DIS

CRÉT

ION

ET

FURT

IVIT

É

PRO

DU

CTIV

ITÉ

ET C

OM

PÉTI

TIVI

TÉ

D

ES P

ROCÉ

DÉS

IND

UST

RIEL

STE

NU

E D

ES S

TRU

CTU

RES

EN S

ERVI

CE

OPT

IMIS

ATIO

N É

NER

GÉT

IQU

E

INTE

LLIG

ENCE

EM

BARQ

UÉE

MAÎ

TRIS

E D

E L’I

NFO

RMAT

ION

PERF

ORM

AN

CES

NAU

TIQ

UES

ET

D

YNA

MIQ

UE

DES

PLA

TEFO

RMES

MA

RIN

ES

Les avancées scientifiques et technologiques de DCNS_n° 1RESEARCH

RESEARCH_1 03

SOMMAIRE

04_ PRÉFACE

05_ ÉDITO

06_ AVANT-PROPOS

10_ ACTUALITÉS

13_ PERFORMANCES NAUTIQUES ET DYNAMIQUE DES PLATEFORMES MARINES

La simulation des Interactions Fluide-Structure Comportement des navires et structures en mer Le bassin numérique

21_ TENUE DES STRUCTURES EN SERVICEComparaison calcul/expérience de l’éclatement d’un réservoir HP présentant un défaut Application de l’ingénierie incendie à l’évaluation du niveau de sécurité des structures composites navales Application de l’ozonation pour la maîtrise du biofouling dans les circuits eau de mer

29_ OPTIMISATION ÉNERGÉTIQUEOptimisation de formes en hydrodynamique Démonstrateur générique d’actionneur électrique

35_ INTELLIGENCE EMBARQUÉE Positionnement dynamique de navires dans la glace Évitement d’obstacles pour USV

41_ MAÎTRISE DE L’INFORMATION Extraction automatique d’objets mobiles dans des vidéos Pistage Multicapteur par PHD Filter Optimisation de trajectoires par contrôle optimal stochastique

51_ DISCRÉTION ET FURTIVITÉ Matériaux acoustiques pour la furtivité Projet AQUO – Achieve QUieter Oceans by shipping noise footprint reduction

57_ PRODUCTIVITÉ ET COMPÉTITIVITÉ DES PROCÉDÉS INDUSTRIELS

Nettoyage par un procédé mousse innovant d’un échangeur de chaleur encrassé Soudage par Faisceau d’Électrons (FE) de l’acier inoxydable X6CrNiMoNb 17.12.2

62_NOS COMMUNICATIONS SCIENTIFIQUES

RESEARCH_1. La revue scientifique et technologique de DCNS. Directeur de publication : Alain BOVIS _Comité éditorial : Christian AUDOLY, Julien BÉNABÈS, Alexia BONNIFET, Luc BORDIER, Marc BOUSSEAU, Jean-Michel CORRIEU, François CORTIAL, Xavier DAL SANTO, Sylvain FAURE (CEA), Fabien GAUGAIN, Anne-Marie GROLLEAU, Joëlle GUTIERREZ, Emmanuel HERMS (CEA), Guillaume JACQUENOT, Dann LANEUVILLE, Cédric LEBLOND, Jean-Jacques MAISONNEUVE, Thierry MILLOT, Pol MULLER, Adrien NEGRE, Antoine PAGÈS, Fabian PÉCOT, Mathieu PRISER, Ygaal RENOU, Lucie ROULEAU, Céline ROUSSET, David ROUXEL, Florent SAINCLAIR, David-François SAINT-CYR, Jean-François SIGRIST, Camille YVIN _Conception et réalisation : _Crédits photo : DCNS – tous droits réservés_Revue diffusée à 1 000 exemplaires.

EN COUVERTURE : image de synthèse représentant des fibres optiques.

04 RESEARCH_1

PRÉFACE

Le monde accélère, accélérons l’innovation !

PATRICK BOISSIER, Président Directeur Général du groupe DCNS

« Le génie est fait de 1 % d’inspiration et de 99 % de transpiration. » C’est ainsi que

Thomas Edison, génial inventeur, entre-autre, du télégraphe, du phonographe ou encore

de l’ampoule électrique, définissait en son temps le long cheminement qui caractérise

l’innovation. De la recherche fondamentale à l’application technologique, il faut

en effet suivre le parcours, souvent sinueux et semé d’embûches, de la maturation,

de la vérification, de la validation et de la valorisation d’une théorie, aussi lumineuse soit-elle.

Mais dans un monde où la technologie évolue à la vitesse de l’éclair et dans lequel les marchés

sont de plus en plus concurrentiels, il est indispensable, pour rester compétitif, de réduire

le temps de développement et les coûts des nouveaux produits et services. Il faut également

se conformer à des contraintes réglementaires, environnementales et sociales toujours plus

exigeantes.

Afin de conserver une longueur d’avance, le Groupe a créé en 2011 DCNS Research,

avec l’objectif de donner un nouvel élan à sa stratégie d’innovation et à son rayonnement

scientifique. Cette structure d’excellence, qui regroupe des ingénieurs et des techniciens

de haut niveau, a fait de la recherche collaborative son moteur. En lien avec ses partenaires

nationaux et internationaux et en étroite collaboration avec des laboratoires publics

et académiques, elle imagine et conçoit les révolutions technologiques du futur. Qu’il s’agisse

du navire virtuel, d’atténuation de l’empreinte du bruit sous-marin ou du développement de

nouvelles sources d’énergies marines, DCNS se positionne comme un inventeur de solutions

de haute technologie.

Avec un peu de transpiration, beaucoup d’inspiration et de l’innovation passionnément.

RESEARCH_1 05

ÉDITO

Je suis très heureux de vous présenter, au nom de l’ensemble

des collaborateurs de DCNS, le premier numéro de notre revue

annuelle scientifique et technologique. Dorénavant, nous publie-

rons, tous les ans, plusieurs travaux remarquables ayant apporté

une avancée significative dans les outils scientifiques ou dans les

concepts technologiques qui consolident les activités et les pro-

duits de DCNS.

Son nom RESEARCH conjugue notre mission, notre vocation

internationale et la passion du Groupe pour la mer.

Les travaux sont classés suivant différents chapitres correspondant

aux grands défis pluridisciplinaires des engins océaniques de

demain et de l’énergie des mers. Face à chacun de ces défis, DCNS

Research contribue à trouver les idées susceptibles de déboucher

sur les innovations futures et de les transformer en technologies

applicables en suivant un processus de maturation et de levée des

risques.

DCNS Research n’est pas une création ex nihilo mais s’inscrit dans

la tradition d’excellence scientifique et technique construite depuis

près de trois siècles par nos prédécesseurs. L’article introductif du

professeur Larrie Ferreiro nous rappelle l’origine de cette tradition,

fierté de notre Génie Maritime.

DCNS Research a été créé pour rassembler des forces, leur donner

plus de visibilité et de nouveaux moyens d’action, pour répondre à

de nouveaux défis au profit des objectifs de croissance du groupe

DCNS.

La recherche collaborative, ou partenariale, a été mise au cœur de

notre action. Il y a plus qu’une coïncidence entre la création de

DCNS Research, la montée en puissance de l’Institut de Recherche

Technologique Jules Verne, le lancement du projet de

Technocampus Océan à Nantes. Il y a un projet global de renforce-

ment de la recherche maritime, voulu par les pouvoirs publics et

animé par le Conseil d’Orientation de la Recherche et de l’Innova-

tion de la Construction et Activités Navales, le CORICAN. Plusieurs

des travaux présentés dans ce numéro sont issus de la recherche

collaborative.

Vous trouverez également dans ce numéro un rappel des princi-

paux événements survenus dans l’activité de DCNS Research

durant l’année. Plusieurs de nos collaborateurs sont ainsi mis à

l’honneur.

Au nom de tous les collaborateurs de DCNS Research, je vous sou-

haite une bonne lecture et vous donne, d’ores et déjà, rendez-vous

en 2014 pour le n° 2 de RESEARCH.

“Research réunit plusieurs travaux remarquables ayant, durant l’année écoulée, apporté une avancée

significative dans les outils scientifiques qui consolident les activités et les produits de DCNS”

Alain Bovis, directeur de DCNS Research et PDG de Sirehna®

06 RESEARCH_1

AVANT-PROPOS

Au commencement du XVIIe siècle, les maîtres charpentiers

de marine ne disposaient d’aucun outil mathématique per-

mettant d’appliquer les théories scientifiques aux navires.

Deux siècles plus tard, à la fin du XVIIIe siècle et à l’aube de

la révolution industrielle, les ingénieurs-constructeurs

étaient dotés d’un véritable corpus théorique pour conce-

voir des navires et prédire leurs caractéristiques et

performances.

« L’Architecture navale »

L’expression « architecture navale » a été employée pour la

première fois par l’architecte allemand Joseph Furttenbach

dans un ouvrage paru en 1629, Architectura Navalis.

En 1677, le constructeur Charles Dassié, dans son livre

L’architecture navale, émet l’idée que les mathématiques

devaient jouer un rôle de premier plan dans la conception

des navires.

À la fin du XVIIIe siècle, l’« architecture navale » est l’appli-

cation de la théorie mathématique (la « géométrie ») à la

conception du navire, comme l’illustre l’Essai géométrique

et pratique sur l’architecture navale (1776), de Vial

Du Clairbois, futur directeur de l’école du Génie maritime.

Au XIXe siècle, l’architecture navale devient la « science de

la construction navale », selon le magistral Architecture

navale – Théorie du Navire, de Pollard et Dudebout

(1890), et inclut la mécanique des corps flottants dévelop-

pée dans « des étapes successives par la Science ».

L’architecture navale, dans son sens moderne, est l’applica-

tion de la théorie scientifique, en tant qu’élément de la

conception du navire, en vue de prévoir ses caractéris-

tiques et performances avant qu’il ne soit construit.

Évolution des plans des vaisseaux

L’architecture navale, c’est-à-dire l’utilisation de la théorie

du navire dans sa conception, n’aurait pu se développer

sans les plans de coque à deux dimensions, à partir des-

quels les constructeurs pouvaient mesurer précisément les

lignes afin de calculer mathématiquement la superficie et

le volume de la coque.

