du comportement final ; cet axe s’intéresse donc également au procédé, comme finalité technologique.
Deux verrous scientifiques peuvent être mis en avant : le développement de modèles de comportement, physiquement fondés, pour décrire la réponse dynamique de milieux continus « complexes » (matériaux poreux, stratifiés ou endommagé ; fluides multiphasiques) et la mise en évidence expérimentale des comportements transitoires, avec le développement de dispositifs spécifiques instrumentés. Les développements théoriques sont intégrés dans un code développé en interne (comportement matériel d’hyper-visco-hystérésis, algorithmes d’avancement temporel).

Comportement dynamique des structures navales composites et métalliques sous chargements hydrodynamiques

Contrôle non destructif par chocs lasers de systèmes thermodurcissables

Corrélation entre données issues de l’acoustique solide et propriétés mécaniques obtenues. Estimation de l’état initial non standard (contraintes internes, contraintes à rupture, gradient de propriétés mécaniques et chimiques).
 

Interaction of mechanical waves with their propagation medium

The survivability of the critical infrastructures and armored systems to ballistic and explosions effects, attenuation of the effects of explosions by diphasic barrier (bubble curtains), fluid structure coupling during a ballistic impact in a tank filled with liquid.

Propagation des chocs dans les milieux complexes

Caractérisation numérique et analytique des ondes de souffle se propageant dans des milieux semi-confinés ou confinés. Comportement des mousses métalliques, utilisées comme matériau atténuateur, sous chargement dynamique. Caractérisation de l’atténuation d’une onde de choc plane par une mousse liquide humide, en faisant varier divers paramètres (nombre de Mach, taille de bulle, gaz…).

Comportement dynamique des matériaux énergétiques sous sollicitations thermique ou mécaniques

Détermination du temps d’allumage d’un propergol par irradiation LASER. Développement d’un banc d’essais constitué d’une enceinte pressurisée sous atmosphère inerte et d’un laser infrarouge afin de mesurer le temps d’initiation d’un échantillon de propergol en fonction de la pression ambiante et de l’énergie de la source.
 

Étude de l’interaction entre l’effet Portevin-Le Châtelier et l’effet Bauschinger

Ici, l’étude porte sur des essais de cisaillement simple, monotones et avec inversion du chargement, entre 20 et 200°C. Caractérisations spatiotemporelle et thermique, via des mesures de champs par la technique de stéréo corrélation d’images et par caméra infrarouge, des bandes de cisaillement en traction et cisaillement simple.

Essai de cisaillement inverse sur l’alliage d’aluminium AA5754-O :
(a) Dispositif de cisaillement simple sur une éprouvette découpée dans une tôle et revêtue d’un mouchetis aleatoire.
(b) Comparaison de la réponse mécanique de l’alliage à différents seuils d’inversion du chargement et différentes températures montrant l’interaction entre l’effet PLC et l’effet Bauschinger.
(c) Etude de l’apparition et de l’évolution spatiotemporelle des bandes de cisaillement par l’observation des champs de déformation, issus de la technique de corrélation d’images, pour un essai à 100 °C avec une inversion du chargement à γ=0.6.

Comportement mécanique (anisotropie, visco-élasto-plasticité) de matériaux de structures en interaction avec l’environnement marin, et de structures pour des systèmes de captation d’Energies Renouvelables

Tissu de voile de navire, rigidité de filets de pêche constitués de mailles à base de tresses polymère nouées entre elles.
Mailles de filet de pêche en tresses de fils polyéthylène.

Développement de dispositifs expérimentaux afin de réaliser des essais dynamiques pour différents trajets de chargement, bulge-test ou punch test pour le bi-axial, pliage ou poinçonnement diédrique pour la contrainte plane

La difficulté réside dans la capacité à obtenir des résultats dénués d’oscillations permettant d’obtenir le comportement mécanique jusqu’à la rupture pour différentes vitesses de déformation. L’objectif numérique est de prendre en compte ces résultats expérimentaux dans un modèle de type Mohr-Coulomb modifié.

Développement de modèles continus permettant de décrire le comportement de matériaux et fluides hétérogènes sous sollicitations dynamiques

Ils s’appuient sur l’utilisation de techniques d’homogénéisation dynamique, dont l’originalité est de tenir compte d’effets de micro-inertie (effets dynamiques ayant lieu à l’échelle de la microstructure du matériau) : modélisation de l’endommagement dynamique des matériaux ductiles, propagation d’ondes de choc dans les liquides aérés (liquides contenant des bulles gazeuses), propagation d’ondes de choc et d’ondes acoustiques dans les mousses métalliques.

Simulation numérique de la propagation de fissure dans une éprouvette axisymétrique entaillée sous sollicitation dynamique. Les zones où l’endommagement est maximal sont représentées en noir. Les résultats obtenus avec le modèle d’endommagement de Gurson, Tvergaard et Needleman (GTN) pour deux maillages différents sont comparés à ceux obtenus avec un nouveau modèle tenant compte des effets micro-inertiels. L’effet régularisant de la micro-inertie est observé.

