Littérature scientifique sur le sujet « Ondes de détonation – Interaction fluide-structure »

En construction navale militaire, les navires sont conçus pour résister à des menaces conventionnelles comme les mines ou les torpilles. Ces conceptions s’appuient sur des calculs aux explosions sous-marines lointaines qui sont bien maîtrisées aujourd’hui. Depuis la Seconde Guerre Mondiale, cette thématique a en effet bénéficié d’importants travaux de recherche. Ceux-ci ont abouti à des méthodes numériques robustes qui permettent de simuler l’essentiel des phénomènes caractérisant ces événements. Ces méthodes, utilisées en ingénierie, s’appuient cependant sur des hypothèses restrictives qui limitent leur champ d’application. Elles sont discriminantes si l’on souhaite simuler les explosions sous-marines en champ proche, caractérisées par des phénomènes fortement non-linéaires. Dans ce cadre, on adapte la méthode éléments finis Euler-Lagrange Multi-Matériaux avec Couplage Euler-lagrange, pour simuler ces problèmes. Les évolutions présentées dans la thèse s’articulent autour de deux points. (1) La méthode est développée en deux dimensions pour résoudre les problèmes 2D axisymétriques avec une rapidité et une précision accrues par rapport aux simulations 3D. (2) La projection des résultats 2D sur des grilles de calculs différentes 2D ou 3D est implémentée. Cette technique de projection permet de résoudre le problème complet par des phases successives dont la physique se situe sur des échelles de temps et d’espace très différentes, et qui nécessitent des maillages adaptés. Les développements effectués sont finalement intégrés dans le code de calcul LS-DYNA version 5.1.1, et validés pour les différentes phases du problème à partir de résultats théoriques et expérimentaux
In military shipbuilding, ships are designed to withstand conventional threats such as mines or torpedoes. These designs are based on calculations of structural response to underwater explosions in far field, what is relatively well controlled today. The thematic of underwater explosions has indeed benefited from extensive research since the Second World War. This has resulted in robust numerical methods to simulate the main phenomena that characterize such events. These methods used in engineering are based on assumptions that limit their scope. These restrictions are discriminatory when we attempt to simulate underwater explosions in near field which are mainly nonlinear phenomena. In this context, the Multi-Material Arbitrary Lagrangian-Eulerian method with Euler-Lagrange coupling is chosen to simulate these problems. To make the method more easily applicable in engineering, its adaptation is based on two points. (1) Firstly the method is developed for two-dimensional cases in order to solve 2D axisymmetric problems with higher speed and accuracy compared to 3D simulations. (2) Then the projection of results from two-dimensional analysis on 2D or 3D grids is implemented. The projection from one grid to the other allows solving the whole problem through successive phases for physics on very different time scales and space scales, what necessitates adapted meshes. The developments are implemented in LS-DYNA code for the revised version 5.1.1 and validated for the different phases of the problem from theoretical and experimental results

La simulation des problèmes transitoires de grandes déformations telle que la détonation est primordiale pour les calculs mécaniques parce que l'approche expérimentale de ces phénomènes est souvent chère et consommatrice de temps. Dans cette thèse, les outils numériques utilisés pour la modélisation des détonations sont les formulations Eulérienne et Arbitraire Lagrange Euler (ALE) multi-matériaux en utilisant l'hydrocode LS-DYNA. Cependant, pour des problèmes transitoires de grandes pressions, la méthode ALE ne permet pas de maintenir un maillage fin à proximité de l'onde de choc. Une nouvelle méthode de relaxation retardée des mailles introduite dans la méthode ALE multi-matériaux est testée. Cette technique permet de maintenir un comportement aussi Lagrangien que possible à proximité du front de choc. Le paramètre de relaxation doit être défini d'une manière générale pour des applications de grandes pressions. Les résultats numériques sont comparés aux résultats expérimentaux afin de mieux comprendre comment choisir la valeur du paramètre de relaxation. D'autres investigations numériques sur la détonation du cordeau détonant en forme spirale, qui permet d'obtenir une convergence d'ondes de choc, sont réalisées. En utilisant la méthode Eulérienne multi-matériaux, une bonne corrélation entre les résultats numériques et expérimentaux démontre la capacité de cette formulation à résoudre des problèmes de détonation dans l'eau du cordeau détonant sous différentes formes. D'autre part, un phénomène de détonation forte, qui permet de donner à un explosif des pressions plus élevées que la pression de Chapman-Jouguet est modélisé en utilisant un couplage en pénalité.