Les plans des navires ne sont pas apparus en tant que

gabarits de construction. Les premiers plans connus figu-

raient dans les traités de construction navale. Les traités

étaient généralement destinés à un usage pédagogique ou

comme guides généraux, les plans n’étant donnés qu’à titre

d’exemples.

Au cours du XVIIIe siècle, les administrations navales commen-

cèrent à demander à leurs constructeurs des plans des

navires en trois vues – les plans de formes verticales, les lignes

d’eau et les sections longitudinales – afin de s’assurer, avant

construction, que les navires répondaient à leurs besoins.

Rapidement ces plans, allaient devenir un élément clé dans le

développement des calculs de stabilité et hydrodynamique.

La science comme arme stratégique

La construction de navires de guerre est un prolongement

de la politique d’une nation. Au cours des XVIIe et XVIIIe siècles,

la France et la Grande-Bretagne ont été en conflit perma-

nent sur les mers. La Grande-Bretagne était la puissance

maritime dominante. Toutes ses frontières étant maritimes,

sa sécurité reposait sur sa marine, dont la part dans le bud-

get était supérieure à celle de tout autre ministère. La

France, en revanche, devait défendre ses frontières ter-

restres et, logiquement, consacrait une part beaucoup plus

L’AUBE DES SCIENCES NAVALES

LARRIE D. FERREIRO, Directeur de la recherche, Defense Acquisition University, Fort Belvoir, Virginie, États-Unis

RESEARCH_1 07

AVANT-PROPOS

importante de son budget à l’armée de terre. Dans les

années 1730 et 1740, le budget de la marine britannique

représentait entre 2 et 4 fois celui de la marine française.

Le niveau de ressources a naturellement déterminé la taille

et le déploiement de chaque marine. Dans les années 1700,

la Grande-Bretagne était capable de « contrôler la mer » à

grande échelle c’est-à-dire de déployer des escadres per-

manentes à travers l’Atlantique. Avec une flotte moins

nombreuse, les Français préféraient éviter les principaux

engagements et appliquaient la tactique de « guerre de

course » qui demandait des navires rapides.

Aussi, la science a-t-elle joué un rôle majeur dans l’évolu-

tion des flottes, en particulier en France. Les ministres de

la Marine successifs, de Colbert à Sartine, ont estimé que la

science pouvait être un « amplificateur » de puissance,

c’est-à-dire, que son application permettrait à chaque

navire français de surpasser son adversaire britannique ;

ainsi serait compensé le déséquilibre numérique entre les

deux marines.

Avec une meilleure stabilité, une vitesse plus élevée et une

plus grande manœuvrabilité les navires pourraient « frap-

per plus vite ». Les constructeurs ont donc été requis de se

former aux principes de la théorie du navire.

Colbert et la science

Colbert, qui en 1669 cumulait les portefeuilles des

Finances et de la Marine, entreprit de reconstruire « La

Royale », qui ne comptait que 26 navires face aux

133 navires de la Royal Navy britannique. Mais son désir

d’utiliser les sciences comme outil de puissance a été

entravé par le refus des constructeurs d’adopter des prin-

cipes communs de conception et de construction.

Colbert et son fils Seignelay prirent une série de règle-

ments sur les dimensions des navires et de leur mode de

construction, dans un effort pour créer un contrôle central

sur le processus de conception du navire. Mais ces instruc-

tions restèrent sans suite et les constructeurs navals conti-

nuèrent de construire des navires « à leur gré ». L’objectif

de Colbert était de créer un ensemble de normes pour la

conception que tous les chantiers navals pourraient utili-

ser. Il voulait, ainsi, qu’un navire de 70 canons construit à

Brest soit identique à celui construit à Toulon, afin de

réduire les coûts des matériaux et des pièces de rechange.

Cela permettrait également à tous les navires dans une

ligne de bataille d’avoir des qualités de navigation iden-

tiques, et ne pas avoir à tenir compte des différences de

performances entre unités. Colbert décida que la théorie

scientifique serait la seule base pour créer un ensemble de

normes identiques applicables dans tous les chantiers.

Aussi, et face à de nouveaux refus des constructeurs, il

demanda en 1678 à deux mathématiciens qui n’avaient

jamais construit un navire de leurs vies de développer

« une théorie sur le sujet de la construction de navires ».

Premières « théories du navire », 1679-1697

Colbert trouva « une théorie sur le sujet de la construction

de navires » dans les travaux de Renau d’Elissagaray, un

jeune ingénieur qui réalisa les premières recherches jamais

entreprises sur la théorie du navire et qui proposa en 1679

que les ellipses soient à la base des formes de carène. En

1680, Colbert commissionna la construction d’un modèle

de « navire ellipsoïdal » sous la direction de l’Amiral

de Tourville. Ce navire devait être testé comparativement

avec un modèle d’un navire plus conventionnel, dans le

grand canal du château de Versailles au début de l’année

1681. Les essais effectués furent peu concluants.

Jusque dans les années 1690, pratiquement aucun travail

scientifique n’avait été effectué sur la théorie du navire.

Quelques principes de base sur l’équilibre hydrostatique et

sur la mécanique des fluides avaient bien été développés

par des mathématiciens et des scientifiques tels que Stevin

et Newton, mais la plupart de ces résultats furent contes-

tés par Huygens. Aussi, quand en 1697 un mathématicien

jésuite relativement peu connu, du nom de Paul Hoste,

08 RESEARCH_1

AVANT-PROPOS

publie sa Théorie de la construction des vaisseaux, il

aborde de façon originale les domaines de la résistance des

fluides, de la stabilité du navire, de ses mouvements et de

la résistance de la poutre-navire. Bien que presque tous les

principes de base utilisés par Hoste se soient aussi révélés

erronés, il s’agissait là d’une première tentative en vue

d’établir une synthèse mathématique du sujet et de prépa-

rer le terrain pour des recherches ultérieures.

Maurepas et la science dans « La Royale »

Maurepas est devenu Ministre de la Marine en 1723. Il fut

immédiatement confronté au manque de navires de com-

bat. « La Royale » n’avait alors que 33 vaisseaux de guerre

contre 155 dans le « Royal Navy ». Comme Colbert,

Maurepas a rapidement cherché à augmenter l’efficacité de

sa flotte avec un budget limité, en donnant à chaque navire

de meilleures performances. Et comme Colbert, Maurepas

se tourna vers la Science pour y arriver.

Maurepas était vice-président de l’Académie des Sciences,

et il fit de l’Académie une sorte de laboratoire pour sa

Marine. Il a soutenu la recherche scientifique dans l’archi-

tecture navale, la navigation et la botanique (le bois et le

chanvre étaient les matériaux de base pour les navires).

Maurepas fit rapidement appel à deux scientifiques, Pierre

Bouguer et Henri-Louis Duhamel du Monceau, qui

ensemble soutiendront sa vision d’une Marine construite

sur des fondations scientifiques.

Pierre Bouguer était professeur royal d’hydrographie. Très

vite, il commença à contribuer à des travaux de l’Académie

des Sciences sur des sujets maritimes et remporta plu-

sieurs prix. Bouguer devint conseiller scientifique de

Maurepas.

En même temps, Maurepas demandait à l’Académie des

Sciences de rechercher de nouvelles méthodes de préser-

vation du bois. Il fut impressionné par le travail de

Duhamel du Monceau, un jeune botaniste qu’il nomma en

1739 Inspecteur Général de la Marine, poste où il devait

diriger tous les aspects de la conception et la construction

des navires. Avec le soutien de Maurepas, Bouguer et

Duhamel du Monceau allaient « inventer » l’architecture

navale moderne.

Bouguer, Duhamel du Monceau et la première

synthèse de l’architecture navale, 1735-1765

C’est sur les hauteurs des Andes péruviennes, au cours de

la Mission Géodésique sur l’Équateur entre 1735 et 1744,

que Bouguer a écrit la première vraie synthèse de l’archi-

tecture navale, Traité du Navire, de sa construction, et

ses mouvemens. Il a repris, là où Hoste l’avait laissée près

d’un demi-siècle plus tôt, l’étude scientifique de la concep-

tion et de la construction des navires.

Le Traité du Navire décrit pour la première fois de nom-

breux concepts nouveaux, en établissant certaines bases

de la théorie du navire encore en vigueur aujourd’hui tels

que le concept de « moment fléchissant » pour déterminer

la résistance de la poutre-navire ou la notion de méta-

centre pour la stabilité. Le génie de Bouguer a été d’écrire

son livre, non pas pour les mathématiciens, mais pour les

constructeurs, en fournissant chaque fois que nécessaire

des exemples et des expériences pratiques.

La publication du Traité du Navire suit la création de

l’École des Ingénieurs-Constructeurs de la Marine, en

1741, destinée à donner aux constructeurs les bases scien-

tifiques et pratiques de la conception et de la construction

des navires et c’est Duhamel du Monceau, nommé par

Maurepas directeur de l’école, qui se charge de définir son

programme d’enseignement. L’école est aménagée dans

une salle du Louvre, à côté de la salle des séances de l’Aca-

démie des Sciences.

Duhamel du Monceau écrira un manuel pour l’école en

1752, Élémens de l’architecture navale, ou Traité

Pratique de la construction des Vaisseaux, comme un

mélange de pratique et de théorie du navire. Il travaille en

étroite collaboration avec Bouguer et fait souvent allusion

RESEARCH_1 09

AVANT-PROPOS

au Traité du Navire pour les concepts les plus difficiles.

La grande originalité des Élémens est de fournir des for-

mulaires utilisables avec des exemples numériques, et de

réduire l’analyse des différents problèmes à des protocoles

de calcul facilement applicables à la conception.

Ces calculs devinrent partie intégrante de l’ingénierie des

vaisseaux français dans l’ordonnance de 1765 qui créé le

Corps des Ingénieurs-Constructeurs de la Marine. Ainsi un

nouveau système de professionnalisation et de normalisa-

tion fut mis en place réalisant l’objectif initial de Colbert.

À partir des années 1760, Daniel et Jean Bernoulli,

d’Alembert, Clairaut, Euler, développèrent la théorie de la

résistance des fluides, mettant notamment en évidence les

concepts de lignes de courant et de pression, en remplace-

ment de la théorie – erronée – des chocs de Newton.

