Simulation numérique de la propagation des ondes dans les structures composites stratifiées

par Guillaume Inquiété

Thèse de doctorat en Mécanique

Sous la direction de Louis Jézéquel.

Soutenue en 2008

à l'Ecully, Ecole centrale de Lyon .


  • Résumé

    Lors du vol d’un lanceur, la séparation de la coiffe et des charges utiles est assurée par des dispositifs pyrotechniques. L’environnement vibratoire produit par ces dispositifs est généralement très sévère, ce qui peut entraîner la dégradation des équipements « sensibles » placés à proximité. Pour éviter ce type d’incident, il est nécessaire de prédire correctement les niveaux vibratoires en pied de ces équipements. Des simulations numériques sont donc réalisées à partir de codes explicites, mais peuvent parfois conduire à des prévisions médiocres. Des travaux de recherche ont donc été entrepris afin de fiabiliser ces outils de simulation. Dans ce contexte, nous étudions tout d’abord la capacité des éléments finis standard à représenter la propagation d’ondes élastiques dans les poutres et plaques composites stratifiées, dès que l’on s’intéresse à des fréquences relativement élevées. Pour ce faire, nous étudions la dispersion des ondes à partir des théories utilisées pour formuler les éléments, et nous comparons les résultats obtenus à ceux prédits à partir de la méthode des éléments finis ondulatoires. A travers différents cas tests, nous montrons que les éléments finis standard peuvent être insuffisants pour modéliser les poutres et plaques composites stratifiées à hautes fréquences. Des éléments finis d’ordre plus élevé ont aussi été testés cependant aucun d’entre eux n’a été jugé satisfaisant. Nous en concluons donc pour l’instant que seuls les éléments solides peuvent permettre de reproduire correctement les phénomènes de dispersion d’ondes. Par la suite, les travaux portent sur la capacité d’un code explicite à simuler la réponse transitoire d’une structure composite stratifiée lorsque cette dernière est sollicitée par un choc haute fréquence [0-100kHz]. Dans ce travail, différentes simulations ont été effectuées sous le logiciel Abaqus/Explicit et leurs prévisions ont été comparées à des calculs semi-analytiques. Les résultats obtenus montrent que le logiciel peut être employé dans le cadre de notre problématique à condition que le paramétrage numérique (taille des éléments, ordre des fonctions d’interpolation, intégration numérique) soit correctement ajusté pour que les erreurs de dispersion, inhérentes à la méthode des éléments finis couplée à un schéma d’intégration en temps, restent faibles. Pour finir, nous concluons ce travail en comparant les résultats théoriques aux mesures expérimentales réalisées à partir de la technique inhomogeous wave correlation. Les comparaisons effectuées montrent que la théorie du premier ordre en flexion reproduit correctement la dispersion de l’onde de flexion pour une plaque composite stratifiée de 0 à 3 kilohertz. Des travaux complémentaires sont à prévoir pour étudier la validité des modèles à plus hautes fréquences car le banc d’essai utilisé est limité en raison de la fréquence de coupure du pot vibrant.


  • Résumé

    During the launch phase, space launchers utilize pyrotechnic devices to separate fairing and payload. Shocks generated by device activation and characterized by high peak acceleration and broadband frequency spectrum could damage payload equipments placed at the vicinity of the devices. Consequently, vibration level must be accurately predicted before flights in order to make sure that equipments are not damaged. Numerical simulations are performed but, in some cases, results are not accurate enough. Hence, research studies are conducted to improve the reliability of numerical tools. In this context, the capability of standard finite element to model elastic wave propagation in laminated composite plate and beam at high frequencies is first studied. To perform this study, wave dispersion is evaluated theoretically and compared to the results estimated by the wave finite element method. Results presented highlight that standard finite element can be insufficient to model laminated composite beam and plate. Otherwise, comparisons are also performed with high order finite element but results show that there are not sufficent. Therefore, we conclude that solid finite element can only be used to model accurately wave dispersion phenomena. Second, the study focus on the ability of explicit software to simulate the transient response of laminated composite structure submitted to high frequency shocks [0-100 kHz]. In this work, numerical simulations are performed with Abaqus/Explicit and a semi-analytical method. By comparing the results, it is demonstrated that Abaqus/Explicit can be used to predict accurately the propagation of elastic wave at high frequencies however numerical parameters (element length, order of the interpolation function, numerical integration) must be adjusted correctly to avoid numerical dispersion induced by the finite element method coupled with time integration method. At last, measurements obtained by the inhomogeneous wave correlation technique are compared to the theoretical results. It is shown that the first order shear deformation theory can be employed to model the dispersion of flexural wave in a laminated composite plate from 0 to 3 kilohertz. To validate model at higher frequencies, the mock up has to be enhanced because the cut off frequency of the shaker restrict its use.

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  • Détails : 1 vol. (3-XVII-168 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
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