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DADS - Aéroélasticité et dynamique des structures

Comportement et ruine des structures en dynamique rapide

Les activités de DADS visent à la prédiction numérique du comportement des structures pour des problématiques de crash, d’impacts ou d’explosion. Les moyens à disposition du département permettent de balayer tout le spectre depuis la caractérisation des matériaux jusqu’à la validation numérique et expérimentale de la ruine de sous-structures.

Ces travaux s’appuient sur des recherches en vue d’améliorer la compréhension de la physique des phénomènes, et sur leur modélisation. Ils se basent pour cela de manière totalement complémentaire sur :

  • Etude numérique du comportement des structures en crash et à l’impact
  • Caractérisation et Validation expérimentale en dynamique rapide

Etude numérique du comportement des structures en crash et à l’impact

Le raccourcissement des délais de conception des produits a rendu l’utilisation des calculs par éléments finis quasiment incontournable. Si certains phénomènes physiques sont correctement appréhendés par les codes de calculs, Il reste toutefois de nombreux défis à relever en ce qui concerne la prédiction de la ruine des structures lors d’impact ou de crash.

Les travaux du département visent donc à d’une part à augmenter notre compréhension des phénomènes physiques mis en jeu et d’autre part à développer des nouvelles méthodologies de modélisation.

Les travaux s’intéressent majoritairement à :

  • Développement de méthodes numériques pour la modélisation des matériaux et assemblages en dynamique rapide
  • Etude du comportement de systèmes couplés Fluide/structure
  • Etudes des impacts et impacteurs
  • Etude du comportement à rupture de structures soumises à un crash

 

L’équipe utilise pour cela des codes commerciaux (Radioss, Abaqus …), mais s’appuie essentiellement sur un code de recherche explicite Europlexus (développé en partenaiat par le CEA, le CCR ISPRA, EDF et ONERA) qui lui permet d’intégrer directement ses propres développements méthodologiques.

Développement de méthodes numériques pour la modélisation des matériaux et assemblages en dynamique rapide

Depuis de nombreuses années, le département s’investit dans le cadre des ses recherches sur ressources générales et avec l’appui de nombreuses thèses, afin d’améliorer la prise en compte dans les codes de calculs explicites, du comportement dynamique des matériaux et des assemblages. Ces travaux actuels portent notamment sur le développement d’un super-élément finis non-linéaire de plaque perforée visant à prendre en compte dans un modèle global la perforation des panneaux pour les assemblages sans devoir raffiner à l’extrême le maillage.  Ces travaux devraient déboucher à terme vers la mise à disposition dans le code Europlexus d’un nouvel élément permettant la prise en compte des perforations, que ce soit pour des matériaux métalliques visco-élastiques ou pour des matériaux composites.

Contrainte équivalente de Von Mises (cisaillement pur) : solution numérique (à gauche), solution de Kolosov-Muskhelishvili calculée à l’ordre 8 (au centre), comparaison le long de la diagonale {x=y} (à droite).

 

De manière complémentaire, le département cherche également à définir des lois de comportement des matériaux permettant de simuler jusqu’à rupture. Des travaux récents ( ref 1) ont permis de définir une loi de comportement de matériau composite représentant l’évolution des caractéristiques matériaux en fonction de la vitesse de sollicitation et offrant ainsi la possibilité d’utiliser une loi unique pour les cas de sollicitation allant du quasi-statique à la dynamique rapide.

Référence 

J. Berthe, E. Deletombe, M. Brieu “Improved viscoelastic model for laminate composite under static and dynamic loadings” Journal of Composite Materials – Vol 47, N° 14, pp 1717-1727

C. Hennuer, B. Langrand, N. Leconte, E. Markiewicz « Vers la modélisation des assemblages rivetés par super-éléments finis en dynamique rapide » 11eme colloque National en Calcul des Structures – Giens – 2013

David DELSART *, Gérald Portemont, Alain Deudon “ Assessment of a modelling method for composite bonded joints using cohesive elements method “ - 22nd Annual International Conference on COMPOSITES/NANO ENGINEERING (ICCE-22)

Etude du comportement de systèmes couplés Fluide/structure

Les nouveaux objectifs toujours resserrés de diminution de l’impact écologique des moyens de transports, et donc de leurs consommation de carburant et émissions polluantes, obligent les constructeurs à optimiser la masse des structures. Pour cela, il devient incontournable de prendre en compte dès le dimensionnement et le plus finement possible, l’ensemble des cas de charges que va rencontrer la structure en service. L’Onera propose donc des nouvelles approches permettant de simuler le comportement et la ruine des structures soumises à un chargement par un fluide ou directement en interaction avec un fluide.

