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

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.