À la même époque, les expériences pratiques, de Borda,

Thévenard, Bossut, d’Alembert et Condorcet, dévelop-

pèrent la pratique des essais comparatifs sur maquettes.

Le rayonnement de l’architecture navale française

À la fin du XVIIIe siècle, Les marines européennes, y compris

la « Royal Navy », attribuaient la supériorité des navires de

guerre français à leur utilisation de la théorie hydro-

dynamique. Dès lors, les autres marines calquèrent leurs

règles de conception sur celles de la France. Les vaisseaux

de 74 canons des marines britannique et espagnole ont été

largement copiés du « gabarit » français. En fait, la majo-

rité des navires qui ont combattu à la bataille de Trafalgar

en 1805 étaient des « 74 canons », basés sur la conception

française. L’organisation de la construction navale française

a également été rapidement adoptée dans toute l’Europe.

En Espagne, Jorge Juan y Santacilia poursuivit les travaux

de Bouguer avec son propre traité Examen Maritimo et,

en 1765, le constructeur français Jean-François Gautier fut

appelé afin de standardiser les navires de l’Armada. Il créa

un Cuerpo de Ingenieros de Marina, sur le modèle du

Corps des Ingénieurs-Constructeurs.

L’Arsenal de Venise ouvre une Sculoa di Naval Architettura

copiée sur l’école française.

Le grand constructeur suédois Fredrik Chapman adopte

un grand nombre d’idées françaises pour ses propres

navires et crée un corps de constructeurs sur la base du

modèle français. Aux Pays-Bas les constructeurs tels que

Glavimans sont formés à l ’École des Ingénieurs-

Constructeurs de la Marine et plus tard forment leur

propre école.

Le Corps des Ingénieurs-Constructeurs de la Marine a été

rebaptisé Corps du Génie Maritime en 1799, titre qu’il por-

tera jusqu’en 1971. Au XIXe siècle, le « Royal Corps of Naval

Constructors » britannique et l’« US Navy Construction

Corps » seront tous deux créés sur le modèle français.

Ainsi s’est perpétuée pendant trois siècles l’influence des

sciences navales françaises.

Cet article est issu de la conférence donnée par le professeur Ferreiro lors du colloque « Trois siècles de Génie Maritime » – Paris, 2011.

Discrétisation d’une carène par éléments plans pour calculer la résistance à l’avancement. Duhamel du Monceau, Élémens de l’architecture navale, 1752.

_RÉFÉRENCELARRIE D. FERREIRO, Ships and Science : the birth of Naval Architecture in the scientific revolution 1600-1800, The MIT Press, 2007.

10 RESEARCH_1

ACTUALITÉS

Accord de coopération avec l’Institut Indien de Technologie de Mumbai (IIT Bombay)

DCNS a signé, par l’intermédiaire de DCNS Research, un protocole d’accord avec l’Indian Institute of Technology Mumbai, l’un des plus grands instituts universitaires d’Inde, spécia-lisé dans l’enseignement et la recherche technologiques. Ce protocole d’accord ouvre de nouvelles perspectives de coopération pour DCNS en Inde pour des programmes d’enseignement et de recherche dans les secteurs du naval de défense et de l’énergie. Compte tenu de leurs domaines d’expertise respectifs, DCNS et l’IIT Bombay misent sur le déploiement rapide de plusieurs projets, et notamment :

le parrainage de programmes de recherche et développement qui seront effectués en coopération entre des équipes d’IIT Bombay et de DCNS Research ;

le parrainage de projets pédagogiques et l’attribution de bourses de recherche à l’IIT Bombay ;

la formation de collaborateurs de DCNS grâce à des « Programmes de formation conti-nue » assurés par l’IIT Bombay.

ACOUSTIQUE 2012DCNS Research, partenaire d’Acoustics 2012

DCNS Research étend sa collaboration à l’international

Assurer une veille technique et présenter les avancées technologiques ou scientifiques de DCNS sont les principales motivations des experts de DCNS Research présents à la Cité Internationale des Congrès de Nantes du 23 au 27 avril lors de la convention internationale Acoustics 2012.Le congrès Acoustics 2012 est coorganisé par la Société Française d’Acoustique (SFA) et l’Institute of Acoustics (IOA) du Royaume-Uni. Il est également parrainé par l’Association

Européenne d’Acoustique (EAA). Cet événement est l’occasion d’aborder les dernières avancées dans l’ensemble des domaines de l’acoustique.DCNS Research a présenté les résultats de cinq travaux dont un exposé des travaux réalisés depuis plusieurs années en collaboration avec le Prof. Serguei Iakovlev – Université Dalhousie à Halifax. Dans la continuité de cette contribution active, DCNS Research participera à Acoustics 2013 qui se déroulera à New Delhi (Inde) du 10 au 15 novembre 2013.

TRAVAUX DE RECHERCHE 2012

Marie Pomarede « Investigation et application des méthodes d’ordre réduit pour les calculs d’écoulement dans les faisceaux tubulaires d’échangeurs de chaleur »Thèse de Doctorat à l’Université de La Rochelle, février 2012.

Samuel Tregouët« Lois de positionnement dynamique pour opérations arctiques »Travaux de Master à l’école des Mines de Nantes, le 31 juillet 2012.

Maud Bullier« Étude de revêtements acoustiques réflecteurs ou absorbeurs par la méthode des éléments finis en géométrie périodique 1D » Rapport de stage INSA Lyon, août 2012.

Céline Ducatel« Méthodes d’évaluation préliminaires des impacts acoustiques d’une centrale ETM sur les mammifères marins » Rapport de stage ENSTA Bretagne, août 2012.

Mathieu Le Pajolec« Développement et validation d’algorithmes de calcul pour simulations couplées fluide/structure » Travaux de Master à l’Université de La Rochelle, septembre 2012.

Laurent Valade« Réalisation et traitement d’essais sur un profil portant déformable en tunnel hydrodynamique » Travaux de Master à l’École Centrale de Nantes, septembre 2012.

Romain Fargere« Simulation du comportement dynamique des transmissions par engrenages sur paliers hydrodynamiques » Thèse de Doctorat à l’INSA Lyon, décembre 2012.

RESEARCH_1 11

ACTUALITÉS

Les premières applications des travaux de recherche en 2012 DCNS Research a embarqué sur le patrouilleur hauturier Gowind® L’Adroit, un drone naval de surveillance. Ce drone naval est constitué d’une embarcation semi-rigide équipée de radars, capteurs, caméras… à pilo-tage à distance. Il peut effectuer des missions de surveillance de champs d’éoliennes ou de contrôle des routes maritimes.

DCNS Research a également livré à la marine singapourienne des systèmes de positionnement dynamique de navire pour des chasseurs de mines. Ce système permet de suivre une trajectoire extrêmement précise ou de tenir un point fixe lors des opérations de détection et de destruction de mines. Un nouveau contrat pour des équipements du même type a été signé avec la marine de Corée du Sud.

FAITS MARQUANTS

MAST 2011Présentation des résultats des travaux menés sur la « prédiction des accalmies des mouvements de navires ».

FLOW-INDUCED VIBRATION 2012Participation au comité scientifique et présentation de deux communications scientifiques sur l’hydrodynamique et IFS et les faisceaux de tubes et les IFS.

FORUM DCNS RESEARCHRencontres industrie-université sur la recherche collaborative à Nantes en juin 2012.

NAVYCORR 2012DCNS est à l’initiative de la première journée Navycorr consacrée à la lutte contre la corrosion des navires. Elle s’est déroulée le 11 juillet 2012 au Palais des Congrès Neptune de Toulon.

OMAE 2012Présentation des avancées sur Model DP System for Ice Tank

Research à la conférence Ocean Offshore and Arctic Engineering à Rio de Janeiro en juin 2012.

FORUM INNOVATION DGA Présentation du projet Prédiction des périodes d’accalmies des mouvements navires lors du 1er Forum Innovation DGA en novembre 2012 au CNIT de la Défense

PROJET EUROPÉENDCNS Research s’implique dans les projets européens en pilotant le projet AQUO pour une durée de trois ans, lancé par la Commission Européenne dans le cadre de l’initiative « The Oceans of Tomorrow ».

Marie Pomarède a développé des méthodes d’ordre réduit pour les calculs d’écoulement dans les faisceaux tubulaires d’échangeurs de chaleur. Ces problématiques sont cru-ciales car les systèmes étudiés sont des élé-ments majeurs des centrales nucléaires civiles et des chaufferies embarquées dans

Remise de prix

les sous-marins. Pour la réalisation de ces travaux, une collaboration a été mise en place avec EDF R&D, les deux entreprises ayant un objectif commun de réduire les temps de calcul pour leurs études d’interac-tions fluide-structure à visée industrielle.

Marie Pomarede, Doctorante à DCNS Research a reçu le 3e prix MICADO de la Simulation Numérique à l’occasion de Virtual PLM’12 à Reims, le 13 novembre 2012.

12 RESEARCH_1

RESEARCH_1 13

PERFORMANCESNAUTIQUES ET DYNAMIQUE DES PLATEFORMES MARINES

Du calcul de traînée de carène aux essais de maquettes en bassin hydrodynamique, de la simu-lation de la tenue à la mer d’une structure, à l’opti-misation des propulseurs, de la conception des systèmes de stabilisation dynamique à l’analyse du lancement des armes sous-marines  : cet axe regroupe toutes les activités qui permettent de rendre les plateformes marines, propulsées ou non, plus efficaces et plus sûres dans les missions qu’elles ont à mener.

14 RESEARCH_1

PERFORMANCES NAUTIQUES

La simulation des Interactions Fluide-Structure

AUTEURS : Jean-François SIGRIST, Fabien GAUGAIN, Lucie ROULEAU, Cédric LEBLOND

Afin de concevoir des systèmes complexes dont les performances mécaniques doivent être évaluées par calcul numérique, DCNS travaille de longue date sur la modélisation et la simulation des interac-tions fluide-structure, lesquelles influencent grandement le comportement dynamique des struc-tures navales. La grande variété des problématiques étudiées en interaction fluide-structure impose de développer une gamme de méthodes numériques étendue.