Interactions fluide-structure en présence d’une surface libre liquide

Modélisation de chargements hydrodynamiques agissant sur un solide impactant la surface d’un liquide (problème d’entrée d’eau ou d’impact hydrodynamique) ou sortant de ce liquide (problème de sortie d’eau) : développement de modèles analytiques tridimensionnels d’impact hydrodynamique, étude expérimentale et simulation numérique d’impacts sur fluides aérés, étude de problèmes de sortie d’eau.

Essai de sortie d’eau d’un disque circulaire (collaboration avec l’IFREMER). La forme de la colonne d’eau entrainée par le disque est visible sur cette image.

Modélisation et caractérisation du comportement des matériaux polymères avec prise en compte des effets de la température

Cet axe de recherche s’appuie sur un modèle de comportement original phénoménologique d’Hyperélasto-Visco-Hystérétique (HVH) dans le code de calcul Herezh++ qui nécessite le développement d’essais de caractérisation thermo-mécanique des polymères. Plusieurs matériaux sont étudiés : polypropylène choc chargé ou non avec des fibres naturelles d’Alfa, élastomères chargés avec la prise en compte des effets des basses températures, matériaux biosourcés et biodégradables type PolyHydroxyAlcanoates (PHAs) avec le développement d’essais multiaxiaux de traction-torsion en température, matériaux architecturés de type presse-garnitures pour des applications d’étanchéités dans la robinetterie, matériaux cellulaires sous forme de mousse pour des applications antivibratoires.

a) Schéma du montage pour la réalisation d’essais cycliques sur des joints GEM pour des presse-étoupes.
b) Montage réalisé avec jauges de déformations pour la mesure de la déformation de la chemise.
c) Comparaison expérimentale-numérique des contraintes dans le joint avec le modèle de comportement HVH.

Étude des modèles numériques en mécanique du solide déformable, en s’appuyant sur la méthode des éléments finis.

Les modèles développés sont validés numériquement et confrontés à l’expérimentation, via un code de calcul Herezh++ développé en C++. Herezh++ a été choisi comme solveur pour le dimensionnement et la simulation du comportement des prochains ballons en particulier stratosphériques. Le logiciel est encapsulé dans l’outil métier OmHer développé par la société Rtime (partenariat CNES/Sous-direction Ballons)
Herezh++ : FEM software for large transformations in solids. Laboratoire d’ingénierie des matériaux de Bretagne (UEB-UBS), dépôt APP (Agence pour la Protection des Programmes) – Certification IDDN.FR.010.0106078.000.R.P.2006.035.20600.
Simulation du comportement d’alliages à mémoire de forme NiTi avec une loi de comportement d’élasto-hystérésis, développement de méthodes numériques relatives à la recherche de l’équilibre global (relaxation dynamique) et à un modèle de coque mince sans degré de rotation (élément SFE ou RF).
 
Simulation of geometrically graded NiTi strips loaded at 3% of nominal strain;
(a): normal stress field,
(b): normal strain field.

Simulation of stratospheric balloons with Herezh++ (col. Cnes, Rtimes)

Procédés de mise en forme

Une démarche de mise en forme virtuelle nécessite encore une étape de validation expérimentale. Le développement de dispositifs spécifiques « simples » de mise en forme procure une base de données expérimentales pour valider la simulation numérique (code commercial Abaqus), tels que le pliage après éventuellement une prédéformation en traction et le vrillage de tôles métalliques ultra-fines. Avec en particulier le souci de miniaturisation, pour reproduire à l’échelle du laboratoire des phénomènes observés sur des pièces industrielles de grandes dimensions. Et l’extension de la démarche virtuelle aux traitements thermiques après mise en forme, dans le cas de manilles forgées, nécessite de prendre en compte l’évolution des changements de phase dans un acier micro-allié.

Isovaleurs de déformation principale maximale au cours d’un essai d’emboutissage d’un godet cylindrique, expérience (gauche) et simulation numérique (droite).

Comportement des matériaux métalliques lors de leur mise en forme en température

Cet axe de recherche porte à la fois sur la caractérisation expérimentale en température des alliages métalliques (aluminiums, aciers trempants, aciers inox) mais également sur la recherche de lois de comportement et de modèles éléments finis capables de simuler ces matériaux lors de leur mise en forme à haute température.
Du point de vue expérimental, les essais de caractérisation mécaniques (traction, cisaillement, expansion équibiaxiale, etc) classiquement réalisés à température ambiante sont modifiés pour être réalisés à des températures mi-chaudes de l’ordre de 300°C pour les aluminiums, et à des températures plus hautes, de l’ordre de 1000°C pour les aciers trempants et inox. Concernant la modélisation, le développement de modèles de comportement thermo-mécanique permet d’améliorer la prédiction de la simulation de la mise en forme à haute température et également la prise en compte du retour élastique.
Dans le cadre d’un projet de développement d’un nouveau procédé multi-step d’emboutissage à chaud des aciers trempants, des technologies innovantes de chauffage rapide des flans en utilisant le principe de l’effet Joule sont également développées qui nécessitent la prise en compte des couplages électro-thermo-mécaniques dans les modélisations.

a) Schéma de principe d’un essai d’expansion équibiaxiale avec procédé de chauffage par conduction électrique

b) Montage réalisé

c) Champ de température modélisé à l’aide de Comsol Multiphysics®.

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