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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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Dominique CHOQUEUSE : Ingénieur de Recherche - Service Matériaux et Structures, IFREMER, Centre de Bretagne, Plouzané, France,
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Peter DAVIES : Ingénieur de Recherche - Service Matériaux et Structures, IFREMER, Centre de Bretagne, Plouzané, France,
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Benoît BIGOURDAN : Ingénieur de Recherche - Service Matériaux et Structures, IFREMER, Centre de Bretagne, Plouzané, France,
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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 :
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une tendance à flamber lorsque le rapport épaisseur de paroi divisé par le diamètre est faible ;
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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
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5. Moyens d'essais
Afin de simuler l'influence d'immersion deux solutions sont disponibles : soit on emploie des caissons hyperbares, soit on effectue des essais en mer. Étant donné le coût élevé des opérations en mer et les difficultés d'instrumentation, on favorise les essais à terre. Des équipements permettant de simuler l'effet de la pression ont été développés afin de pouvoir vérifier la tenue des équipements sous-marins à l'environnement. Ces équipements, communément appelés « caissons hyperbares », sont de dimensions et de capacités diverses.
À titre d'exemple, le tableau 4 présente les caractéristiques des équipements disponibles au sein de l'Ifremer (Institut Français de Recherche pour l'Exploitation de la Mer). La figure 12 illustre un exemple.
L'essai de base est un essai à la rupture par implosion. La figure 13 présente quelques exemples de cylindres avant et après essai.
Équipés de passages électriques, hydrauliques et électro-optiques étanches, ces équipements permettent également de suivre différents paramètres de l'essai : déformation, déplacement lors des essais de simulation.
Afin d'appréhender le comportement de la structure au cours du chargement en pression, la réponse fournie par des jauges de déformations collées sur la structure est généralement utilisée. Afin de s'affranchir de l'effet de la pression sur la réponse intrinsèque de la jauge, ces jauges sont généralement placées à l'intérieur du tube et le signal est transféré à l'extérieur par le biais de connecteurs électriques étanches. L'utilisation de jauges sur la surface extérieure peut être envisagée, mais un soin particulier doit être apporté au niveau de l'étanchéité et une jauge de compensation de l'effet de la pression doit être mise en œuvre.
Afin de bien comprendre le comportement, il est impératif d'instrumenter au minimum une demi-circonférence de la section centrale du cylindre, et cela, avec un pas angulaire minimal de 60°. Ce type d'instrumentation assure la détection et l'identification du mode de flambement amorcé pour les modes de flambement d'ovalisation. Pour des modes de flambement plus complexes, à plus de deux lobes (modes de flambement toutefois peu fréquents),...
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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/
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(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. - Comptes...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
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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