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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.
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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1. Tenue des navires aux effets d’une explosion sous-marine
1.1 Choc hydrodynamique
La tenue d’un navire au choc hydrodynamique, c'est-à-dire sa résistance aux effets d'une explosion sous-marine distante (figure 1), constitue un des enjeux de dimensionnement de première importance en construction navale militaire.
La situation de référence pour un choc hydrodynamique est décrite par la figure 2 ; on considère le cas de l’explosion d’une charge C (masse équivalente TNT, en kg) à une distance D (en m) du navire (ici dans le cas particulier d’un sous-marin en immersion).
La compréhension de la physique en jeu et le développement de méthodes numériques permettant sa simulation ont ainsi pour objet de rendre compte du chargement subi par le navire et de définir des données d'entrée pour le dimensionnement des structures navales (coques et équipements). Les principales manifestations de l'explosion sous-marine sont bien connues et l’on distingue en général deux effets principaux sur les structures immergées, celui de l’onde primaire et celui de la pulsation de bulle.
HAUT DE PAGE1.2 Onde primaire
La transformation chimique de l'explosif contenu dans la charge produit de façon quasi instantanée un gaz très chaud et très comprimé, de l'ordre de 3 000 °C et 5 000 MPa, et engendre une onde de détonation dans l'explosif. Celle-ci se transmet à l'eau sous la forme d'une onde de choc, amplifiée par la pression très élevée des gaz issus de la détonation. La vitesse de cette onde se stabilise très rapidement à une vitesse proche de la célérité du son dans l'eau. De nombreuses données expérimentales relatives à la pression de l'onde de choc incidente sont disponibles dans la littérature et des modèles analytiques robustes ont été développés et validés pour des explosions en champs lointains et relativement proches, alors que pour les champs très proches de l'explosif, il n'existe pas de données expérimentales, principalement à cause des conditions extrêmes qui caractérisent ces situations.
Une représentation communément utilisée pour décrire l'évolution temporelle de la pression en un point situé à une distance D de la...
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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).
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(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).
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(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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