L’Interaction Fluide-Structure : au cœur des thèmes scientifiques d’intérêt pour DCNSLa simulation des Interactions Fluide-Structure (IFS) constitue un enjeu scientifique d’importance pour DCNS, en raison de la grande variété des problématiques rencontrées lors du dévelop-pement de ses produits [1]. Que cela soit sur le cœur de métier historique (naval militaire) ou sur les domaines de croissance (énergies marines renouvelables ou nucléaire civil), les exemples abondent : tenue des plateformes navales aux explosions sous-marines, performances hydrodynamiques des systèmes propul-sifs, discrétion acoustique des navires, stabilité des systèmes de récupération d’énergie thermique des mers, rendement des sys-tèmes de production d’énergie, sûreté des composants nucléaires, etc. Chaque situation concrète posant un problème particulier, il est nécessaire de développer un ensemble de méthodes et outils numériques pour s’adapter à chaque cas d’étude ; les recherches menées à DCNS Research dans le domaine de l’IFS s’étendent ainsi des approches semi-analytiques aux méthodes de réduction de modèle, en passant par l’adaptation de méthodes aux éléments finis [2] et de méthode de couplage de codes.

Modélisation de l’interaction entre une onde de choc et une coque immergéeUn modèle analytique décrivant l’interaction entre une onde de choc, laquelle peut résulter d’une explosion sous-marine, et une coque immergée est développé afin de disposer d’une solution de référence pour ce problème modèle. Cette modélisation

trouve par exemple son application à la vérification du dimen-sionnement des coques et à la validation des hydro-codes (1). Les modèles ainsi développés peuvent également être exploités pour comprendre les phénomènes de rayonnement acoustique des coques immergées [3]. Prédiction du rayonnement acoustique de structures immergéesLa maîtrise des signatures acoustiques des navires militaires passe par la compréhension des mécanismes physiques mis en jeu dans les vibrations de structures mixtes métalliques/visco-élastiques couplées avec un fluide. Pour proposer un modèle prédictif de ce comportement, il est nécessaire de travailler de façon transverse : de la modélisation mathématique du com-portement des matériaux à l’implémentation d’une méthode numérique adaptée, en passant par l’identification des proprié-tés physiques pertinentes pour renseigner les modèles mathé-matique et numérique. Avec leur partenaire du CNAM Paris, les équipes « matériaux et structures » de DCNS Research ont ainsi développé une modélisation éléments finis multiphysique pour répondre à ce besoin.

Étude des performances hydrodynamiques des profils portants Un chargement hydrodynamique important peut induire des déformations plus ou moins significatives d’un profil portant

RESEARCH_1 15

PERFORMANCES NAUTIQUES

souple (en composite par exemple) et modifier ses perfor-mances ; afin de quantifier l’importance de ces interactions, DCNS Research développe une méthode de calcul par couplage entre un code de dynamique des fluides et des structures. Les simula-tions sont validées par comparaison avec des résultats d’essais réalisés au tunnel hydrodynamique de l’IRENav (laboratoire de recherche de l’École Navale). Analyse des écoulements dans les faisceaux tubulaires d’échangeurs de chaleurLes écoulements de fluide caloporteur au sein d’échangeurs de chaleur peuvent engendrer des vibrations incontrôlées des tubes dans le faisceau ; afin de comprendre les mécanismes d’IFS res-ponsables de ces instabilités potentielles, il est nécessaire d’ap-préhender la complexité de l’écoulement. En ciblant la modélisation sur les modes de l’écoulement les plus énergétiques, les méthodes de réduction de modèle – comme la Proper Orthogonal Decomposi tion – permettent de construire un cadre d’analyse potentiellement adapté à ce type de problèmes. Une évaluation de cette méthode pour l’IFS en grands déplacements d’un tube en faisceau a été conduite, en collaboration avec l’Uni-versité de la Rochelle et EDF R&D, avec qui DCNS partage un intérêt scientifique sur ce sujet.

(1) Un « hydro-code » est un outil de calcul numérique utilisé pour la simulation de l’interaction fluide-structure dans de structures immergées soumises aux effets d’explo sions sous marines distantes.

_RÉFÉRENCES[1] J.F. SIGRIST Overview of Coupled Fluid-Structure Numerical Methods Applied to Naval Propulsion Systems. Computational Methods for Coupled Problems in Science and Engineering, Ischia Island, 8-11 June 2009.[2] J.F. SIGRIST. Interactions fluide-structure. Analyse vibratoire par éléments finis. Ellipses, 2011.[3] S. IAKOVLEV, J.F. SIGRIST, C. LEBLOND, H. A.F.A. SANTOS, A. LEFIEUX, K. WILLISTON. Mathematical Modeling of the Acoustic Radiation by Submerged Elastic Structures. Acoustics 2012, Nantes, 23-27 April 2012.[4] L. ROULEAU, J.F. DEÜ, A. LEGAY, J.F. SIGRIST. Vibro-Acoustic Study of a Viscoelastic Sandwich Ring Immersed in Water. Journal of Sound and Vibration, 331, 522-539, 2012.[5] F. GAUGAIN, A. ASTOLFI, J.F. SIGRIST, F. DENISET. Numerical and Experimental Study of the Hydroelastic Behaviour of an Hydrofoil.

Flow Induced Vibration, Dublin, 2-6 July 2012.[6] M. POMAREDE, E. LIBERGE, A. HAMDOUNI, E. LONGATTE, J.F. SIGRIST. Numerical Study of Tube-Bundle Flow-Induced Vibrations with Multiphase-POD Approach. Flow Induced Vibration, Dublin, 2-6 July 2012.

Modélisation semi-analytique du comportement d’une coque assujettie à une onde de pression : calcul du champ de contraintes.

Simulation du couplage fluide-structure pour un profil déformable dans un écoulement subcavitant : influence des déformations sur les performances hydrodynamiques [5].

Rayonnement acoustique d’une structure mixte métallique/visco-élastique : développement d’un modèle numérique éléments finis prédictif [3].

Caractérisation des modes d’énergie prépondérante pour un écoulement au sein d’un faisceau tubulaire : analyse avec méthode de « Décomposition Orthogonale aux Valeurs Propres » (POD) [6].

16 RESEARCH_1

Comportement des navires et structures en mer

Le projet SOS-stabilitéLe projet SOS-stabilité est un projet collaboratif visant à mieux connaître et à améliorer la stabilité dynamique des petits navires de pêche. Ce projet illustre la complémentarité des compétences de DCNS Research (modélisation hydrodynamique, essais phy-siques et contrôle du navire). En effet, il inclut :

la conception et la réalisation de modèles libres fortement instrumentés et téléopérés, à différentes échelles (2 m et 8 m de long), avec des capacités de simulation de pêche, et d’envahissement ;

la caractérisation de la tenue à la mer d’un navire (chalutier), y compris sur mer forte, à partir d’essais : essai en mer sur un navire existant, essais sur modèle libre en bassin de houle, essais en mer sur plate-forme grande échelle instrumentée ;

la conception et le développement de modèles numériques se traduisant par un outil de simulation du comportement non-linéaire du navire sur houle ;

l’intégration de ce noyau de simulation dans un simulateur de démonstration (console avec commandes navire et visualisa-tion du navire et de la mer) ;

la conception d’algorithmes permettant de connaître l’état ins-tantané du navire vis-à-vis des problèmes de stabilité dynamique, à partir de capteurs disponibles à bord ;

la conception de loi de commandes visant à améliorer le pilotage automatique du navire dans les conditions de mer fortes et de stabilité dynamique délicates.

Les objectifs poursuivis, au travers de ces différents travaux, sont :une meilleure connaissance des phénomènes impliqués dans les

problèmes de stabilité dynamique ;

AUTEURS : Jean-Jacques MAISONNEUVE, Antoine PAGÈS, Camille YVIN

des moyens de simulation permettant de modéliser ces aspects, de les démontrer et d’en informer les équipages, de mettre au point des systèmes embarqués visant à les réduire, et à terme d’évaluer des critères réglementaires ;

des systèmes embarqués permettant de mesurer l’état du navire, d’anticiper des situations à risque, et au final de mieux contrôler le comportement du navire dans les conditions de mer fortes.

2012 est la quatrième année du projet, qui se termine mi 2013. Les travaux réalisés lors de cette année ont concerné principalement la validation du noyau de simulation de comportement du navire, le développement du simulateur de démonstration et le développe-ment de la plate-forme grande échelle. Cette dernière est munie d’un grand nombre de capteurs : mouve-ments du navire suivant les 6 degrés de liberté, commandes de propulsion et de barre, torseur des efforts sur la mèche de safran, efforts de traction sur les funes et orientation des funes, hauteur relative entre le navire et la surface de l’eau en différents points, vitesses (trois composantes) au voisinage du safran, vent, (houle mesurée par bouée houlographe), caméras externes, et internes (envahissement de cale). La maquette est contrôlée à distance, et possède une autonomie de 3 à 5 heures.2013 verra la réalisation des derniers essais avec la plate-forme grande échelle, et l’exploitation des résultats (essais, simulations, systèmes) avec l’ensemble des partenaires. Ce projet, labellisé par les Pôles de compétitivité Mer-Bretagne, Mer-PACA et EMC-2, a été financé par le ministère du Redressement Productif et les régions Bretagne, PACA et Pays de la Loire. Il a été réalisé en partenariat entre DCNS Research, Bureau Veritas, Ifremer, IMP, Mauric, Merré et Principia.

Une activité importante de DCNS Research est dédiée à la maîtrise du comportement à la mer des navires ou des structures. Cette activité couvre la maîtrise des phénomènes ainsi que leur modélisa-tion physique et numérique. Elle a pour objectifs la mise au point d’outils de prédiction utilisables pour la conception des navires et des structures, et de leurs systèmes de contrôle. Deux exemples de projet dans ce domaine sont décrits ci-dessous.