Avant la pandémie de COVID-19, Airbus recevait de plus en plus de commandes d'aéronefs, et espérait, via l’hydroformage par explosif, pouvoir répondre à davantage de demandes. Pour éviter des coûts supplémentaires pour le développement d’une nouvelle technique, la simulation numérique est utilisée. Toutefois, le temps nécessaire, que ce soit de calcul ou ingénieur, est trop important et la précision parfois insuffisante pour permettre une intégration facile au sein des différents projets concernés. De plus, la viabilité du procédé en vue d’une industrialisation doit être considérée. Pour répondre à ce besoin, dans un premier temps, les différentes étapes liées à l'hydroformage par explosif sont identifiées. En premier lieu, la détonation est étudiée pour permettre une meilleure compréhension de la source d'énergie agissant lors du formage par explosif. Ensuite, la propagation du choc issue de l’explosion sous-marine est évaluée ainsi que l’interaction fluide-structure dans le cas du formage par explosif tel que défini au sein d’Airbus. A partir de ces considérations, un outil « FSILoad », basé sur une approche semi-analytique, permettant l’application d’une pression équivalente à la détonation de cordeaux explosifs est créée. Pour s’assurer la bonne définition de l’alliage d’aluminium dont est fait la pièce, cet alliage est caractérisé via des essais de traction quasi-statiques uni-axial, des essais dynamiques via les barres d’Hopkinson et le choc laser. Un modèle numérique est réalisé à l'aide de ces nouvelles données d'entrée. Lors de l'hydroformage par explosif, les contraintes résiduelles issues de la simulation sont comparées à l’expérience et un modèle analytique est défini pour permettre l’identification de paramètres influents. Finalement, les paramètres susceptibles d’affecter la déformation finale en simulation sont identifiés, la viabilité de l’outil FSILoad quantifié et la répétabilité du procédé pour répondre à un besoin industriel évaluée
Before the COVID-19 pandemic, Airbus was receiving more and more orders from aircraft, and was hoping, through high explosive hydroforming, to be able to meet more demands. To avoid additional costs for the development of a new technique, numerical simulation is used. However, the time required for calculation and engineering is too long and the accuracy is sometimes insufficient to allow easy integration into the various projects concerned. In addition, the viability of the process for industrialisation must be considered. To meet this need, the various steps related to High Explosive HydroForming are first identified. Firstly, the detonation is studied to allow a better understanding of the energy source acting during explosive forming. Next, the propagation of the shock wave from the underwater explosion is evaluated as well as the fluid-structure interaction in the case of explosive forming as defined within Airbus. Based on these considerations, a «FSILoad» tool, based on a semi-analytical approach, allowing the application of a pressure equivalent to the detonation of explosive cords is created. To ensure the correct definition of the aluminium alloy of which the part is made, this alloy is characterised by quasi-static uni-axial tensile tests, dynamic tests via Hopkinson bars and laser shock. A digital model is created using this new input data. During high explosive hydroforming, the residual stresses resulting from the simulation are compared to the experiment and an analytical model is defined to allow the identification of influential parameters. Finally, the parameters likely to affect the final deformation in simulation are identified, the viability of the FSILoad tool quantified and the repeatability of the process to meet an evaluated industrial need

Reproduction de : Thèse de doctorat : Génie civil : Lille 1 : 2006.
N° d'ordre (Lille 1) : 3849. Résumé en français. Titre provenant de la page de titre du document numérisé. Bibliogr. p. 151-159.

La prédiction et l'analyse, dès la conception, du comportement vibratoire engendré par un système vibrant permettent de réduire et de contrôler les nuisances sonores et les vibrations de la structure avant de procéder à la fabrication du produit fini. Afin de réduire les coûts de conception, les recherches se focalisent, à l'heure actuelle, vers des méthodes numériques de prédiction de ces phénomènes vibroacoustiques. Dans ce travail, nous nous intéressons à la simulation numérique des problèmes d'acoustique pur et de couplage vibroacoustique faible ou fort en utilisant la méthode des éléments finis (MEF) et la méthode des éléments finis de surface (Boundary Element Method BEM) couplées ou non. La structure est simulée par la MEF. Le couplage avec la cavité est modélisé, dans un premier temps, par une approche modale. La méthode proposée repose, d'une part, sur une correction pseudo-statique pour la structure et la cavité et d'autre part, sur le calcul des modes couplés issus d'un système symétrique. Cette méthode améliore la convergence de la méthode modale tout en réduisant d'une manière sensible le temps de calcul. Par ailleurs, l'interpolation quadratique des matrices d'influence en BEM a permis un gain considérable en temps de calcul. Afin de contourner le problème de singularité en BEM, nous avons étendu le traitement des singularités des quadrilatères aux triangles. Finalement, nous avons validé un couplage faible entre un code explicite en éléments finis et la BEM. Ceci nous permettra, par la suite, de traiter des cas réels et complexes

L'interaction sismique du sol avec les parois moulées a été souvent modélisée en utilisant des hypothèses contraignantes tant sur la cinématique du mur que sur les caractéristiques du sol ou la nature du chargement. De plus, l'élancement de la structure de soutènement a rapidement constitue un obstacle aux simulations numériques poussées. Dans ce travail sont proposés des outils de modélisation performants qui permettent de tenir compte de la totalité de la paroi. Une approche par sous-structuration est retenue. Elle est couplée à une méthode d'équations intégrales dont une nouvelle formulation est présentée : elle repose sur des considérations de périodicité à l'aide de solutions élémentaires périodiques que nous détaillons. L'obstacle du à l'élancement de la structure est ainsi dépasse en exploitant la périodicité géométrique de celle-ci : la paroi est désormais considérée comme un réseau unidirectionnel généré par un motif unique sur lequel s'effectue l'étude de l'interaction sismique. Chaque élément du motif est examine séparément en lui attribuant une cinématique adéquate et une modélisation du couplage entre ces éléments est proposée. Cette méthode de sous-structuration dynamique associée à la méthode des équations intégrales périodiques est basée sur une hypothèse de linéarité. Elle fournit des indications utiles sur la tenue sismique de la paroi surtout aux points faibles de celle-ci, en donnant notamment le niveau des déplacements différentiels entre les panneaux qui la constituent.

Dans la première partie, je décris mes travaux de recherche en interaction fluide-structure (résultat théorique, numérique et de contrôle), puis je présente des méthodes fréquentielles pour la contrôlabilité et la stabilisation avec applications aux problèmes de stabilisation de systèmes discrétisés. Finalement, je donne des résultats obtenus sur la dépendance par rapport au domaine de quelques EDP