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Résistance des caissons réservoirs au coup de bélier hydraulique généré lors de l’impact et de la pénétration d’un projectile à grande vitesse

L’objectif des travaux vise à permettre à l’industriel de limiter la vulnérabilité des caissons réservoirs des avions aux impacts de projectiles éventuellement balistiques. En effet, sous certaines conditions, un projectile peut générer dans un réservoir, un endommagement catastrophique : le « coup de bélier hydrodynamique ».

Après la traversée de la paroi d’entrée d’un caisson de réservoir, le projectile trouve, sur sa trajectoire, un espace plus ou moins rempli de liquide et des parois internes. Il est freiné, voire stoppé par le fluide qui lui oppose une force de traînée fonction de la cinématique, de la géométrie et des caractéristiques du projectile et du fluide. Dans ce processus, l’énergie cinétique de la munition est transférée au liquide se trouvant au voisinage de la trajectoire. Soit le réservoir est partiellement empli d’air à proximité de la trajectoire, et le fluide, chassé par le projectile, y trouve naturellement sa place, soit il ne l’est pas, et la structure doit alors s’adapter au chargement hydrodynamique. C’est le phénomène du coup de bélier. Concrètement, plus le projectile est arrêté brutalement et à proximité d’une paroi, plus la structure est amenée à se déformer localement, jusqu’à rupture éventuelle en cascade du réservoir.

La contribution expérimentale de l’unité CRD dans cette activité concerne la mise en œuvre de campagnes de tirs (en piscine ou sur différents types de caissons représentatifs de voilures d’avions). Un banc de test spécifique a par exemple été conçu et développé pour de telles expérimentations sur structures (figure 1). Les objectifs des études de caractérisation dynamique sont de fournir les données d’entrée nécessaires aux simulations numériques : propriétés dynamiques des matériaux et des assemblages, et, en l’occurrence ici, incidence et vitesse initiales du projectile, niveau de pression dynamique dans le réservoir, vitesse en sortie de caisson, champs de déformation des structures, etc. La multiplicité des mesures dynamiques permet ainsi à l’Unité CRD d’évaluer la pertinence de nouvelles modélisations pour la simulation des phénomènes complexes et fortement non-linéaires mis en jeu (problèmes « multi-physiques », avec notamment dans le cas présent les interactions fluide/structure).

Fig.1 - Equipements autour du banc de test de tir
Fig.1 - Equipements autour du banc de test de tir

La durée particulièrement courte des phénomènes hydrodynamiques étudiés (quelques ms) accroît naturellement la difficulté de l’observation expérimentale.

Fig.2 - Champ de pression dans le milieu fluide (simulation numérique SPH +/- LAG)
Fig.2 - Champ de pression dans le milieu fluide (simulation numérique SPH +/- LAG)

Prises de vue video (caisson dassault aviation)Prises de vue video (caisson dassault aviation)
Prises de vue video (caisson dassault aviation)

Aéroélasticité et dynamique des structures

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Résistance des caissons réservoirs
au coup de bélier hydraulique généré lors de l’impact et de la pénétration d’un projectile à grande vitesse

L’objectif des travaux vise à permettre à l’industriel de limiter la vulnérabilité des caissons réservoirs des avions aux impacts de projectiles éventuellement balistiques. En effet, sous certaines conditions, un projectile peut générer dans un réservoir, un endommagement catastrophique : le « coup de bélier hydrodynamique ».

Après la traversée de la paroi d’entrée d’un caisson de réservoir, le projectile trouve, sur sa trajectoire, un espace plus ou moins rempli de liquide et des parois internes. Il est freiné, voire stoppé par le fluide qui lui oppose une force de traînée fonction de la cinématique, de la géométrie et des caractéristiques du projectile et du fluide. Dans ce processus, l’énergie cinétique de la munition est transférée au liquide se trouvant au voisinage de la trajectoire. Soit le réservoir est partiellement empli d’air à proximité de la trajectoire, et le fluide, chassé par le projectile, y trouve naturellement sa place, soit il ne l’est pas, et la structure doit alors s’adapter au chargement hydrodynamique. C’est le phénomène du coup de bélier. Concrètement, plus le projectile est arrêté brutalement et à proximité d’une paroi, plus la structure est amenée à se déformer localement, jusqu’à rupture éventuelle en cascade du réservoir.

La contribution expérimentale de l’unité CRD dans cette activité concerne la mise en œuvre de campagnes de tirs (en piscine ou sur différents types de caissons représentatifs de voilures d’avions). Un banc de test spécifique a par exemple été conçu et développé pour de telles expérimentations sur structures (figure 1). Les objectifs des études de caractérisation dynamique sont de fournir les données d’entrée nécessaires aux simulations numériques : propriétés dynamiques des matériaux et des assemblages, et, en l’occurrence ici, incidence et vitesse initiales du projectile, niveau de pression dynamique dans le réservoir, vitesse en sortie de caisson, champs de déformation des structures, etc. La multiplicité des mesures dynamiques permet ainsi à l’Unité CRD d’évaluer la pertinence de nouvelles modélisations pour la simulation des phénomènes complexes et fortement non-linéaires mis en jeu (problèmes « multi-physiques », avec notamment dans le cas présent les interactions fluide/structure).

Photo de l'installation
Fig.1 - Equipements autour du banc de test de tir

La durée particulièrement courte des phénomènes hydrodynamiques étudiés (quelques ms) accroît naturellement la difficulté de l’observation expérimentale.

Simulation numérique
Fig.2 - Champ de pression dans le milieu fluide (simulation numérique SPH +/- LAG)

Prise de vuePrise de vue

Prises de vue video (caisson dassault aviation)

La figure 2, représentant la propagation d’un champ de pression dans un modèle EF fluide sous l’effet d’un projectile académique (première image), et quelques images d’un essai réel (en-dessous), donne un aperçu de l’état de l’art en matière modélisation, et de la complexité des phénomènes réels restant à appréhender.