Thèse soutenue

Modèles mécaniques de poutre enrichis pour la simulation de tubes minces sous pression
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Auteur / Autrice : Youri Pascal-Abdellaoui
Direction : Philippe LafonClaude StolzFrédéric Daude
Type : Thèse de doctorat
Discipline(s) : Mécanique des solides
Date : Soutenance le 17/11/2022
Etablissement(s) : université Paris-Saclay
Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences de la mécanique et applications industrielles (Palaiseau, Essonne ; 2015-....)
référent : École normale supérieure Paris-Saclay (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 1912-....)
graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Sciences de l'ingénierie et des systèmes (2020-....)
Jury : Président / Présidente : Djimédo Kondo
Examinateurs / Examinatrices : Delphine Brancherie, Jean-Michel Bergheau, Damien Durville, Martin Guiton
Rapporteurs / Rapporteuses : Delphine Brancherie, Jean-Michel Bergheau

Résumé

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Le phénomène de fouettement est une des conséquences potentielles de la rupture accidentelle d'une tuyauterie haute énergie (RTHE). Le fouettement doit être pris en compte dans les études sur la sûreté des installations industrielles puisqu'il suppose de grands déplacements de la tuyauterie sectionnée qui pourrait, en fonction de l'encombrement, impacter les structures et composants avoisinants. S'agissant de phénomènes physiques complexes, la caractérisation de la rupture de la tuyauterie et du fouettement associé est fondée actuellement sur des approches simplifiées reposant sur des hypothèses conservatives. Ces hypothèses peuvent alors conduire à des difficultés, ce qui est résolu par l'introduction de modifications au niveau de ces installations, modifications qui peuvent s'avérer coûteuses. De façon à répondre à ces enjeux, il est proposé dans ce projet de recherche un travail d'amélioration des outils et méthodes actuellement disponibles pour la simulation du phénomène de fouettement afin de rendre plus réaliste la modélisation des phénomènes physiques prépondérants et en particulier leur couplage. Pour cela, il est nécessaire de prendre en compte dans la modélisation un grand nombre de phénomènes. Il s'agit, en particulier, de modéliser les évènements suivants : la rupture de la tuyauterie, la force du jet initié à la brèche, le déplacement de la tuyauterie sectionnée, l'impact de celle-ci avec les structures avoisinantes, les déformations plastiques suite à cet impact et la formation éventuelle d'une rotule plastique ainsi que l'interaction entre le fluide contenu dans la tuyauterie et la structure. De nombreuses études ont été réalisées en modélisation tridimensionnelle, laquelle s'avère coûteuse en temps de calcul et de simulation. Il est donc souhaité de modéliser de façon simplifiée la dynamique de la tuyauterie rompue afin de permettre une évaluation rapide des conditions de sûreté. Il a en particulier été montré, qu'en l'état actuel des modélisations, il était nécessaire de modéliser la zone d'impact de la tuyauterie en éléments coques non-linéaires pour retrouver une estimation correcte de la force d'impact de la tuyauterie sur l'obstacle. Ainsi un élément fini de type poutre enrichi permettant de prendre en considération l'ovalisation de sa section transverse est développé, que ce soit sur une poutre droite ou sur une poutre ayant une courbure initiale comme dans le cas d'un coude. La cinématique retenue est une cinématique classique de poutre d'Euler-Bernoulli à laquelle s'ajoute une cinématique de coque de type Love-Kirchhoff, développée au premier ordre dans l'épaisseur du tube et en séries de Fourier selon la variable tangentielle afin de rester dans un formalisme filaire. De plus un couplage non linéaire, entre les rotations de type poutre et les déplacements de la section de type coque, est introduit afin de permettre au tube de s'ovaliser même sur une partie droite. Le modèle décrit est alors discrétisé et implémenté dans le code de calcul industriel de dynamique rapide explicite Europlexus. Afin de vérifier et de valider le modèle, la tuyauterie est soumise à différents cas de chargement tels que l'extension simple, la flexion pure, le tube sous pression interne ou encore l'application d'une force surfacique localisée sur la section transverse permettant de grandes déformations de la section. Les résultats numériques obtenus sont en bonne adéquation avec les solutions analytiques ou numériques issues d'autres codes industriels.