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THESE DE DOCTORAT DE L'ÉCOLE CENTRALE DE NANTES COMUE UNIVERSITE BRETAGNE LOIRE

THESE DE DOCTORAT DE L'ÉCOLE CENTRALE DE NANTES COMUE UNIVERSITE BRETAGNE LOIRE ECOLE DOCTORALE N° 602 Sciences pour l'Ingénieur Spécialité : Génie Mécanique « Modélisation analytique de la réponse d’un cylindre immergé à une explosion sous-marine » Thèse présentée et soutenue à Ecole Centrale de Nantes, le 12/07/2018 Unité de recherche : Institut de recherche en Génie Civil et Mécanique (GeM) UMR CNRS 6183 Par Kévin BROCHARD Rapporteurs avant soutenance : Christine Espinosa Enseignant-chercheur, HDR, ISAE- SUPAERO Philippe Rigo Professeur, Université de Liège Composition du Jury : Anh Le Van Professeur, Université de Nantes (président) Philippe Rigo Professeur, Université de Liège Christine Espinosa Enseignant-chercheur, HDR, ISAE- SUPAERO Gérard Rio Professeur, Université de Bretagne-Sud Loïc Buldgen Maître-Assistant, HELMo Directeur de thèse Hervé Le Sourne Enseignant-chercheur,HDR,Icam Nantes Invité Guillaume Barras Expert DGA, DGA-TN T H E S E École doctorale no 602 : Sciences pour l’Ingénieur (SPI) Thèse de Doctorat en Mécanique pour obtenir le grade de docteur délivré par l’École Centrale de Nantes Spécialité doctorale “Génie Mécanique” présentée et soutenue publiquement par Kévin Brochard le 12 juillet 2018 Modélisation analytique de la réponse d’un cylindre immergé à une explosion sous-marine Directeur de thèse : Hervé Le Sourne Jury Anh LE VAN, Professeur, Université de Nantes Président Philippe RIGO, Professeur, Université de Liège Rapporteur Christine ESPINOSA, Enseignant-chercheur, HDR, ISAE-SUPAERO Rapporteur Gérard RIO, Professeur, Université de Bretagne Sud Examinateur Loïc BULDGEN, Maître-Assistant, HELMo Examinateur Guillaume BARRAS, Expert DGA, DGA-TN Invité Ecole Centrale de Nantes Instistut de Génie Civil et Mécanique (GeM) UMR CNRS 6183, 1 rue de la Noë Nantes, France ii Résumé La conception d’une coque de sous-marin est cruciale pour son opérabilité et la sécurité de l’équipage, mais également complexe. En eﬀet, les ingénieurs doivent prendre en compte à la fois la légèreté, la discrétion acoustique et la résistance de la coque à la pression d’immersion et aux attaques extérieures. Les explosions sous-marines représentent une menace de premier ordre pour l’intégrité de la coque, dont le comportement doit être correctement analysé. Les travaux présentés dans cette thèse portent sur le développement d’une méthode simpliﬁée, basée sur des formulations analytiques, pour étudier la réponse mécanique d’un cylindre profondément immergé à une explosion sous-marine. Le but de cette méthode est de fournir aux ingénieurs une estimation rapide des dommages subis par la coque cylindrique, leur permettant de simuler un grand nombre de scénarios d’explosion. Elle repose sur une méthode développée par Hoo Fatt and Wierzbicki dans laquelle le problème 2D d’une coque cylindrique est transformé en un problème 1D équivalent d’une corde plastique sur une fondation plastique. Pour cela, des paramètres équivalents sont déﬁnis et évalués en faisant des hypothèses sur la forme des champs de déplacement et de vitesse dans la section transversale de la coque. Dans ce travail de thèse, le modèle de la corde plastique sur fondation plastique est repris et adapté à l’étude d’un cylindre immergé soumis à un chargement explosif, pour lequel les eﬀets de pression d’immersion et d’interaction ﬂuide- structure sont à prendre en compte. Le traitement de l’interaction ﬂuide-structure est simpliﬁé en décomposant le charge- ment issu de l’explosion sous-marine en deux phases distinctes. Dans les tout premiers instants, la quantité d’énergie cinétique transmise au cylindre est déterminée à partir de la position et des caractéristiques de la charge explosive. La mise en vitesse de la paroi cylin- drique génère alors une pression de radiation mais la déformation de la coque est supposée négligeable durant cette première phase. Dans un second temps, la coque se déforme en dissipant plastiquement l’énergie cinétique transmise par l’onde de choc. La décélération du mouvement de la paroi produit un chargement additionnel de pression lié aux eﬀets inertiels de l’eau au voisinage de la coque. Ce modèle simpliﬁé d’interaction ﬂuide-structure est couplé avec le modèle de corde plastique sur fondation plastique, en considérant d’une part les eﬀets de la pression d’im- mersion et d’autre part le raidissage circonférentiel du cylindre. Des expressions analytiques sont développées pour calculer l’enfoncement de la coque ainsi que son énergie de déforma- tion plastique. Les