Étude numérique et expérimentale des instabilités hors plan des films minces en tension : application aux structures spatiales

Numerical and experimental study of membranewrinkling : application to space structures

• Auteur / Autrice : Yann Lecieux
• Direction : Pascal Casari, Rabah Bouzidi
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique
• Date : Soutenance en 2010
• Etablissement(s) : Nantes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur, Géosciences, Architecture (Nantes)
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université de Nantes. Faculté des sciences et des techniques

Mots clés

Mots clés contrôlés

Structures spatiales

Bifurcation, Théorie de la

Gradient conjugué, Méthode du

Membranes (technologie)

Résumé

Au cours des dernières années, de nombreux concepts de structures spatiales dépliables ou gonflables constituées de membranes de grande dimension ont vu le jour. Cependant, les films minces de faible épaisseur utilisés dans ces réalisations se plissent lorsqu’ils sont soumis à des contraintes de compression. L’existence de plis sur ces surfaces peut affecter la performance de certains dispositifs jusqu’à les rendre totalement inutilisables. C’est la raison pour laquelle la prédiction de l’apparition des zones plissées et de leur géométrie est un axe de recherche important pour les acteurs de l’industrie spatiale. L’objectif de ces travaux est de proposer un ensemble d’outils permettant la simulation du plissement des films minces avec la méthode des éléments finis. La robustesse de nos procédures de calcul devra être évaluée en confrontant nos résultats numériques avec des données d’essai. La première partie de l’étude est consacrée à la constitution d’une base de données expérimentale en procédant au relevé de la forme des ondulations sur des éprouvettes bi-axiales soumises à des trajets de chargement variés. Ces mesures sont destinées à l’évaluation des procédures de prédiction des plis par la méthode des éléments finis. La faible épaisseur des films utilisés engendre des difficultés numériques qui nous ont amené à discrétiser ces structures avec des éléments finis coque sans degrés de liberté en rotation. Pour la résolution du problème de lambement de ces films minces, deux techniques ont été testées : la méthode d’analyse post-bifurcatoire et la minimisation de l’énergie potentielle totale avec l’algorithme de gradient conjugué

Over the past years there has been a large number of new structural concepts for large spacecraft applications involving stretched membranes. However, the membranes used in gossamer structures cannot undergo compressive stress because of their small bending stiffness. The result of compressive stress is that buckling occurs leading to membrane wrinkling. This may affect the performance and the reliability of the flexible gossamer structures. Thus, the prediction of wrinkle patterns in membrane surfaces is one of the many current technological interests in the aerospace industry. The main purpose of this work is to propose a method able to predict wrinkling of thin structures. The ability of the wrinkling procedures to do it has to be compared to experimental results. Firstly we present an experimental study of the wrinkle patterns that appear on flat membranes. Experiments were carried out on cruciform specimens stretched under in-plane uncoupled biaxial loads. Experimental data are used as validation cases for numerical procedures of wrinkling simulation with the finite element method. Because of the small thickness of membranes, the shell element behavior can present numerical locking mechanism. To avoid it, thin structures are discretized with rotation free shell elements. Then, to predict films wrinkling, two numerical methods were tested : post buckling analysis and minimization of the total potential energy using the conjugate gradient algorithm