PERFORMANCES NAUTIQUES

RESEARCH_1 17

Couplage fluide-mécanique multicorpsLes travaux concernent la prédiction des mouvements de corps dans un fluide, en présence de liaisons pouvant être complexes, et éven-tuellement contrôlés par des actionneurs hydrodynamiques (ex. : structure multicorps pour EMR, remorquage de dispositifs sous-marins, navires contrôles par ailerons, navires amarrés, etc.). L’approche classique, consistant à résoudre le problème mécanique avec des chargements hydrodynamiques supposés indépendants du mouvement lui-même atteint rapidement ses limites, dès lors que les mouvements sont de grande amplitude, les liaisons non-linéaires, et les écoulements complexes. L’objectif des travaux est de développer une méthode couplant les résolutions mécanique et hydrodynamique de manière suffisam-ment souple et générique pour pouvoir traiter une grande variété de problèmes. L’approche retenue est le couplage du code CFD ISIS développé par le laboratoire de mécanique des fluides de l’École Centrale de Nantes, avec un code de résolution mécanique multi-corps Open Source, MBDYN. Ceci doit permettre de résoudre de manière globale le comportement d’un système à n degrés de liberté, éventuellement muni d’un système de commande, et évo-luant dans un fluide. Les travaux ont commencé fin 2011. Lors de cette première année, l’approche théorique appropriée a été recherchée et établie et la chaîne de calcul ISIS/MBDYN a été mise en place, avec un couplage physique fort. La procédure a ensuite été appliquée à des cas élémentaires de la littérature, puis à un cas plus complexe (bouée amarrée dans la houle) pour lequel des résultats expérimentaux sont disponibles.Les résultats obtenus sont très encourageants. Les travaux suivants vont consister à tester la méthode sur des cas plus complexes, représentatifs de différentes problématiques industrielles. Ceci devra passer par un travail sur le maillage du fluide lors des grands déplacements des corps, y compris pour des corps articulés. Ces travaux font l’objet d’une thèse CIFRE réalisée au laboratoire de mécaniques des fluides de l’École Centrale de Nantes.

PERFORMANCES NAUTIQUES

_RÉFÉRENCEAntoine PAGÈS, Jean-Jacques MAISONNEUVE, (Sirehna®), Clève WANDJI, Philippe CORRIGNAN, (Bureau Veritas), Benoît VINCENT (Ifremer), Small fishing vessels study and modelling for the improvement of the behaviour in extreme seas, STAB 2012, 11th International Conference on the Stability of Ships and Ocean Vehicles, 23-28 Sept 2012, Athens, Greece.

Couplage réponse sur houle d’un flotteur ancré, avec couplage fort.

Couplage réponse couplée des grands mouvements d’un corps maintenu par un ressort en torsion.

SOS-stabilité essais en bassin.

SOS-stabilité essais en mer – Simulateur.

18 RESEARCH_1

Le bassin numérique

Pour développer ce type d’approche, on a recours à des codes de résolution des équations de la mécanique des fluides (Navier-Stokes), dont les évolutions récentes permettent d’appréhender une gamme importante de problèmes. Le calcul de la résistance à l’avancement des navires est désormais très précis. Les perfor-mances en termes de propulsion, de manœuvrabilité, et de tenue à la mer sont également abordables avec ces outils, que ce soit pour les bâtiments de surface ou les sous-marins.Ceci est réalisé jusqu’à présent à l’aide du logiciel STAR-CCM+, mais l’objectif est de disposer à terme des outils les plus adaptés au problème à traiter, à l’instant donné. D’autres logiciels sont ainsi amenés à être utilisés ou suivis (FINE/MARINE, OpenFOAM…).

Bassin numérique « sous-marin »Les travaux réalisés en 2012 concernent essentiellement la mise au point, et la qualification des méthodes vis-à-vis de la manœu-vrabilité des sous-marins, en particulier dans un objectif de dimensionnement de l’appareil à gouverner. Ceci peut passer par le calcul des coefficients de manœuvrabilité à partir de configura-tions « modèle captif », de la même manière qu’avec des essais en bassin. Mais une méthode plus directe, ne nécessitant pas de procédure d’identification complexe et délicate, est également recherchée : la modélisation de la trajectoire du sous-marin, barres braquées, que ce soit en giration dans le plan horizontal, ou en changement d’immersion dans le plan vertical. Le problème de la stabilité du mouvement du sous-marin barres dans l’axe, après perturbation, est également traité de la même manière.

AUTEURS : Jean-Jacques MAISONNEUVE, Luc BORDIER, Fabian PÉCOT, Pol MULLER

La qualification en cours consiste à vérifier les résultats obtenus pour ces différentes configurations, par rapport aux résultats connus par d’autres moyens sur différents types de sous-marins.Ces travaux vont être poursuivis en 2013, et étendus à des configu-rations plus larges.

Bassin numérique « lancement de projectiles »Le domaine de la modélisation du lancement d’armes, et plus parti-culièrement de la prédiction de trajectoire après éjection, a démarré récemment au sein de DCNS Research. Il est complémen-taire de la modélisation de l’éjection proprement dite, qui est assu-rée par DCNS Ruelle. Dans le même esprit « bassin numérique », l’objectif est de mettre au point des méthodes numériques qualifiées, utilisables par DCNS pour la conception des systèmes de lancement d’armes et des porteurs.

Le domaine est actuellement développé suivant deux axes complémentaires :

une modélisation simplifiée, basée sur l’exploitation de modèles de manœuvrabilité de l’arme, mais prenant en compte le champ d’écoulement autour du porteur. L’objectif est de disposer d’un outil pouvant être facilement utilisé au stade de l’avant-projet pour balayer de nombreuses solutions, ou évaluer de nombreuses confi-gurations de lancement ;

Le développement d’un projet de navire, bâtiment de surface ou sous-marin, et des engins sous-marins en général, nécessite l’évaluation des performances hydrodynamiques de ces engins à diffé-rents stades de conception, de manière itérative. Jusqu’à présent, une grande partie de ces performances ne peut être évaluée qu’au moyen d’essais sur modèle, en bassin, induisant ainsi des coûts et des délais importants. L’objectif est ici de développer et qualifier les approches numériques susceptibles de calculer ces performances, de manière à réduire au maximum le recours aux essais physiques, et par conséquent les coûts et délais de conception. DCNS Research a pour mission de développer ce type d’approche. Ceci s’appuie à la fois sur des projets de R&D interne, et sur des pro-jets externes, et en particulier l’action « Bassin numérique » de l’IRT Jules Verne.

PERFORMANCES NAUTIQUES

RESEARCH_1 19

la modélisation plus complète du lancement et de la trajectoire, basée sur une approche CFD, et prenant en compte l’écoulement autour du mobile, autour du porteur, et les interactions entre les deux.Les travaux réalisés en 2012 ont concerné ces deux domaines.Un outil de simulation rapide a été développé (modèle mathéma-tique paramétrique), permettant de prendre en compte des confi-gurations variées de lancement, de mobiles, de manœuvres du porteur, incluant le champ de vitesse autour du porteur (importé d’un résultat CFD). L’ensemble des vérifications possibles a été réalisé. Une validation plus aboutie, par rapport à des essais, reste à effectuer.En parallèle, les différentes méthodes de modélisation CFD de l’éjection ont été explorées. Une méthode particulièrement promet-teuse a été sélectionnée et développée (méthode « chimère », ou maillages superposés) et testée sur différentes configurations. Les résultats obtenus ont été vérifiés autant que possible, mais restent également à valider plus précisément. Propulseurs marinsDans le domaine des « propulseurs marins », un certain nombre d’outils de calcul des performances d’hélices ont été intégrés (méthodes de ligne portantes, OpenProp, de singularités, PROCAL, et de résolution Navier-Stokes, STAR-CCM+). Ceci fait partie inté-grante de l’action « Bassin Numérique ».L’approche CFD a été validée du point de vue de sa capacité à pré-dire les performances d’hélices en eau libre, sur des cas de réfé-rence DCNS (sous-marin et bâtiment de surface). PerspectivesL’activité bassin numérique en est a ses débuts, et va constituer une activité structurante sur les prochaines années, avec l’extension du domaine d’application pour chaque type de performance (propul-sion, tenue à la mer, etc.), la prise en compte d’engins variés (sous-marins, bâtiments de surface, projectiles divers, drones, EMR, etc.), et la modélisation de phénomènes plus complexes (interactions entre corps, phénomènes diphasiques, cavitation, interaction avec l’acoustique, etc.).

PERFORMANCES NAUTIQUES

Modélisation CFD d’une hélice de sous-marin.

Prédiction de trajectoire d’une arme – Approche CFD, maillage chimère.

Sillage sous-marin en giration – trajectoire.

Prédiction de trajectoire d’une arme.

20 RESEARCH_1

RESEARCH_1 21

TENUE DES STRUCTURES EN SERVICE

Au cours de leur vie, les structures, qu’elles soient métalliques ou non, subissent des agressions natu-relles ou accidentelles : la corrosion, l’impact des paquets de mer, le feu, le choc. Jour après jour, elles font aussi face à des phénomènes de fatigue et de vieillissement. Ces agressions et autres phéno-mènes liés au temps nécessitent des calculs et des essais permettant d’évaluer la durabilité des struc-tures ainsi que d’identifier et tester des solutions technologiques permettant de l’augmenter.

22 RESEARCH_1

Comparaison calcul/expérience

de l’éclatement d’un réservoir HP

présentant un défaut

La DGA ayant pu disposer d’une bouteille d’air comprimé en acier forgé, d’une capacité de 200 l, rebutée suite à la détection de zones corrodées lors d’un contrôle endoscopique, a confié ce réservoir à DCNS Research afin de :

une épreuve hydraulique jusqu’à éclatement ;

de ces données, d’évaluer par le calcul la pression d’éclatement.

Données relatives à la bouteilleLa bouteille, en acier forgé, réalisée au début des années 80, a été rebutée suite à la mise en évidence lors d’un contrôle endoscopique de zones corrodées (figure 1). Les dimensions de la bouteille sont indiquées figure 2. Afin de permettre l’éclatement de la bouteille, dans une zone déterminée, lors

53 mm et de profondeur 13 mm, débouchant en surface externe a été usiné suivant une génératrice. La largeur de l’entaille est de 0,1 mm. Estimation de la pression d’éclatement Dans le cadre du Groupe Rupture du Comité Consultatif de Recherche en Soudage (CCRS), structure miroir de la Commission X

AUTEURS : Thierry MILLOT, Marc BOUSSEAU

de l’International Institute of Welding (IIW), un test comparatif a été organisé entre les participants disposant d’un logiciel d’évaluation de l’aptitude à l’emploi d’une structure présentant un défaut. Les logiciels utilisés s’appuient sur le concept de Failure Assessment Diagram et nécessitent de disposer des caractéristiques de traction et de la ténacité du matériau. Dans un premier temps les caractéristiques ont été évaluées à partir de résultats d’essais réalisés dans le passé.