résultats obtenus sont comparés à des résultats d’essais et de simulations numériques, ce qui permet de valider progressivement la méthode simpliﬁée, mais aussi de mettre en évidence ses limitations. iv Remerciements Toute production humaine étant avant tout une production sociale, et le doctorat ne saurait échapper à cette constatation, je n’aurais pu mener ce travail de thèse à bien sans tout le soutien des personnes qui m’ont entouré durant toute la durée de mes travaux. Avant toute chose, je tiens à remercier Philippe Rigo et Christine Espinosa pour avoir accepté la tâche fastidieuse de relire ma prose. Mes remerciements sont également adressés à Gérard Rio, Ahn Le Van et Loïc Buldgen qui ont bien voulu participer au jury de cette thèse. Je remercie très chaleureusement mon directeur de thèse, Hervé Le Sourne, pour la conﬁance qu’il m’a accordée en me choisissant comme son premier doctorant à diriger, alors qu’il connaissait très bien mon sale caractère de vendéen. Sa rigueur et son bon sens ont été très précieux tout au long de nos travaux, pour éviter de s’immerger sous la complexité du problème. Enﬁn, sa bonne humeur et sa bienveillance ont fait de ces 4 années passées ensemble, une expérience très riche sur le plan humain. Je souhaite également remercier Nicolas Moes, pour avoir bien voulu m’accueillir au sein de son équipe de recherche. Je remercie vivement Guillaume Barras, expert à la DGA, qui a veillé de son oeil d’expert sur la pertinence de nos choix tout au long de ces travaux de thèse. Les réunions en sa compagnie ont toujours permis d’avancer dans la bonne direction, et son expérience pratique a été très précieuse. Une pensée aussi pour Bernard Auroire, expert à la DGA, qui a pris sa retraite peu après le début de ma thèse, mais dont les conseils se sont révélés très justes tout au long du déroulement de nos travaux. Enﬁn, l’expertise sur LS-DYNA/USA de Bruno Maurel a été cruciale dans l’obtention des résultats numériques nécessaires à la réalisation de cette thèse. Ensuite, je souhaite remercier tous mes compagnons de galère : les doctorants de l’Icam de Nantes et de l’Ecole Centrale de Nantes que j’ai croisés tout au long de ma route. Plus particulièrement, Kevin Merlin et Gideon Simenou, dont les conseils de sages m’ont évité de trop me perdre durant ma première année. Les camarades Rémy & Rémy, toujours là pour discuter de tout et de rien, dans la bonne humeur et l’esprit d’eﬀronterie caractéristique d’un bon scientiﬁque. Et les camarades de l’équipe MS de Centrale (Adrien, Baptiste, ...), pour les séminaires endiablés. Une pensée aussi pour tous les collègues de l’Icam de Nantes, professeurs, chefs de projet, technicien de labo, ...Dont la liste serait trop longue pour tous les nommer. Leurs conseils et leurs soutiens ont été déterminants pour rendre plaisant mon long séjour à l’Icam de Nantes. v A toute ma famille, qui m’a toujours soutenue, même au plus dur de la thèse, et pour m’avoir élevé tant bien que mal. A ma mère, dont la force de caractère est un exemple pour tous, et à mon père, dont l’humour permet de surmonter toutes les diﬃcultés. A mon frère, pour tous nos moments vécus ensemble, je te souhaite tout le bonheur dans cette lointaine contrée que tu as fait tienne. Sans amitié, la vie ne pourrait être vécue. A vous, les Genz d’Armes 1415, frères d’armes, pour toutes ces expériences incroyables, de beuverie, bagarre et bricolage. A tous les anciens compagnons du Stade Treillierain, ces 5 années de combat et de galère ne seront jamais oubliées. A toute la bande de l’Icam de Nantes (Jean, Diane, Thomas, Marine, Maël,...), la promotion avec laquelle j’aurais aimé faire mes études. A mes amis artistes, David & David, Céline,... et l’unique Monsieur Camarade Pinson, nos conversations animées et avinées m’auront permis de tenir le coup moralement. A mon coloc Simon, dont la gentillesse a été cruciale sur la ﬁn de la thèse. Enﬁn, à Florine, dont la présence a été déterminante sur les derniers mois de rédaction, et pour laquelle mon amour grandit chaque jour un peu plus. vi Table des matières Résumé iii Remerciements iv Table des matières vii Liste des ﬁgures xi Liste des tableaux xvii 1 Introduction générale 1 1.1 Contexte des travaux de thèse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.1.1 Coque résistante d’un sous-marin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.1.2 Les explosions sous-marines (torpilles, mines, ...), une menace de premier ordre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.2 Brève étude bibliographique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . uploads/Ingenierie_Lourd/ k-brochard.pdf