Bibliographie & annexes
Présentation
En anglais
RÉSUMÉ
Cet article présente l'état de l'art des enceintes en matériaux composites pour application sous-marine. Outre les domaines d'application, sont présentés le mode de fabrication, les bases de dimensionnement par rapport à la pression hydrostatique et les spécificités de la caractérisation expérimentale.
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This article presents state-of-the-art composite cylinders for underwater application. In addition to the application domains, this article presents the manufacturing process, the basics of design according to the hydrostatic pressure and the specificities of experimental characterization
Auteur(s)
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Dominique CHOQUEUSE : Ingénieur de Recherche - Service Matériaux et Structures, IFREMER, Centre de Bretagne, Plouzané, France,
-
Peter DAVIES : Ingénieur de Recherche - Service Matériaux et Structures, IFREMER, Centre de Bretagne, Plouzané, France,
-
Benoît BIGOURDAN : Ingénieur de Recherche - Service Matériaux et Structures, IFREMER, Centre de Bretagne, Plouzané, France,
-
Dominique PERREUX : Professeur - Université de Franche Comté, Besançon, et MaHyTec, Dole, France,
INTRODUCTION
Les matériaux composites sont largement employés dans l'industrie marine, notamment sur l'eau dans la construction de bateaux de plaisance. Depuis quelques années, on trouve de plus en plus d'applications de matériaux composites sous l'eau, où les excellentes propriétés spécifiques de ces matériaux les rendent très compétitifs. Cependant, dans ces nouvelles applications, les structures sont soumises à des pressions externes qui augmentent en fonction de la profondeur, ce qui nécessite donc un soin particulier dans leur conception.
Dans cet article, on fait le point sur l'utilisation des enceintes en composite sous l'eau. On présente d'abord les principaux domaines d'application : l'océanographie, les véhicules sous-marins et l'offshore pétrolier, suivis d'un rappel des conditions opérantes en environnement marin. Les méthodes de fabrication d'enceintes cylindriques (enroulement filamentaire, placement de bandes) et de contrôle non destructif sont ensuite décrites. Le dimensionnement d'enceintes sous-marines est basé sur l'analyse de deux comportements :
-
une tendance à flamber lorsque le rapport épaisseur de paroi divisé par le diamètre est faible ;
-
une rupture en compression lorsque ce rapport devient important.
Les équations permettant de calculer l'épaisseur de paroi nécessaire pour résister à une profondeur donnée sont présentées. L'article se termine par une présentation des moyens d'essai, les caissons hyperbares et une discussion de la durabilité des enceintes en milieu marin
L'expertise technique et scientifique de référence
MOTS-CLÉS
Etat de l'art Dimmensionnement Pression hydrostatique Structures sous-marines Submersibles Océanographie Composites Enroulement filamentaire
KEYWORDS
state of art | design | hydrostatic pressure | underwater structures | submersibles | oceanography | composites | filament winding
DOI (Digital Object Identifier)
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Moyens d'essais
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4. Dimensionnement de cylindres composites
L'utilisation de matériaux composites pour la réalisation d'enceintes sous-marines peut être répartie en trois champs d'application :
-
faible profondeur. Le dimensionnement de la structure est alors principalement conditionné par la stabilité d'un composant ou du système complet (problème de flambement) ;
-
grande profondeur. Le dimensionnement est alors gouverné par la résistance des matériaux choisis ;
-
profondeur intermédiaire. Les deux phénomènes (flambement et tenue du matériau) sont alors pris en compte. Un critère d'optimisation peut être l'occurrence simultanée de la rupture et du flambement.
La figure 10 présente schématiquement les deux modes de rupture.
La grande diversité des matériaux composites et de leurs caractéristiques mécaniques (rigidité et résistance) ne permet pas de chiffrer les seuils entre ces trois domaines.
Dans la procédure de calcul d'une enceinte sous pression, interviennent :
-
les méthodes d'identification des caractéristiques mécaniques des matériaux ;
-
les méthodes de calcul analytiques ou semi-analytiques souvent destinées au prédimensionnement ;
-
la méthode des éléments finis ;
-
la définition des facteurs de sécurité.
Dans tous les cas, il est nécessaire de réaliser des essais en pression de composants, de modèles à échelle réduite voire d'un prototype pour valider l'ensemble des hypothèses faites au cours du processus de conception et de calcul.
4.1 Caractéristiques des matériaux
Lors des calculs, tous les matériaux fibres/résine précédemment décrits sont considérés comme des matériaux stratifiés dont chaque couche est orthotrope (ce qui n'est pas rigoureusement vrai, spécialement dans le cas des matériaux obtenus par enroulement filamentaire). Les caractéristiques requises pour la modélisation sont donc (1 étant la direction des fibres, 2 la direction perpendiculaire aux fibres, 3 celle de l'épaisseur) :
-
les modules d'Young E1, E2 et E3 si possible en traction et en compression ;
-
les modules de cisaillement G12, G13...
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Dimensionnement de cylindres composites
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - KRAWCZAK (P.) - Réservoirs haute pression en composites - . Éditions Techniques de l'Ingénieur, [AM 5 530] 2002.
-
(2) - SMITH (C.S.) - Design of marine structures in composite materials. - Elsevier applied science, 1990.
-
(3) - * - http://www.argo.ucsd.edu/
-
(4) - PHAN (A.), CABANEl (D.) - Coques et enceintes en composites bobinés pour les travaux sous-marins. - Conférence internationale : pénétration sous-marine, ATMA, Paris, 1982.
-
(5) - GARVEY (R.E.) - Composite hull for full ocean depth. - MTS Journal, vol.24, no 2, p. 49-58, 1990.
-
(6) - DAVIES (P.), CHOQUEUSE (D.), RIOU L., WARNIER (P.), JEGOU (P.), ROLIN (J.F)., BIGOURDAN (B.), CHAUCHOT (P.) - Matériaux composites pour véhicule sous-marin 6 000 mètres. - ...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
-
Les matériaux composites en construction navale militaire.
-
Vieillissement des composites – Mécanismes et méthodologie d'étude
-
Vieillissement des composites – Évolution des propriétés et modélisation
ABAQUS http://www.3ds.com/products-services/simulia/portfolio/abaqus/overview/
ADINA http://www.adina.com/index.shtml/
ANSYS http://www.ansys.com/
COMSOL http://www.comsol.com/
HAUT DE PAGE
Ifremer, Institut français de recherche pour l'exploitation de la mer http://www.ifremer.fr/
Société MaHyTec, fabricant de cylindres en composites http://www.mahytec.com
HAUT DE PAGE
Journées Nationales de Composites (JNC), conférence organisée en France par l'AMAC (Association des Matériaux Composites) tous les deux ans, http://www.amac-composites.org/manifestations/journees-nationales-composites
JEC Europe, Salon professionnel, forum et conférences utilisateurs, organisé chaque année à Paris par JEC Group http://www.jeccomposites.com/
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