Commission X a porté sur l’évaluation de l’aptitude à l’emploi (Fitness for Service) de structures, soudées ou non, présentant un défaut.K. Wallin a présenté dans le Thematic Network FITNET une méthode permettant d’évaluer la ténacité d’un acier de

partir de la connaissance de la température TK28J au point particulier de la courbe de transition ductile – fragile obtenue par des essais de flexion par choc. Cette température sert à la détermination de la température dite de référence T0 pour laquelle la ténacité est égale à 100 MPa√m. Cette démarche est intéressante car, dans la pratique, on dispose au mieux, accompagnant la fourniture d’un produit, d’un certificat de conformité dans lequel figurent uniquement les caractéris

De nombreuses bouteilles d’air HP sont utilisées à bord des sous-marins afin de stocker l’air nécessaire pour chasser l’eau des ballasts et permettre la remontée du submersible. En service, ces bouteilles sont soumises à une pression élevée, dans le cas étudié ici, à 250 bars.

TENUE DES STRUCTURES EN SERVICE

RESEARCH_1 23

tiques de traction à la température ambiante et l’énergie de flexion à une température donnée.La méthode a été appliquée pour déterminer les courbes de

dans les années 80 pour la fabrication de bouteilles d’air HP. À partir des résultats expérimentaux obtenus à deux températures (100 °C et – 60 °C) et aux limites d’élasticité il a été possible de tracer les courbes et de déterminer les températures TK28J. Pour l’évaluation de la ténacité du matériau au niveau ductile à partir de KVmax plusieurs formules sont données dans la littérature. Compte tenu des dispersions observées il est apparu que la ténacité pouvait être estimée entre 130 MPa√m et 280 MPa√m. À partir des caractéristiques estimées (tableau 1), les participants au test comparatif ont évalué des pressions d’éclatement qui sont assez proches d’un logiciel à l’autre (figure 3).

Tableau 1 : données d’entrée

Rp0,2 MPa

Rm MPa 800

E MPa 200 000

Kmat MPa√m 130 280

Essais d’éclatement et travaux complémentairesL’épreuve hydraulique a été réalisée à l’École des Mines de Douai qui dispose de moyens d’essais. La pression d’éclate

rupture est partie du défaut usiné et s’est propagée de façon

Des éprouvettes de traction, de flexion par choc et de ténacité

Les essais de flexion par choc réalisés à trois températures – 60 °C, 20 °C et 100 °C ont permis de tracer les courbes de transition et de déterminer les températures TK28J à partir

Les valeurs de KImat ont été estimées à partir de l’énergie de flexion par choc déterminée au palier ductile au moyen de quatre formules. La formule de Rolfe et Novak conduit à une

formules conduisent à des valeurs sensiblement inférieures à celles déterminées expérimentalement.À partir des caractéristiques du matériau, les pressions d’éclatement ont été calculées par les participants. Elles sont comprises

ConclusionLes logiciels, basés sur le concept de Failure Assessment Diagram, conduisent à des valeurs conservatives.On notera que la pression d’éclatement obtenue expérimentalement est sensiblement supérieure à la pression de service (250 bars) et ce malgré un défaut débouchant dont la profondeur dépasse la moitié de l’épaisseur de la paroi et la présence de zones corrodées.

Figure 1. Zone corrodée mise en évidence par endoscopie.

Figure 3. Pressions d’éclatement évaluées à partir de différents logiciels pour deux niveaux de ténacité.

Figure 2. Dimensions de la bouteille d’air comprimé.

TENUE DES STRUCTURES EN SERVICE

24 RESEARCH_1

Application de l’ingénierie incendie à l’évaluation du niveau de sécurité

des structures composites navales

Les composites présentent divers avantages pour la réalisation de structures navales. On peut citer en particulier :

une faible masse volumique, ce qui peut permettre d’abaisser le centre de gravité du navire et ainsi augmenter sa stabilité, mais contribue également à la réduction des coûts en carburant ;

un bon comportement au vieillissement en milieu marin, ce qui a pour conséquence une diminution des coûts d’entretien ;

la possibilité de réaliser des formes complexes ou parfaitement planes ;

l’intégration possible de capteurs ou de fonctions pour des applications spécifiques, etc.

Cependant, ces matériaux sont susceptibles de s’enflammer en cas d’incendie. La réglementation prescriptive dans le domaine naval ne permettant pas l’utilisation de matériaux combustibles dans les cloisonnements, une alternative possible est de passer par l’ingénierie de sécurité incendie (ISI), comme le permet la

AUTEUR : Joëlle GUTIERREZ

réglementation en vigueur depuis 2002, pour justifier qu’un niveau de sécurité suffisant peut être atteint malgré l’emploi de composites.

Dans ce contexte, le projet MP08 a eu pour principal objectif la mise en place d’une méthodologie ISI qui permette de démon-trer qu’un niveau de sécurité suffisant peut être atteint avec des composites, et qui rende ainsi possible l’utilisation de ces maté-riaux dans des domaines nouveaux ou difficilement accessibles du fait des réglementations prescriptives en vigueur. Ce princi-pal axe de travail a été complété par des travaux sur le renforce-ment des performances vis-à-vis du feu des structures composites, que ce soit par l’amélioration des matériaux eux-mêmes ou par l’utilisation de systèmes de protection active adaptés (détection, extinction).La méthode retenue pour la démonstration de sécurité s’appuie sur la Règle 17 « Alternative design and arrangements » du

L’utilisation de composites à matrice polymère dans les structures de navires reste limitée du fait de l’obligation réglementaire d’utiliser des matériaux incombustibles pour ces applications. Une solution pour s’affranchir des règles prescriptives en matière de comportement au feu est d’effectuer une démonstration de sécurité en passant par l’ingénierie de sécurité incendie (ISI). C’est dans ce contexte qu’une méthodologie ISI en accord avec les exigences dans les domaines naval civil (Organisation Maritime Internationale) et militaire (BV Rules for the Classification of Naval Ships) a été développée.

TENUE DES STRUCTURES EN SERVICE

RESEARCH_1 25

Chapitre II-2 « Construction – Fire Protection, Fire Detection and Fire Extinction » de la Convention SOLAS (1). Elle est basée sur l’évaluation de l’accroissement du niveau de risque entre la conception alternative en composites et une conception prescrip-tive de référence en acier. On peut ajouter que le principe de base pour son développement a été de pouvoir minimiser le coût et la masse des systèmes de protection. De la sorte, on s’est attaché à définir une approche qui permette :

d’une part, d’adapter le niveau de protection au niveau de risque réel dans chaque local ;

d’autre part, de combiner les systèmes de protection passive (de type ajout d’isolant incendie) aux systèmes de protection active. Ceci par comparaison à des méthodes utilisant pour la protection incendie des systèmes passifs définis non pas sur la base d’un risque réel mais sur un risque générique et majoré pour rester conservatif, en effectuant des équivalences en terme d’exigence par rapport à une conception prescriptive en acier. Ce dernier type d’approche, même s’il a le mérite d’une plus grande simpli-cité, a pour inconvénient de pénaliser les constructions compo-sites par rapport aux constructions acier en définissant des exigences conservatives qui ne sont pas forcément nécessaires, mais qui ne vont pas pour autant permettre de faire une démons-tration de sécurité rigoureuse. Par ailleurs, cela conduit concrète-ment à utiliser des quantités importantes d’isolation incendie, et donc à augmenter la masse et le coût.

(1) SOLAS : réglementation internationale (Organisation Maintien Internationale) pour la sécurité des personnes en mer.

Superstructures d’une corvette incluant le hangar hélicoptère et les locaux adjacents : simulation d’un incendie commençant à se développer à partir d’un atelier adjacent au hangar. Le logiciel de CFD (Computational Fluid Dynamics) utilisé pour les simulations incendie est FDS (Fire Dynamics Simulator, version 5).

TENUE DES STRUCTURES EN SERVICE

26 RESEARCH_1

Présentation des principales étapes de la méthodologie d’ingénierie de sécurité incendie définie dans le projet MP08.

Par contre, adapter le niveau de protection au niveau de risque réel dans chaque local implique d’évaluer le risque et la perfor-mance au feu de la construction composite local par local, en la comparant à une construction acier équivalente. C’est une origi-nalité importante de la méthode développée dans le projet MP08, qui implique d’effectuer l’évaluation principalement par simula-tion vu le nombre de locaux à traiter. À noter qu’un intérêt de l’approche comparative composite/acier utilisée est de permettre d’éliminer un certain nombre de biais dans les calculs. Une part importante du travail réalisé a donc été de développer un modèle de pyrolyse permettant de prendre en compte la dégradation du composite lors d’un incendie. Ce modèle a été validé à différentes échelles.

Utiliser des systèmes actifs comme alternative aux systèmes pas-sifs n’est pas permis par la réglementation. Afin de pouvoir envi-sager cette possibilité, et après avoir vérifié l’efficacité des systèmes actifs pour lutter contre des feux dans des locaux com-posites, une approche basée sur la détermination du risque inhé-rent à leur utilisation a été développée, le risque étant défini comme le produit de la probabilité de défaillance du système actif par un index de sévérité pour les personnes. L’index de sévérité est obtenu en évaluant les conséquences du feu par couplage du logiciel de développement de l’incendie (FDS) avec un logiciel d’évacuation du navire (Exodus). Le risque ainsi calculé ne doit pas être supérieur en composite par rapport à une construction acier. Dans ce but, on peut diminuer la probabilité de défaillance des systèmes actifs (par exemple en les redondant ou en le modifiant).

En conclusion, les travaux menés ont démontré qu’il était pos-sible d’atteindre un niveau de sécurité incendie satisfaisant dans des constructions composites, tout en optimisant les protections utilisées.

