Maîtrise des instabilités hydro-élastiques de surfaces portantes : application navale

par Rémy Balze

Thèse de doctorat en Mécanique

Sous la direction de Louis Jézéquel.

Le président du jury était Jean-Jacques Sinou.

Le jury était composé de Hervé Devaux, Marc Le Boulluec.

Les rapporteurs étaient Evelyne Aubry-Barottin, Denis Aubry.


  • Résumé

    L'étude des instabilités aéro-élastiques, le flottement notamment, a été initiée au milieu du vingtième siècle, suite à de nombreux accidents de rupture d'aile d'avions ou de tabliers de ponts. L'un des accidents les plus connus est l'effondrement du pont de Tacoma, quelques mois après sa mise en service en 1940.Le flottement est une vibration synchronisée d'une structure souple se déplaçant dans un milieu fluide. Il se produit lorsque deux mouvements rythmiques réguliers coïncident de telle façon que l'un alimente l’autre, tirant l'énergie supplémentaire de l'écoulement environnant. Un cas classique de flottement d'aile d’avion consiste en la combinaison de mouvements de flexion et de torsion. Ce travail pose la problématique des instabilités par couplage fluide structure des surfaces portantes dans l’eau, les instabilités hydro-élastiques. Une différence importante par rapport aux instabilités aéroélastiques est le fait que la structure souple évolue dans un fluide lourd, ce qui implique en particulier des effets de masse ajoutée et d'amortissement fluide a priori importants. Le flottement est apparu pour la première fois sur les quilles composites des voiliers de compétition, donc dans l'eau, en 2004 :• Sur le voilier IMOCA 60 pieds POUJOULAT-ARMORLUX de Bernard Stamm, pendant la course transatlantique «The Transat» : il a perdu sa quille et chaviré.• Sur le voilier IMOCA 60 pieds SILL de Rolland Jourdain: la quille et le bateau ont été sauvés. Suite à ces problèmes - en particulier suite à la perte de la quille du voilier de Bernard Stamm, un accident qui aurait pu avoir des conséquences dramatiques pour le skipper – la société HDS, spécialisée dans la conception et le dimensionnement de structures composites, notamment dans le domaine du nautisme, s’est penchée sur le phénomène. Le flottement ne s'est produit que sur des quilles composites basculantes de voilier IMOCA 60 pieds et VOLVO 70 pieds. Les principales questions posées sont donc "Pourquoi les quilles composites sont-elles susceptibles de flotter, et est-il possible de prévoir et de prévenir ce comportement ?", puis "Une bonne estimation de la vitesse critique de flottement d'une quille peut-elle être calculée à moindre frais ?".Ce travail présente les méthodes analytiques, expérimentales et numériques mises en œuvre pour estimer la vitesse critique de flottement pour différents types d'appendices dans l'eau. Des modèles, basés sur une base modale tronquée pour les modes les plus énergétiques qui sont généralement, pour une quille à bulbe, le mode de flexion prépondérante et le mode de torsion prépondérante, sont développés et un outil de conception est proposé. Une des exigences de ce travail était, en effet, de réaliser un outil simple pour intégrer le calcul de la vitesse critique de flottement dans les premières boucles de conception d'une quille composite ou acier. Les modèles proposés, qui donnent de bons résultats pour les deux cas de flottement de quille présentés ci-dessus, sont confrontés à des résultats expérimentaux et à des simulations multiphysiques en couplage fluide structure réalisées en utilisant le logiciel ADINA. Enfin, une étude paramétrique est proposée présentant l'influence des principaux paramètres de conception sur l'apparition des instabilités.

  • Titre traduit

    Study of hydroelastic instabilities of hydrofoils : naval application


  • Résumé

    The study of aeroelastic instabilities, including flutter, was initiated in the mid-twentieth century, following numerous accidents breaking wing aircraft or bridge decks. One of the most famous accidents is the collapse of the Tacoma Narrows Bridge, a few months after its commissioning in 1940.Flutter is a synchronized vibration which takes place in a flexible structure moving through a fluid medium. It occurs when two regular, rhythmic motions coincide in such a way that one feeds the other, drawing additional energy from surrounding flow. A classic case of wing flutter might combine wing bending with either wing twisting. This work raises the issue of instabilities in fluid-structure coupling for hydrofoils in water. An important difference from the flutter phenomenon in air is the fact that the flexible structure is evolving in heavy fluid; this implies in particular added mass effects and important fluid damping. Flutter appeared for the first time on racing yacht keels with composite fins, so in water, in 2004 :• On the IMOCA 60 feet boat POUJOULAT-ARMORLUX of Bernard Stamm during the transatlantic race 'TheTransat': he lost his keel and capsized.• On the IMOCA 60 feet boat SILL Rolland JOURDAIN: the keel and the boat were saved. Following these problems - particularly following the loss of the keel of Bernard Stamm sail-boat, accident that could have dramatic consequences for the skipper - HDS company, which is is a major player in the design of complex composite parts, especially for racing sailing yachts, focused on the phenomenon. Flutter has occurred only for canting keels with composite fins on IMOCA 60 feet and VOLVO 70 feet racing yacht. The main questions asked are “Why are composite keels susceptible to flutter, and is it possible to predict and prevent this behaviour?”, then “Can a fair indication of the flutter critical speed of the keel be given at low cost? ». This work presents the analytical, experimental and numerical methods implemented to estimate the critical speed for different types of appendages in water. Models, based on a truncated modal for most energetic modes which are generally, for a bulb keel, the lateral bending predominant mode and the torsion predominant mode, are developed and a design tool is proposed. One of the requirements of this work was to make a simple tool to integrate the calculation of the flutter critical speed in the first design loops of a composite or steel keel. The proposed models that give good results for both flutter cases on keels presented above, are confronted with experimental results and with fluid-structure multiphysic simulations performed using the software ADINA. Finally, a parametric study is proposed with the influence of the main design parameters on the occurrence of instabilities.



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  • Détails : 1 vol. (243 p.)
  • Notes : Thèse confidentielle jusqu'au 31 décembre 2027
  • Annexes : Bibliogr. p. 217-219

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