Soutenance de thèse de Nicolas CALVET

Ecole Doctorale
SCIENCES POUR L'INGENIEUR : Mécanique, Physique, Micro et Nanoélectronique
Spécialité
Sciences pour l'ingénieur : spécialité Mécanique des Solides
établissement
Aix-Marseille Université
Mots Clés
Mécanique,Matériaux,Composite,Membrane,
Keywords
Mechanics,Materials,Composite,Membrane,
Titre de thèse
Conception d'une membrane composite sous pression et de sa liaison flexible
Design of a composite membrane under lateral pressure and of its flexible part
Date
Jeudi 30 Septembre 2021 à 14:00
Adresse
4 impasse Nikola Tesla, 13013 Marseille
Amphithéâtre François Canac
Jury
Directeur de these M. Christian HOCHARD Laboratoire de Mécanique et d'Acoustique, Aix-Marseille Université
Rapporteur M. Jean-François CARON Laboratoire Navier, Ecole des Ponts ParisTech
Rapporteur M. Christophe BOIS Université de Bordeaux, I2M, Institut de Mécanique et d’Ingénierie de Bordeaux
Examinateur M. Bruno CASTANIé INSA Toulouse, Institut Clément Ader
Examinateur Mme Caroline PETIOT Airbus SAS
Examinateur M. Guilherme MACHADO Laboratoire de Mécanique et d'Acoustique, Aix-Marseille Université

Résumé de la thèse

Les travaux de recherche présentés dans cette thèse de doctorat s’inscrivent dans le cadre d’une thèse en Convention Individuelle de Formation par la Recherche avec l’entreprise BW Ideol qui a développé un flotteur pour éolienne en mer. Ce flotteur est compartimenté afin d’assurer sa flottabilité en situation accidentelle dans laquelle une voie d’eau apparaitrait. L’objectif de la thèse est d’étudier une solution de type membrane pour le cloisonnage de ce flotteur. La structure étudiée est une membrane subissant une pression latérale dont les bords sont fixés. Les travaux s’articulent autour d’analyse numériques avec des modélisations par éléments finis de la solution étudiée et de travaux expérimentaux permettant de valider les solutions retenues. La conception de montages d’essais mécaniques permet d’effectuer ces travaux expérimentaux dans des dimensions réduites par rapport aux cloisons réelles. La dimension des montages d’essai doit être suffisante pour permettre une sollicitation en membrane pour correspondre à la solution étudiée mais doit permettre des essais en laboratoire. La fabrication des membranes testées est faite à partir de matériaux composites de type fibres de verre préimprégnées de résine époxyde. Plusieurs stratifiés sont testés et comparés afin de déterminer la meilleure solution pour la conception des cloisons. Des essais mécaniques sont faits sur des membranes circulaires et carrées. Une liaison flexible est conçue afin de maximiser la tenue de la membrane en réduisant la courbure du bord de celle-ci qui provoque sa rupture prématurée. La pression appliquée et les déformations de la membrane sont mesurées au cours de l’essai et comparées aux résultats numériques obtenus par la modélisation par éléments finis. Une mesure de champ est faite avec deux caméras en utilisant la corrélation d’images numériques en trois dimensions. Cela permet de mesurer les déplacements et déformations de toute la surface de la membrane et également de mesurer les courbures principales de celle-ci afin de calculer les contraintes au sein de la membrane circulaire. Afin d’évaluer la présence d’effet d’échelle quant à la résistance de la membrane, un montage d’essai est conçu pour effectuer des essais à une échelle intermédiaire entre l’échelle réduite du premier montage d’essai et l’échelle réelle correspondant aux cloisons du flotteur de BW Ideol. Cela permet ensuite d’extrapoler les résultats obtenus en laboratoire pour dimensionner les cloisons en utilisant la solution de type membrane.

Thesis resume

Research work presented in this doctorate thesis are in the frame of a collaboration with BW Ideol which developed a wind turbine floating foundation. This foundation is partitioned to ensure its buoyancy in an accidental case where a hole in the hull lead to a water filling of the structure. The thesis purpose is to study a membrane solution to design the floating foundation bulkheads. The structure studied is a membrane under lateral pressure with clamped edges. A membrane is a plate with no bending stiffness and with constant stress through its thickness. This work is based on numerical analysis with finite element analysis and experimental work to validate the solution. Design of test devices allows to perform tests on reduced-scale bulkheads. Test devices size must lead to a membrane solicitation of the structure tested but cannot be too large to be feasible in a laboratory. Membranes tested are made from epoxy resin pre-impregnated glass fibres. Several laminates are tested and compared to find the best solution for the bulkheads design. Tests are done with circular and square membranes. To maximize the membrane strength, a flexible part is designed to reduce curvature at the membrane edge. This allows to reduced stress concentration at the edge and homogenize stress on the whole structure. Pressure and strain are registered and compared to the numerical analysis. Two cameras are used to measure the whole surface displacement and deformation and to measure principal curvature of the circular membrane. This allows to calculate principal stress inside the membrane without knowing the material behaviour. To evaluate if a scale effect exists for the strength of the structure studied, a test device is designed to perform tests in a larger scale to be able to extrapolate laboratory results to the real scale of BW Ideol floating foundation bulkheads. Results of two membranes with different sizes are compared to figure out whether a scale effect exists or not. Real scale bulkhead is then designed with the composite membrane solution.