Moyens expérimentaux et numériques
4 Moyens expérimentaux et numériques
4.1 Introduction
4.2 Méthodologie expérimentale 4.2.1 Fabrication des spécimens 4.2.2 Caractéristiques des spécimens 4.2.3 Mesure de la géométrie 4.2.4 Bancs d’essais 4.3 Méthodes numériques 4.3.1 Eléments finis 4.3.2 Méthodologies de calcul 4.1 Introduction
Face aux difficultés éprouvées par les scientifiques sur le sujet du flambage de coques depuis plusieurs décennies, nous avons donc choisi pour l’établissement de nouvelles recommandations pour le dimensionnement de coques minces au flambage, d’allier expérimentation et simulation numérique. Avec l’avènement de l’informatique, certains s’interrogent encore sur la néce s-sité d’effectuer des essais, souvent bien coûteux en temps et en argent. Notre étude bibliographique montre cependant que les simulations ne peuvent être pertinentes et percutantes que lorsqu’elles vont de pair avec des résultats exp é-rimentaux et appuient une connaissance de la phénoménologie déjà bien appro-fondie, mais elles restent bien entendu essentielles afin de pouvoir étudier l’effet des différents paramètres entrant en jeu. Nous présentons dans ce ch a-pitre les moyens aussi bien expérimentaux que numériques dont nous avons disposé pour mener à bien cette étude.
4.2 Méthodologie expérimentale
Le flambage de coques minces est étudié depuis de nombreuses années au LGCIE, qui possède donc les outils et l’expérience nécessaires afin de réaliser des campagnes expérimentales représentatives. Nous détaillons ici les diffé-rentes étapes nécessaires à la réalisation d’un essai.
4.2.1 Fabrication des spécimens
4.2.1.1 Electrodéposition de cuivre
Afin de pouvoir tester des coques axisymétriques (sans soudure ou joint quel-conques) et quasi-parfaites, un procédé de fabrication par électrodéposition a été introduit notamment par Babcock à Caltech [10]. Au LGCIE, cette méthode a été étendue à la fabrication de coques raidies par Limam [60].
Le principe consiste à déposer du cuivre sur une empreinte en alumi-nium dans un bain électrolytique. L'empreinte est obtenue par usinage d'un tube aluminium et comporte aux extrémités deux frettes en acier inoxydable. Après passage dans le bain électrolytique durant le temps nécessaire à
l'obten-tion de l'épaisseur de peau souhaitée, le spécimen est placé dans un bain de soude, qui dissout la partie en aluminium.
Une quarantaine de coques ont été fabriquées de cette manière lors de différentes thèses, permettant de mettre en évidence les charges critiques éle-vées pouvant être atteintes lorsque la structure est de bonne qualité. L'obten-tion de spécimens par électrodéposiL'obten-tion de cuivre s'est cependant révélée au cours des années relativement lourde à mettre en place et coûteuse. De plus elle ne permet pas de faire varier les caractéristiques du matériau de façon aisée. Ces inconvénients devenant fortement pénalisants dans l’optique d’une cam-pagne expérimentale extensive, nous avons préféré opter pour une méthode plus robuste et facile à mettre en place : la fabrication de coques roulées-collées à partir de feuillards métalliques.
4.2.1.2 Coques roulées-collées
Cette méthode a déjà été utilisée par plusieurs expérimentateurs, notamment sur les coques en Mylar. Son grand avantage est qu’elle est rapide à mettre en place, et permet de changer facilement le matériau et l’épaisseur de la structure avec une bonne homogénéité des caractéristiques. La contrainte principale reste la qualité médiocre des spécimens, ce qui n’est pas vraiment préjudiciable étant donné notre objectif, comme nous le verrons par la suite. La présence d’un joint de recouvrement rend la coque non axisymétrique, ce qui pourra ve-nir perturber l’essai dans certains cas.
La méthodologie de fabrication comporte plusieurs étapes, détaillées ci-dessous (Figure 4.1) :
Les feuillards nous sont livrés par rouleaux de 10 mètres de longueur. Sur une surface plane nettoyée au préalable, le feuillard métallique est déroulé puis découpé à l’aide d’un cutter, aux cotes suivantes :
• Hauteur : 270 mm + 2×20 mm de recouvrement
• Longueur : 840 mm + 20 mm de recouvrement
Les recouvrements horizontaux et le recouvrement vertical du feuillard ainsi que la partie des frettes où la coque va être collée sont ébavurés puis nettoyés avec de l’acétone afin de faciliter l’adhérence du métal.
Chaque spécimen est muni de deux frettes cylindriques en acier qui serviront à assurer les conditions aux limites ainsi que la diffusion des efforts appliqués. Les frettes, destinées à être positionnées aux extrémi-tés de la coque, sont mises en place sur un gabarit en aluminium. Quatre barres métalliques usinées placées à l’intérieur du gabarit assu-rent le parallélisme et la bonne distance entre les frettes. L'ensemble est ensuite positionné sur un assemblage permettant sa libre rotation autour de l’axe central.
Une colle bi-composant est préparée puis placée sur les frettes. Le feuillard est alors progressivement enroulé, le collage étant réalisé au fur et à mesure. Il est impératif de bien appuyer continuellement sur les
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parties collées pour éviter toute formation de trous qui créeraient une discontinuité des conditions aux limites et aurait une influence néfaste sur les résultats expérimentaux.
Une fois le collage au niveau des frettes terminé, on assemble (toujours par collage) le joint vertical. Les restes de colle sont enlevés à l’aide d’acétone.
Une fois la colle polymérisée (100% de l’adhérence atteints en 24h), la coque est retirée du gabarit. Pour assurer l’étanchéité de la coque lors de la mise sous pression interne, un joint de silicone est réalisé sur la partie intérieure du joint vertical et au niveau des conditions aux limites (jonction coque-frettes). La coque est alors prête à être testée.
4.2.2 Caractéristiques des spécimens
Nous avons été amenés au cours de notre campagne expérimentale à tester des spécimens ayant des dimensions nominales variables (Figure 4.2) :
R = 135 mm
L = 135 ou 270 mm
t = 0.1, 0.15, 0.2 ou 0.3 mm
Figure 4.2 Coque cylindrique mince
Afin d’étudier l’effet des caractéristiques géométriques (épaisseur) et matériau (module d’Young, limite élastique…), différents types de feuillards métalliques ont été utilisés, ils sont récapitulés dans le tableau ci-dessous :