IMPLANTATION FOIL SUR NAVIRE ALUMINIUM ANTEA. Note de calculs

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1 HT 2 - HERSKOVITS, THÔMÉ & TOBIE, ARCHITECTURE NAVALE ET INGENIERIE MARITIME Membre de l'institut Français des Architectes Navals - Expert agréé par le Ministère des Transports - Enseignants à l'ecole d'architecture de Nantes, à l'ecole Centrale Nantes et aux Universités de Nantes et de Lorient 9 rue Jeanne d Arc, Nantes, Tél , fax , pass. Boudin Paris, Tél , fax IMPLANTATION FOIL SUR NAVIRE ALUMINIUM ANTEA Note de calculs Ind. 0, le 27/04/2012 GENAVIR Centre de Brest de l IFREMER BP 71 ZI de la pointe du Diable Plouzané

2 SOMMAIRE 1. OBJET VARIATION DE POIDS LIEE A L IMPLANTATION DU FOIL MODELE DE CALCULS POUR LA VERIFICATION DE LA STRUCTURE CHARGEMENT DU MODELE DE CALCULS MATERIAUX ET VALEURS LIMITES ADMISSIBLES FLECHE CALCULEE CONTRAINTES CALCULEES CONCLUSION HT 2 Herskovits, Thômé & Tobie, architecture navale et ingénierie maritime - Structure foil - le 27/04/ Page 2

3 1. OBJET Ce document présente les hypothèses et résultats de calculs qui ont permis de dimensionner le foil à implanter dans la coque du navire ANTEA. 2. VARIATION DE POIDS LIEE A L IMPLANTATION DU FOIL Les diverses modifications imposées par l implantation du foil conduisent aux suppléments de masses décrits ci-après. DEVIS DES MASSES Description Nombre Surf, vol M unitaire Masse kg Vertical Longitudinal DU FOIL Coef. Y m Mty Z m Mtz 01_DECOUPE DE LA STRUCTURE EXISTANTE Modifications sur dérives Découpe étambot ép. 40 mm Découpe carlingue axiale ép. 10 mm Découpe bordé dérive ép. 10 mm Plats soudure boutonnière 60x Découpes voiles saumon ép. 10 mm Total Poste _MISE EN PLACE DU FOIL Bordé foil Bordé supérieur entre coques ép. 12 mm Bordé inférieur entre coques ép. 12 mm Bordé supérieur sur dérives ép. 30 mm Bordé inférieur sur dérives ép. 30 mm Plat jonction foil sur dérive plat 80x Bordé extérieur coques ép. 12 mm Voiles transversaux C4,0 ép. 10 mm Plats soudure boutonnière 60x C4,8-400 ép. 10 mm Plats soudure boutonnière 60x C4,8 ép. 10 mm Plats soudure boutonnière 60x C5,6-400 ép. 10 mm Plats soudure boutonnière 60x Fences Extérieur ép. 12 mm Axial ép. 12 mm Voiles longitudinaux Voiles complets ép. 10 mm Plats soudure boutonnière 60x Voiles à 205mm / axe dérive ép. 10 mm Voiles intermédiaires ép. 5 mm Plats soudure boutonnière 60x Bords d'attaque et bords de fuite Bord de fuite 300x Bord d'attaque Tube 100x HT 2 Herskovits, Thômé & Tobie, architecture navale et ingénierie maritime - Structure foil - le 27/04/ Page 3

4 DEVIS DES MASSES Description Nombre Surf, vol M unitaire Masse kg Vertical Longitudinal DU FOIL Coef. Y m Mty Z m Mtz Modifications sur dérives Insert dérive ép. 20 mm Plats soudure boutonnière ép. 20 mm Plats soudure pleine pénétration ép. 10 mm Soudures 3% Total Poste _PROTECTION - PEINTURE Peinture 4% Protection cathodique Total Poste MASSE AJOUTEE PAR LA MISE EN PLACE DU FOIL L implantation du foil conduit donc à un supplément de masse de kg. 3. MODELE DE CALCULS POUR LA VERIFICATION DE LA STRUCTURE La structure du foil et de la coque du navire a été vérifiée en utilisant un modèle éléments finis coques planes, sous le logiciel Robot Structural Analysis Professional. Le calcul est réalisé en considérant une symétrie de structure et de chargement par rapport à l axe longitudinal du navire. Pour cette raison, seule une moitié de foil a été modélisée, et le modèle se limite à la portion entre les couples C2,4 et C6,4. Modèle de calculs : vues de dessus et de dessous, depuis tribord HT 2 Herskovits, Thômé & Tobie, architecture navale et ingénierie maritime - Structure foil - le 27/04/ Page 4

5 Modèle de calculs : vue de dessous en coupe, depuis tribord La majorité des éléments finis du modèle de calculs présentent une taille de 100mm. Dans la zone de jonction entre le foil et les dérives, le maillage a été raffiné pour obtenir une taille d éléments de 25 mm. Les conditions aux frontières du modèle de calculs sont les suivantes : Jonction du modèle avec le reste de la coque : Nœuds encastrés (U = R = 0) Plan longitudinal : Appuis du modèle de calculs Plan de symétrie (UY = RX = RZ = 0) HT 2 Herskovits, Thômé & Tobie, architecture navale et ingénierie maritime - Structure foil - le 27/04/ Page 5