_RÉFÉRENCES [1] J. GUTIERREZ, A. BREUILLARD, D. MARQUIS, C. CHIVAS-JOLY, Fire Safety Engineering Applied to the Evaluation of the Safety Level of

marine composite structures, Fire and Materials 2013, San Francisco[2] J. GUTIERREZ, A. BREUILLARD, B. LOUIS-TISSERAND, F. JANVIER, Utilisation des matériaux composites dans les navires : justification

des choix matériaux par l’ingénierie de sécurité incendie, ATMA 2011, Paris[3] A. BREUILLARD, P. CORRIGNAN, Alternative Design Methodology for the Fire Safety of Composite Super-structures,

SNAME 2009, Rhode Island[4] D. MARQUIS, Caractérisation et modélisation multi-échelle du comportement au feu d’un composite pour son utilisation

en construction navale, Doctorate thesis de l’École des Mines de Nantes, 25 March 2010

_CRÉDITSCette étude a été réalisée dans le cadre du projet MP08, projet collaboratif français, subventionné par l’État (DGCIS, DGA) et la Région Pays de la Loire. Il a été piloté par DCNS Research. Les partenaires étaient les suivants : DCNS, STX, Bénéteau, Bureau Veritas, LNE, École des Mines de Nantes, ISMANS, SAITEC.

TENUE DES STRUCTURES EN SERVICE

RESEARCH_1 27

Énergie Thermique des Mers : la centrale pilote de démonstration 16 MW en mer (vue d’artiste).

Application de l’ozonation pour la maîtrise du

biofouling dans les circuits eau de mer

Le développement de biofouling sur les surfaces des structures immergées (carène de navires, installations pétrolières et por-tuaires) ou soumises à circulation d’eau de mer naturelle (circuits eau de mer, échangeurs de chaleur) peut conduire à de nom-breux phénomènes aux conséquences variables en fonction des installations : augmentation de la traînée des navires, pertes d’effi cacité d’échange thermique ou encore phénomènes de corrosion.

L’Énergie Thermique des Mers (ETM ou OTEC en anglais pour Ocean Thermal Energy Conversion) utilise la différence de tem-pérature entre l’eau chaude de surface et l’eau froide venant des profondeurs (~ 5 °C pompée à env. 1 000 m) pour faire fonction-ner une machine thermique. L’application est limitée à la ceinture intertropicale pour avoir une eau chaude d’au moins 25 °C afin d’obtenir un rendement « acceptable ». Dans ces conditions, la maîtrise de la corrosion et celle du développement du biofouling sont des objectifs majeurs, qui doivent être aussi atteints dans un complet respect de l’environnement.

Il existe aujourd’hui de nombreuses techniques de traitement de l’eau de mer pour lutter contre les phénomènes d’encrassement et de développement des salissures : systèmes biocides, traite-

AUTEURS : Anne-Marie GROLLEAU, Alexia BONNIFET, David ROUXEL

L’ozone est un biocide puissant utilisé depuis des décennies pour le traitement de l’eau douce et des eaux usées. L’ozonation de l’eau de mer est à l’étude depuis juin 2012 à DCNS Research. Les études menées devront à terme permettre une meilleure compréhension de la chimie des traitements, des processus de dégradation, des effets de l’ozone sur la tenue à la corrosion des matériaux et de son action biocide sur les films bactériens.

TENUE DES STRUCTURES EN SERVICE

28 RESEARCH_1

TENUE DES STRUCTURES EN SERVICE

ments ultraviolets ou encore ultrasons. Cependant, de nombreux travaux restent à mener, en particulier pour comprendre les mécanismes de développement du biofilm au cours du temps et ses impacts sur les échanges thermiques.

L’électrochloration est un des biocides oxydants les plus large-ment utilisés aujourd’hui et consiste en la génération d’hypochlo-rite de sodium à partir des chlorures de l’eau de mer, par réaction électrochimique. Des études ont déjà été menées à DCNS [1, 2,3] pour identifier les dosages efficaces mais non dommageables à la tenue en eau de mer de certains matériaux, tels que cupro- nickels, aciers inoxydables ou alliages base nickel.

L’ozone est aussi un biocide particulièrement puissant, mis en œuvre depuis de nombreuses années pour la désinfection de l’eau douce et le traitement des eaux usées. Si son utilisation remonte à la fin du XIXe siècle pour les circuits d’eau potable, les applica-tions en eau de mer naturelle sont restées beaucoup plus limi-tées, en particulier parce que la chimie y est différente et beaucoup plus complexe qu’en eau douce. La différence essen-tielle est la présence du brome en eau de mer, qui conduit à la formation de produits secondaires oxydants et biocides. Par ail-leurs, des études ont été menées sur l’efficacité de l’ozone sur le macrofouling mais n’ont pas permis d’en évaluer l’efficacité sur le maintien de la qualité des échanges thermiques [4,5].

L’étude pilotée par DCNS Research, et réalisée au CETEC (1), devra permettre d’identifier le système biocide le plus efficace, en fonction de la qualité de l’eau de mer, ses mécanismes d’action et de dégradation au cours du temps. Les paramètres de fonctionne-ment de l’installation devront aussi être déterminés de manière à éviter la formation du film bactérien sans engendrer de phéno-mènes de corrosion, à un coût d’énergie optimisé et sans impact sur l’environnement.

(1) Cette étude est menée dans le cadre du projet Énergie Thermique des Mers.

_RÉFÉRENCES [1] V. DEBOUT et al: Corrosion Properties of an highly alloyed stainless steel and a based nickel alloy in chlorinated sea water; Eurocorr 2009, Nice – Paper 7799.[2] A.M. GROLLEAU et al: Electrochemical characterization of low carbon steels during long term immersion in natural sea water; Nace 2010, San Antonio, USA – Paper N°10395.[3] V. DEBOUT et al: Corrosion properties of copper nickel alloys in chlorinated sea water; Eurocorr 2011, Stockholm.[4] Y. FAUVEL, G. PONS, J.P. LEGERON (1982). Ozonation de l’eau de mer et épuration des coquillages. Science et Pêche, 320, 1-16. [5] K. URATA; Y. IKEGAMI: Effect of ozonation for OTEC on macrofouling organisms; Renewable Energy Proceedings 2006.

Système d’ozonation de l’eau de mer – DCNS Cherbourg.

RESEARCH_1 29

TENUE DES STRUCTURES EN SERVICE

OPTIMISATION ÉNERGÉTIQUE

En ces temps où l’énergie fossile devient de plus en plus rare et coûteuse, il est vital d’envisager toutes les solutions pour diminuer la consommation d’énergie. Cela passe par une optimisation des formes de carènes, des systèmes de conduite éco-nomique, des structures allégées, ou encore la récu-pération de l’énergie de stabilisation d’un navire. Les énergies nouvelles, dont les énergies marines renouvelables, en quête de meilleurs rendements, sont elles aussi à la pointe des recherches de solu-tions permettant de mieux récupérer l’énergie, la stocker et la transférer.

30 RESEARCH_1

Optimisation de formes en hydrodynamique

Ces travaux s’appuient entre autres sur des outils logiciels. En particulier, l’environnement d’optimisation de conception mode-FRONTIER est utilisé de manière courante pour réaliser des études. Par ailleurs, DCNS Research s’est doté en 2012 du logiciel Friendship-Framework, dédié à la modélisation géométrique paramétrique, et particulièrement adapté à la modélisation de navires, et d’hélices. L’efficacité et la robustesse de cette phase de modélisation sont en effet des points cruciaux dans un processus d’optimisation de formes.Ces capacités sont illustrées par les applications récentes ci-après.

Optimisation de formes de navire – projet COCHISECe projet, soutenu par la DPMA (Direction des pêches maritimes et de l’aquaculture) mené par le Bureau Mauric, avec des acteurs du domaine de la pêche, visait à concevoir un navire de pêche opti-misé du point de vue énergétique. Les travaux ont consisté à rechercher une solution optimale du point de vue de la résistance à l’avancement du navire et de sa tenue à la mer, en agissant sur les formes globales du navire, et ses formes locales avant et arrière, à longueur hors tout constante. Cette recherche est contrainte par des limitations liées au programme et à la conception du navire, prises en compte de manière directe ou indirecte dans la modélisa-tion, en lien étroit avec l’architecte.Les étapes classiques suivantes ont été réalisées : mise en place d’un modèle paramétrique de la géométrie du navire et de ses variations (de l’ordre de 10 paramètres principaux), mise en place de la chaîne de calcul de résistance et de tenue à la mer,

AUTEURS : Jean-Jacques MAISONNEUVE, Luc BORDIER, Pol MULLER, Fabian PÉCOT, Florent SAINCLAIR

intégration dans un environnement d’optimisation, et enfin défini-tion et réalisation de la stratégie de recherche. Il faut en effet noter qu’une telle optimisation n’est pas un processus automa-tique, mais une combinaison de méthodes et d’analyses, basées sur des techniques variées (plans d’expérience, méta-modèles, algorithmes d’optimisation), pilotés par le concepteur, et permet-tant au final d’explorer le maximum de solutions avec le minimum de calculs. Cette approche a permis un gain de traînée de l’ordre de 30 % à longueur hors tout constante, avec une conservation des performances de tenue à la mer. Ceci a été réalisé avec les logiciels STAR-CCM+, Catia v5 et modeFRONTIER, et des moyens de distribution de calcul. Les résultats ont été vérifiés par des essais en bassin.

Optimisation résistance et accélérations.

DCNS Research a une activité dans le domaine de l’optimisation de conception que ce soit pour le déve-loppement des méthodologies dans différents domaines (optimisation paramétrique incluant des calculs coûteux, optimisation d’agencement…) via de nombreux projets collaboratifs ou pour leur application à des problématiques particulières. DCNS Research dispose désormais de l’expérience et des outils permettant de réaliser des études d’optimisation de formes dans le domaine de l’hydrody-namique, en liaison avec l’activité Bassin Numérique qui fournira de plus en plus les outils d’évalua-tion de performance à intégrer dans le processus d’optimisation de conception.