Les problèmes ainsi abordés concernent notamment la rupture de composants plongés dans un écoulement (cas d’élément de fuselage ou de moteur en vol de croisière, au décollage ou à l’atterrissage, les impacts balistiques ou crash de réservoirs, l’amerrissage d’urgence d’avions etc …

DADS s’appuie pour cela sur les formulations éléments finis disponibles (éléments lagrangien, eulériens ..) mais également sur les approches couplés ALE ou méthodes particulaires (SPH)

Les développements de DADS visent à représenter le plus fidèlement le comportement du fluide et son interaction avec la structure afin d’identifier précisément les charges agissant sur la structure.

Mouvement d’un corps solide déformable dans un écoulement fluide avec suivi du maillage fluide
 

Référence

E. Deletombe, J. Dupas, J. Fabis « Experimental Analysis of 7.62 mm hydrodynamic ram in containers » Journal of Fluid and Structures » Vol 37, pp 1-21

Etude du comportement à rupture de structures soumises à un crash 

L’augmentation des exigences en matière de sécurité des transports nécessite une attention croissante à la vulnérabilité des structures et la survivabilité des passagers soumis à un crash. Si il y a quelques années, cette problématique était traitée a posteriori par ajout de renforts sur une structure préalablement dimensionnée, la recherche de l’optimisation des couts et de la masse des structures implique dorénavant la prise en compte de ces phénomènes dès les toutes premières phases de conception. Il est donc ^primordial de disposer d’outils prédictifs permettant de simuler le comportement structural. DADS propose donc, en s’appuyant principalement sur ses propres recherches sur la modélisation des matériaux et assemblages, l’étude et le dimensionnement de toute ou partie des structures primaires. L’accent se porte essentiellement sur la sensibilité des résultats de calculs au maillage, et à la prise en compte et la prédiction des phénomènes d’endommagement locaux et de propagation de fissures. Les simulations réalisées au sein du département peuvent être directement comparées et corrélées à des résultats expérimentaux réalisés au sein du laboratoire d’essais de DADS.

 

Etudes des impacts et impacteurs

La sureté de fonctionnement des moyens de transport est devenue un problème central dans la conception. Il est donc important que les structures soumises en service à différents types d’impact (grêle, oiseau, débris pneumatiques ou de matériaux, foudre …) puissent résister et permettre de terminer la mission.

L’ONERA met pour cela en place des recherches visant à identifier le comportement des impacteurs et à développer les moyens de simulations permettent de rendre compte des phénomènes physiques

 

Références

D. Delsart, J. Fabis, A. Vagnot ”Ice impacts modelling using smooth particle hydrodynamic method” EUCASS 2011 – 4th European Symposium for Aerospace Sciences – Saint Petersbourg

 

R. Ortiz, Y. Chuzel-Marmot, A. Combescure “Three dimensional SPH-FEM gluing for simulation of fast impacts on concrete slabs” Computers and Structures 89 (2011) 2484-2494

 

Caractérisation et Validation expérimentale en dynamique rapide

Le département DADS dispose d’un laboratoire d’essais dédié à la caractérisation expérimentale des matériaux et structure en dynamique rapide. L’ensemble des moyens est destiné à l’analyse des phénomènes physiques mis en jeu pour des sollicitations mécaniques avec des vitesses de déformation pouvant aller de 10-4 s-1 à plus de 10.000 s-1.

Les équipes et les moyens expérimentaux contribuent et réalisent des recherches amont Onera, mais peuvent également être mis à la disposition de clients externes pour !

