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Développement d'outils pour le dimensionnement et l'optimisation de corps bobinés

Description

Le procédé de bobinage permet de produire des réservoirs composites capables de résister à de hautes pressions internes. Les propriétés spécifiques très élevées de ces matériaux conduisent à des structures de rigidité et de résistance remarquables pour une masse modérée. L’enroulement filamentaire dépose de manière continue des fibres préalablement imprégnées ou non sur un moule ou un mandrin ayant un mouvement de rotation. Les enroulements de type circonférentiel et hélicoïdal sont effectués par translation de la tête d’enroulement le long de l’axe du réservoir. Ce mode de fabrication est particulièrement adapté aux structures de révolution. Dans l’industrie spatiale cette technologie est déjà utilisée pour certains corps de propulseurs ou des réservoirs.

La performance d’une structure composite repose sur l’adéquation entre les directions de chargement et la distribution du renfort fibreux. Dans le cas du procédé filamentaire, une estimation fiable du comportement mécanique de la structure est conditionnée par la simulation la plus exacte possible de la trajectoire des fibres en particulier dans les dômes, considérés comme les parties les plus délicates à représenter. Lors d’une première phase du projet, un module permettant la modélisation des enroulements a été développé apportant des améliorations significatives, dans la gestion de la géométrie complexe des dômes, par rapport aux outils communément utilisés dans les codes éléments finis (par exemple, le plug-in « Wound Composite Modeler » d’Abaqus).

Le CNES souhaite poursuivre ce développement pour intégrer ce module dans son outil de conception et dimensionnement optimisée de structures composites. A ces fins, le CNES propose un sujet d’étude post-doctorale, en collaboration avec l’Institut Pprime (UPR 3346, CNRS-ENSMA-Université de Poitiers) et le laboratoire SYMME (EA 4144, Université Savoie Mont-Blanc).

Les activités de l’équipe Endommagement & Durabilité de l’Institut Pprime portent notamment sur la compréhension, l’identification et la modélisation des mécanismes de déformation et d’endommagement dans les matériaux composites.

L’activité du groupe Matériaux de Structures du laboratoire SYMME s’insère dans la tendance industrielle actuelle qui est de développer des techniques particulières d'optimisation des paramètres sur des structures hétérogènes, et plus spécifiquement composites, avec la volonté de jouer à la fois sur la qualité de la modélisation et la rapidité du calcul nécessaire à des processus d’optimisation. Ces deux équipes ont déjà collaboré par le passé dans le cadre du projet ANR Osirhys IV [1-3] et dernièrement sur la première phase [4] du présent sujet.

Les principales étapes du travail proposé s’articulent autour de l’interfaçage du module de modélisation des enroulements avec un code éléments finis en vue d’un dimensionnement. Dans une deuxième étape, une méthodologie d’optimisation sera développée pour proposer des designs réduisant la masse de matériau composite tout en maintenant les contraintes du cahier des charges.

Etapes de l’étude

  1.  Simulation du comportement mécanique du corps bobiné

Une fois la géométrie du corps bobiné et son maillage créés, le comportement de la structure sous l’effet de l’élévation de la pression interne et des efforts externes sera simulé, jusqu’à l’éclatement, et comparé aux données expérimentales. Même si la rupture de fibres dans les couches circonférentielles est le mode d’endommagement conduisant à l’éclatement final, une estimation précise de la pression ultime nécessite de prendre en compte l’ensemble des dégradations possibles (tels que la microfissuration matricielle voire le délaminage dans les dômes) [2]. Le comportement mécanique sera donc évalué en affectant au matériau composite un modèle d’endommagement le plus complet possible, tout en veillant à réduire le temps de calcul par un choix d’hypothèses simplificatrices les moins pénalisantes pour la fiabilité des résultats.

La confrontation des résultats des simulations aux données expérimentales permettra de valider le modèle de comportement sélectionné et la géométrie issue du module d’enroulement. On disposera alors d’un outil de dimensionnement complet et fiable pour aborder la phase d’optimisation de la structure.

2. Optimisation du corps bobiné

Sur la base des modèles géométrique et de comportement validés dans la partie précédente, on procédera à l’optimisation structurale du réservoir afin de réduire la masse de composite tout en gardant les performances à l’éclatement. Deux pistes seront explorées : l’optimisation structurelle (meilleure séquence de bobinage à géométrie donnée) ou géométrique (meilleure forme de corps). On sélectionnera une méthodologie d’optimisation conduisant à des temps de calcul raisonnables. La taille du modèle éléments finis, qui plus est en présence d’une forte non linéarité matériau (endommagement), est ici un handicap. L’utilisation de méta-modèles [3] pourra être mise à profit. Cette méthodologie représente d’une manière simple et maniable (mais avec une fiabilité certes moindre) les fonctions à optimiser et permet de se passer d’une référence directe aux calculs éléments finis, après une phase préliminaire d’identification.

Programme prévisionnel

M0-M6 :                 prise en main des outils, consolidation du module avec d’autres cas applicatifs et poursuite de l’interfaçage avec Abaqus

M6-M12 :               sélection et implémentation de modèles d’endommagement, simulation du comportement à l’éclatement

M12-M24 :            sélection, comparaison et mise en place de la procédure d’optimisation, proposition d’une nouvelle conception

Références : [1] D. Leh, P. Saffré, P. Francescato, R. Arrieux, « Multi-sequence dome lay-up simulations for hydrogen hyper-bar composite pressure vessels », Composites – Part A, 52, 2013, p.106–117- [2] J.P. Berro Ramirez, D. Halm, J.C. Grandidier, S. Villalonga, F. Nony, « 700 bar type IV high pressure hydrogen storage vessel burst – Simulation and experimental validation », Int. J. Hydrogen Energy, 40, 2015, p.13183–13192 - [3] D. Leh, B. Magneville, P. Saffré, P. Francescato, R. Arrieux, S. Villalonga, « Optimisation of 700 bar type IV hydrogen pressure vessel considering composite damage and dome multi-sequencing », Int. J. Hydrogen Energy, 40, 2015, p.13215–13230 - [4] L. Bizet, P. Saffré, K. Mathis, D. Halm, M. Gueguen, P. Francescato, « Design of composite wound pressure vessels: management of singularities in multi-sequence dome lay-up simulations », 18th European Conference on Composite Materials, Athens, Greece, 2018.

Profil

Docteur en mécanique des matériaux et des structures, connaissances en composites, compétences en optimisation et simulation numérique

Description de la structure
Laboratoire d'accueil : Institut Pprime (conjointement avec le laboratoire SYMME)
Directeur(rice) de thèse/recherche : Damien Halm (PPRIME) / Philippe SAFFRE (SYMME)
E-mail du directeur(rice) de thèse/recherche : damien.halm@ensma.fr
Responsable Cnes de l'offre : Kévin MATHIS

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