OPTIMISATION ÉNERGÉTIQUE

RESEARCH_1 31

Hélices marinesEn complément de la mise en place des outils de conception et de modélisation des hélices (voir article « Bassin numérique »), une approche optimisation de conception est en cours de mise au point. Celle-ci est basée sur des méthodes et outils similaires à ceux décrits précédemment : modélisation géométrique paramétrique de l’hélice à l’aide de Friendship-Framework, calcul des performances avec une approche potentielle (PROCAL) et/ou visqueuse (STAR-CCM+), intégration de l’ensemble dans un environnement d’optimi-sation de conception (modeFRONTIER).

Optimisation du rendement et de la cavitation d’une hélice.

Une application de la méthode sur un cas d’application réel a conduit à une augmentation du rendement d’environ 5 % tout en réduisant le risque de cavitation de 40 %. Ceci permet de traiter d’ores et déjà la conception et la modélisation de propulseurs conventionnels, et d’aborder le domaine connexe des machines tournantes (voir cas de l’hydrolienne ci-après).

Optimisation d’hydroliennesLes technologies développées précédemment ont été appliquées en particulier à l’optimisation d’une hydrolienne de type axiale caré-née. Après une phase de qualification de l’outil de prédiction de performances basé sur STAR-CCM+, un modèle paramétrique de l’hydrolienne – tuyère, moyeu et pales, environ 20 paramètres – a été construit. L’ensemble a été intégré dans l’environnement d’opti-

misation de conception, et une stratégie de recherche d’optimum a été définie et appliquée.Plusieurs centaines de variantes ont été testées numériquement, ce qui a abouti à un gain significatif de rendement, dans la limite des contraintes structurelles ou opérationnelles imposées.Le modèle paramétrique et la chaîne de calcul développés à cette occasion peuvent désormais être exploités pour adapter au mieux le concept à des nouvelles conditions ou à un nouveau site.

Optimisation d’une hydrolienne.

Vérification expérimentale. Quelques variantes de géométries d’hélice.

OPTIMISATION ÉNERGÉTIQUE

_RÉFÉRENCE Fabian PÉCOT, Camille YVIN, Riccardo BUIATTI, Jean-Jacques MAISONNEUVE, Shape Optimization of a Monohull Fishing Vessel, IMDC2012, 11th International Marine Design Conference, 11-14 June 2012, Glasgow, UK.

32 RESEARCH_1

Démonstrateur générique d’actionneur électrique

Le démonstrateur générique a pour principal objectif le développe-ment, la démonstration de faisabilité et de performance des nou-velles architectures électriques hybrides. Les architectures permettent en particulier la récupération et l’optimisation de l’énergie au niveau des différents auxiliaires du navire, en intégrant un système de filtre des appels de forte puissance et un système de stockage d’énergie. Le système de filtre, qui s’appuie sur un sys-tème de batteries et/ou supercondensateurs, permet l’intégration d’actionneurs électriques sur le réseau de bord du navire. Le sys-tème de stockage, qui utilise également ces mêmes batteries, vise à fournir l’énergie nécessaire au fonctionnement d’équipements ins-tallés sur le navire.

Le démonstrateur est structuré en quatre parties principales : deux moteurs asynchrones de 75 kW qui simulent la puissance

transmise par la charge (état de mer par exemple) ;deux moteurs synchrones de 40 kW qui simulent le fonctionne-

ment des actionneurs électriques en test sur le démonstrateur ;une chaîne de transmission mécanique et logicielle qui modélise

la réaction entre la charge et l’actionneur électrique (comporte-ment dynamique réel du navire : Inertie, Amortissement) ;

un système de management de l’énergie permettant le filtre des fortes puissances et le stockage de l’énergie.

Le démonstrateur générique est un simulateur représentatif d’un système réel d’un point de vue matériel (Hardware In the Loop), dynamique (Model In the Loop) et fonctionnel (Simulations In the Loop). Le comportement dynamique du système est intégré

AUTEURS : David-François SAINT-CYR, Julien BÉNABÈS

au niveau du démonstrateur par d’une part un modèle logiciel du capteur d’énergie (Navire, WEC, véhicule) prenant en compte l’hydrodynamique, l’inertie, la friction, l’amortissement et le bilan des efforts au niveau du capteur et d’autre part un modèle maté-riel permettant l’adaptation de volants d’inertie sur la chaîne de transmission mécanique. Le démonstrateur dispose également d’une chaîne de mesure globale permettant le suivi du rendement énergétique du système et de chaque équipement.

Ce démonstrateur s’adapte aux conditions opérationnelles de l’équipement simulé car il est reconfigurable facilement d’un point de vue mécanique, électrique et logiciel. Le démonstrateur permet donc la simulation de modèles de composants seuls mais également de systèmes entiers quel que soit l’environnement de développement (DYMOLA, AMESYM, Matlab, etc.) car il permet la cosimulation dans un même environnement, le test des équipe-ments mécaniques et électriques et l’optimisation des lois de commande du système en temps réel ou accéléré.

En résumé, l’intérêt de ce démonstrateur est multiple :évaluation d’actionneurs innovants avec stockage d’énergie

remplaçant des systèmes hydrauliques ;évaluation de la consommation électrique et de la récupération

d’énergie dans des conditions de fonctionnement proche du réel :évaluation des perturbations engendrées sur un réseau élec-

trique AC ou DC ;évaluation de l’impact environnemental à travers la consomma-

tion électrique ;

Le démonstrateur générique, conçu dans le cadre du projet POSE²IDON par DCNS Research, a vocation à tester des nouvelles architectures électriques hybrides comprenant un système de stockage d’énergie servant à fournir l’énergie aux équipements et à filtrer les appels de puissance pour leur intégration sur un réseau bord. Différentes stratégies d’optimisation d’énergie sont également pilotables par la station de contrôle du démonstrateur qui intègre le modèle d’un équipement avec son environnement et ses conditions opérationnelles de fonctionnement réelles. Ce démonstrateur permet également de simuler les solutions de récupération d’énergie de la mer agissant sur ces actionneurs électriques.

OPTIMISATION ÉNERGÉTIQUE

RESEARCH_1 33

_CRÉDITSLes développements ont été réalisés dans le cadre du projet européen POSE²IDON (7e programme-cadre de Recherche de l’Union Européenne).

évaluation de solution de propulsion hybride ;évaluation de nouvelles architectures de système de production

d’énergie par des systèmes EMR incluant du stockage d’énergie électrique et intégrant les fluctuations des consommations ;

évaluation d’un navire tout électrique à courant continue (Navire tout DC) incluant des câbles supra.

Ces évaluations permettent de dérisquer de nouvelles technolo-gies comme par exemple la propulsion hybride avec batteries : la charge composée de 2 moteurs de 75 kW simule les fluctuations de couple sur ligne d’arbre propulsive du fait du passage du navire dans la houle ; les autres moteurs électriques simulent les MEP de propulsion ; l’étage de batteries servant de tampon pour absorber les surcouples.

Ce démonstrateur générique est simplement reconfigurable et de nombreuses applications sont donc possibles : intégration d’appa-raux électriques à bord d’un navire (rudder-roll électrique avec batterie par exemple), test de nouveaux actionneurs redondants, évaluation des performances d’une propulsion hybride de véhicule…

Schéma de l’architecture globale du démonstrateur.

Vue CAO 3D du démonstrateur générique d’actionneur électrique.

OPTIMISATION ÉNERGÉTIQUE

34 RESEARCH_1

RESEARCH_1 35

INTELLIGENCE EMBARQUÉE

La complexité croissante des opérations en mer associée à la réduction des équipages nécessite que les opérateurs soient aidés par des systèmes, partiellement ou totalement automatisés, faisant appel à des lois de commandes avancées, qu’il faut perpétuellement améliorer et adapter aux nouvelles situations. Les impératifs de sécurité et d’économie d’énergie doivent également être intégrés dans les algorithmes de commandes et les architectures des systèmes. Si l’on pousse cette logique encore plus loin, on arrive dans le monde des drones ou Unmanned Vehicules (UxVs), ces engins autonomes, capables de mener des missions sans intervention humaine.

36 RESEARCH_1

Positionnement dynamique de navires dans la glace

DP-in-ICE : positionnement dynamique dans la glace Ce projet a pour origine le savoir-faire en matière de construction de systèmes de positionnement dynamique (DP) développé depuis plusieurs années à Sirehna®, PME innovante intégrée à DCNS Research. Depuis plus de quarante ans, des systèmes de ce type, toujours plus perfectionnés, sont employés dans diverses opérations maritimes. Dans l’optique de développer les capacités de ce produit et de se positionner sur des marchés émergents, des activités de R&D sur le sujet ont été lancées en 2009, d’abord à travers le projet européen DYPIC (www.dypic.eu), puis au pro-fit du groupement des industries pétrolières françaises (CITEPH). Il a fallu tout d’abord apprendre les caractéristiques de l’environnement et appréhender le type d’efforts que les navires subissent dans ces régions. Si les efforts de vent et de courant sont déjà compensés par les systèmes DP classiques, les efforts exercés par la glace, de toute autre nature, peuvent mettre en danger la tenue de route ou de position du navire. Ce retour d’expérience et le constat de l’inadéquation des systèmes DP « standards » ont été effectués lors de tentatives d’opérations arctiques menées au cours des vingt dernières années. Si la tenue de position et de cap nécessite une attention de tous les instants de la part des opérateurs, la surveillance des évolu-tions des conditions de glace s’est avérée cruciale. Ainsi, de nom-breuses dispositions, assez expérimentales, ont été prises par les équipages comme le morcellement des blocs de grande taille en

AUTEUR : Xavier DAL SANTO

amont du navire par un trajet circulaire répété de brise-glace, analyse d’images satellite, ou la prédiction des directions de dérive. Ces dispositions sont une aide précieuse pour améliorer les conditions externes et anticiper les situations dangereuses, mais il demeure le besoin d’un contrôle précis et rapide des actionneurs du navire pour réagir au moindre écart. Si par exemple le navire présente un angle, même minime, à la direction de dérive des glaces, il serait presque immédiatement impossible de compenser les efforts latéraux résultants. Accroître la réacti-vité d’un tel système ne peut se résumer simplement en des gains de contrôle forts, devenant alors pourvoyeurs d’instabilité. Une prise d’informations rapide, un contrôle prédictif de la dynamique du navire, et une utilisation intelligente des propulseurs ont donc été privilégiés et développés.

Afin de valider les lois de commande développées spécifiqueme