  • Identification de loi de comportement et d’endommagement des matériaux et assemblages
  • Caractérisation expérimentale du comportement de structures à l’impact et au crash

Identification de loi de comportement et d’endommagement des matériaux et assemblages

Le laboratoire d’essai de dynamique rapide du département a acquis un grand savoir faire dans la mise en place des techniques d’acquisition les plus performantes dans le but de caractériser finement le comportement des matériaux et assemblages pour des sollicitations dynamiques transitoires avec des vitesses de déformation allant du quasi-statique (10-4 s-1) jusqu’aux plus grandes vitesses (~2000 s-1). Il est ainsi capable d’identifier les lois de comportement et d endommagement de matériaux métalliques ou composites, basées sur l’exploitation d’essais dynamiques élémentaires à l’échelle du coupon ou de l’éprouvette. La technique de mesure de champs de déformation par corrélation d’images, largement utilisée, permet de plus d’obtenir une grande quantité d’informations pour chaque essai réalisé.

Des travaux en cours, fondés sur la Méthode des Champs Virtuels, visent à obtenir, en exploitant sur des éprouvettes entaillées des champs de déformation inhomogénes, l’identification des propriétés matériaux pour une large gamme de vitesse de déformation sur la base d’un seul essai, et par suite de réduire significativement le coût d’une campagne d’essais.

Le laboratoire s’est aussi spécialisé dans la caractérisation de matériaux en température (de -160°C à +700°C). Il s’est pour cela doté d’enceintes climatiques et de systèmes de chauffage par induction, couplés aux machines de traction statiques et dynamiques.  Les moyens de mesures sans contact, disponibles dans le laboratoire, ainsi qu’une caméra thermique, permettent l’acquisition des données dans ces conditions extrêmes.

Essai dynamique d’assemblage riveté et identification d’endommagement par mesure thermographique et par corrélation d’images
(Cliquer sur l'image pour l'agrandir)

 

Références

D. Notta, B. Langrand, G. Portemont, E. Markiewicz, F. Lauro ”Identification of Johnson-Cook’s visocplatic parameters using the Virtual Fields Method : application to titanium alloy Ti6Al4V

V. Joudon, G. Portemont, F. Lauro, B. bennani « Protocole expérimental pour la caractérisation de Modèles de Zobes Cohéisves » 21eme Congrès Fran_ais de Mécanique (CFM 2013) – Bordeaux.

Caractérisation expérimentale du comportement de structures à l’impact et au crash

Le laboratoire d’essais dispose, outre ses moyens de caractérisation matériaux, de dispositifs permettant de tester la résistance de structures à l’impact ou ou crash. Sont ainsi disponibles :

  • 1 tour de crash permettant de simuler des crash jusqu’à des vitesses de 15 m/s et une énergie de 100 k
  • 2 lanceurs à air (diamètres 50 et 200 mm) permettant de réaliser des impacts pour des vitesses jusqu’à 250 m/s et des impacteurs de 1 kg
  • 1 enceinte de tir permettant de réaliser des tirs de calibre 7,62 mm

Ces moyens sont utilisés essentiellement pour la validation des études numériques réalisées en interne. Ils sont néanmoins accessibles pour les besoins industriels. Les équipes DADS mettent alors toute l’expérience acquise pour proposer une maitrise des paramètres de l’essai et l’acquisition de données (48 voies de mesure 1Mhz – possible 80 voies, caméras rapides haute résolution 12.500 im/s 1 Mpixels, caméra ultra-rapide 400.000 im/s 1Mpixels). Ces facilités garantissent un niveau de fiabilité extrême, ainsi qu’une analyse détaillé des phénomènes mis en jeu lors de l’essai.

Champs de déplacement 2.5D et de déformation par corrélation d’images

Mesures de champ de déplacements par corrélation d’images 3D lors d’un essai d’impact

Référence

J. Fabis, D. Grégoire, H. Maigre, A. Combescure « Identification de mécanismes de rupture et d’endommagement à l’aide d’un outil sur la corrélation d’images numériques » 12éme Colloque International Contrôle et Mesures Optiques pour l’Industrie » Lille.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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