Numerical modeling and buckling analysis of inflatable structures

par Thanh Truong Nguyen

Thèse de doctorat en Génie mécanique

Sous la direction de Sylvie Ronel et de Michel Massenzio.

Le président du jury était Huan Phan Dinh.

Le jury était composé de Éric Jacquelin.

Les rapporteurs étaient Anh Le Van, Frédéric Lebon.

  • Titre traduit

    Modélisation numérique et analyse du flambement des structures gonflables en textiles techniques orthotropes


  • Résumé

    L’objectif principal de cette thèse est de modéliser en flambement des poutres pressurisées en tissu souple homogène orthotrope (THO) composite. La première partie détaille les études expérimentales qui ont été menées sur des poutres gonflables à certain niveaux de pression afin de caractériser les propriétés mécaniques du matériau et le comportement en flambement de la structure. Dans une deuxième partie, une approche analytique a été envisagée afin d’étudier le flambement ainsi que le comportement d’une poutre gonflable orthotrope. Un modèle 3D gonflables poutre orthotrope basé sur la cinématique de Timoshenko a été présenté brièvement. La charge critique a été étudiée pour différents cas de charge avec différentes conditions aux limites. Les résultats ont été confrontés aux résultats théoriques disponibles. Pour vérifier la limite de validité des résultats, la charge d’apparition des plis a également fait l’objet d’une étude pour chacun des cas. La dernière partie est consacrée à une étude linéaire et à une analyse non-linéaire du flambement de la poutre gonflable en THO composite. Le modèle éléments finis (MEF) établi ici implique un élément poutre de Timoshenko à trois-nœuds avec une continuité de type C0. Un test de convergence du maillage sur la force critique de la poutre a été réalisé par la résolution du problème aux valeurs propres. En outre, un MEF non-linéaire a été développé en utilisant la procédure itérative de quasi-Newton avec incréments de chargement adaptatif permettant le tracé pas à pas de la réponse charge-déflexion de la poutre. Les résultats ont été validés à partir d’un certain niveau de pression par des résultats expérimentaux et numériques


  • Résumé

    The main goals of this thesis are to modeling and to perform the buckling study of inflatable beams made from homogeneous orthotropic woven fabric (HOWF) composite. Three main scenarios were investigated in this thesis. The first is the experimental studies which were performed on HOWF inflatable beam in various inflation pressures for characterizing the orthotropic mechanical properties and buckling behaviors of the beam. In the second scenario, an analytical approach was considered to study the buckling and the behavior of an inflatable orthotropic beam. A 3D inflatable orthotropic beam model based on the Timoshenko's kinematics was briefly introduced: the nonlinearities (finite rotation, follower forces) were included in this model. The results were compared with theoretical results available in the literature. To check the limit of validity of the results, the wrinkling load was also presented in every case. The last scenario is devoted to the linear eigen and non-linear buckling analysis of inflatable beam made of HOWF. The finite element (FE) model established here involves a three-noded Timoshenko beam element with C0-type continuity for the transverse displacement and quadratic shape functions for the bending rotation and the axial displacement. In the linear buckling analysis, a mesh convergence test on the beam critical load was carried out by solving the linearized eigenvalue problem. In addition, a nonlinear FE model was developed by using the quasi-Newton iteration with adaptive load stepping for tracing load-deflection response of the beam. The results were validated from a certain pressure level by experimental and thin-shell FE results

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