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RÉSUMÉ
Modéliser le comportement et calculer la réponse de structures immergées assujetties à des explosions sous-marines est un enjeu de première importance en construction navale. Cet article est à destination d’élèves ingénieur en génie mécanique et calcul scientifique. Il présente une introduction à cette problématique, en présentant des notions spécifiques au secteur naval, comme des méthodes générales (simulations numériques avec approches temporelles ou spectrales), applicables à d’autres problématiques, telle la tenue de structures à des séismes, des explosions aériennes ou des chocs de manutention et de transport.
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The numerical simulation of responses of immersed structures to the effects of underwater explosions is of primary importance in naval shipbuilding. The present paper aims at providing students and practicing engineers with the fundamental notions and numerical techniques available to such problems. The presentation is geared toward applications in the naval sector, but the methods exposed may also be employed in other sectors (e.g. civil engineering, space and aeronautics, ground transportation, etc.) in order to simulate the response of structure subjected to dynamics loads, such as generated by an outdoor/indoor explosion, a mechanical shock or a seism.
Auteur(s)
-
Jean-François SIGRIST : Ingénieur - Expertise & communication scientifiques (eye-PI) – Tours – France
INTRODUCTION
On s’intéresse dans cet article à la modélisation du comportement de structures immergées et assujetties à des ondes de pression. Cette problématique intéresse en particulier la construction navale militaire lorsqu’il s’agit de démontrer la tenue de coques et d'équipements de navires aux effets d’une explosion sous-marine distante.
Cette problématique met en jeu des phénomènes de couplage fluide/structure qui peuvent être représentés au moyen de différents modèles, numériques ou analytiques, constituant un ensemble d’outils accessibles aux ingénieurs.
Cet article propose une introduction à cette problématique, en présentant les principales notions, modèles et méthodes permettant de décrire le chargement en pression subi par une structure immergée (coque du navire par exemple) ou le comportement d’une structure embarquée (équipement dans le navire par exemple) en réponse au mouvement imprimé à la structure par ce chargement.
L’exposé s’intéresse en particulier aux méthodes de calcul de la réponse dynamique d’une structure à un choc (représentant l’effet de l’explosion à l’intérieur du navire) ; il détaille les représentations possibles du choc (domaine temporel ou fréquentiel) et les approches numériques accessibles à l’ingénieur (temporelles ou spectrales). Cet aspect du problème est général et concerne d’autres situations rencontrées en génie mécanique, dans le secteur du spatial, du génie civil, des transports, etc. par exemple pour la tenue de structures à des chocs pyrotechniques ou de manutention, ainsi qu’aux effets de séismes ou d’explosions aériennes.
Le lecteur trouvera ces références dans la rubrique « Pour en savoir plus » associée à cet article. Une bibliographie supplémentaire et des liens vers des sites internet lui proposent des ressources utiles afin d’approfondir ses connaissances sur le sujet.
Un tableau des sigles et des notations utilisés est présenté en fin d'article.
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MOTS-CLÉS
interaction fluide-structure dynamique des structures explosions sous-marine chocs mécaniques
KEYWORDS
fluid-structure interaction | structural dynamics | underwater explosions | mechanical shocks
DOI (Digital Object Identifier)
CET ARTICLE SE TROUVE ÉGALEMENT DANS :
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Exemple3. Réponse des structures aux effets de l’onde de pression
On rappelle dans ce qui suit les principales méthodes numériques, fondées sur des techniques d’éléments finis, permettant le calcul de la réponse de structures aux effets de l’onde de pression. Il s’agit de déterminer l’état cinématique (déplacements) et mécanique (contraintes) du système étudié (matériel à bord), soumis à une accélération imposée, laquelle résulte de la mise en mouvement de son embase (coque, pont, cloison, etc.) par l’onde. On suppose donc que ce mouvement est connu, et calculé par ailleurs, par exemple avec des modèles analytiques (§ 1) ou numériques.
Les méthodes présentées sont générales et s’appliquent à la réponse de systèmes mécaniques soumis à des chocs de différentes natures, outre le choc hydrodynamique qui nous intéresse ici. Elles sont utilisées pour des études sismiques, des études de tenue à des choc pyrotechniques (par exemple dans le domaine spatial), ou des chocs provoqués par des explosions aériennes.
3.1 Calcul de réponse dans le domaine temporel
Le système étudié est décrit par ses opérateurs de masse, d’amortissement et de raideur, respectivement notés M, C et K ; son état est décrit par l’évolution temporelle des degrés de liberté X(t) – en général en déplacement (notons que, dans le cas de systèmes couplés avec des fluides, comme des réservoirs, les degrés de liberté du système sont les champs de déplacement et de pression, par exemple).
L’effet de l’onde de pression est décrit par un signal de choc, représenté par un signal en accélération, noté γ(t),...
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Réponse des structures aux effets de l’onde de pression
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - RAKOTOMALALA (Q.), KHOUN (L.), LEBLOND (C.), SIGRIST (J.F.) - An advanced semi-analytical model for the study of naval shock problems. - Journal of Sound & Vibration, 511, p. 116317 (2021).
-
(2) - REID (W.D.) - The Response of Surface Ship to Underwater Explosions. - Technical Report (DSTO-GD-0109) Defence Science and Technology Organisation (1996).
-
(3) - COSTANZO (F.A.) - Underwater explosion phenomena and shock physics. - IMAC-XXVIII Jacksonville (2010).
-
(4) - BARRAS (G.), SOULI (M.), AQUELET (N.), COUTY (N.) - Numerical simulation of underwater explosions using an ALE method : The pulsating bubble phenomena. - Ocean Engineering., 41, p. 53-66 (2012).
-
(5) - LEBLOND (C.) - Modélisation de phénomènes fortement instationnaires en milieux couplés. Application au dimensionnement de structures immergées aux explosions sous-marines. - Thèse de Doctorat, université de Nantes (2007).
-
...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ANNEXES
Warren D. REID, « The Response of Surface Ship to Underwater Explosions », Department of Defense/Science and Technology Organisation (DSTO), 1997.
https://apps.dtic.mil/sti/pdfs/ADA326738.pdf
Megan ECKSTEIN, « Navy conducts final blast in Ford full-ship shock trials », Defense News, 9 août 2021.
Vincent GROIZEIEAU, « Le nouveau porte-avions américain à l’épreuve des explosions sous-marines », 22 juin 2021.
Brice LOUVET, « L’US Navy déclenche...
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