6 4. CHARGEMENT DU MODELE DE CALCULS Le modèle de calculs tient compte de charges hydrostatiques sur la dérive et de charges hydrodynamiques sur le foil PRESSION HYDROSTATIQUE SUR LA COQUE DU NAVIRE On considère une pression hydrostatique sur les tôles bordant l étambot. Cette pression varie linéairement avec la profondeur d immersion. Le calcul est mené en considérant une immersion telle que la surface libre se retrouve 5,45 m au-dessus de la ligne 0H (hauteur d eau de calculs en statique suivant les règles du Bureau Veritas NR384 chapitre 12). La flottaison associée à cette hauteur d eau de calcul se situe donc 250 mm au-dessus du pont. Pression hydrostatique sur le bordé de dérive 4.2. PRESSION HYDRODYNAMIQUE SUR LE FOIL Les charges hydrodynamiques sur le foil sont calculées en considérant les paramètres suivant : Vitesse maximale du fluide / foil : 15 nds (soit 7,717 m/s) Coefficient d incidence : 1,5 Ces paramètres conduisent à des efforts sur le foil qui sont majorés par rapport aux chargements réels. La vitesse de 15 nœuds prise en compte est supérieure à la vitesse maximale du navire. De même, considérer un coefficient d incidence de 1,5 suppose une forte inclinaison du foil par rapport au flux d eau traversé. La géométrie du foil permet alors de calculer la charge hydrodynamique s appliquant sur celuici : Vitesse du fluide / foil v 7,717 m/s Corde du foil d 2,28 m Coefficient d incidence C 1,5 Charge linéique verticale fz = ½ x 1025 x d x C x v² N/m HT 2 Herskovits, Thômé & Tobie, architecture navale et ingénierie maritime - Structure foil - le 27/04/ Page 6

7 Charge linéique horizontale fx = fz / N/m Longueur totale de foil L 11,9 m Effort vertical total sur le foil Fz N Effort horizontal total sur le foil Fx N Dans le modèle de calculs éléments finis, ces deux efforts sont intégrés par l intermédiaire de pressions uniformes agissant de la même manière (même valeur et même direction) sur les bordés inférieurs et supérieurs du foil. Afin d obtenir les valeurs d efforts globaux Fx et Fz ci-dessus, les pressions suivantes sont appliquées sur le modèle de calculs : Pression agissant verticalement, vers le haut pz N/m² Pression agissant horizontalement px 8820 N/m² Pression appliquée sur le bordé du foil HT 2 Herskovits, Thômé & Tobie, architecture navale et ingénierie maritime - Structure foil - le 27/04/ Page 7

8 5. MATERIAUX ET VALEURS LIMITES ADMISSIBLES Le foil est les renforcements de structure sont réalisés en aluminium AG5083 O/H111, dont les caractéristiques mécaniques sont les suivantes : - Module d Young : E = 71 GPa - Masse volumique : = 2700 kg/m 3 - Limite élastique : R e = 115 MPa (pour ép. > 6 mm) Suivant les règles définies dans le règlement du Bureau Veritas (BV NR 384 chap.12, ), les contraintes calculées à l aide d un modèle éléments finis tri-dimensionnel doivent être comparées à la contrainte admissible suivante : Avec : adm r 1 = 1 (NR 384 chap.12 Tableau I) = 1 (NR 384 chap.12 Tableau I) adm 90 MPa r Re rk r s 104MPa 6. FLECHE CALCULEE La combinaison des charges hydrostatiques et dynamiques présentées précédemment conduit à calculer les déplacements verticaux suivants : Déplacements verticaux calculés dans le modèle éléments finis En zone milieu, le foil prend une flèche de 33 mm par rapport à sa position au repos. HT 2 Herskovits, Thômé & Tobie, architecture navale et ingénierie maritime - Structure foil - le 27/04/ Page 8

9 7. CONTRAINTES CALCULEES Ci-dessous sont présentées les valeurs des contraintes maximales calculées dans le foil et dans la dérive. Vue d ensemble et contraintes maximales La contrainte maximale est calculée dans le bordé de foil de 30 mm d épaisseur, à la jonction avec la dérive, côté axe. Zoom sur la jonction entre le foil et la dérive, côté axe HT 2 Herskovits, Thômé & Tobie, architecture navale et ingénierie maritime - Structure foil - le 27/04/ Page 9

10 La contrainte maximale calculée à 102 MPa se concentre à chaque jonction entre les voiles transversaux de la dérive, et ceux du foil. En s éloignant de ces points chauds, la contrainte chute très rapidement : à 50 mm de la jonction foil/dérive, la contrainte maximale est de 80 MPa, à 100 de la jonction foil/dérive, la contrainte maximale est de l ordre de 50 MPa. Côté abord, les niveaux de contraintes sont beaucoup faibles : Contraintes calculées côté abord (extérieur dérives) Contraintes dans la structure interne du foil HT 2 Herskovits, Thômé & Tobie, architecture navale et ingénierie maritime - Structure foil - le 27/04/ Page 10

11 Les contraintes dans la structure interne du foil sont élevées uniquement dans les éléments transversaux soudés dans la zone de la dérive. La contrainte maximale est alors de 96 MPa. Contraintes dans la structure interne des dérives (vue côté extérieur depuis tribord, et vue côté intérieur depuis l axe) Dans les dérives, des pics de contraintes à 86 MPa apparaissent très localement, coté axe, aux jonctions entre les voiles transversaux de la dérive, et ceux du foil. 8. CONCLUSION La vérification de la structure du foil et de celle du navire s appuie sur un calcul éléments finis pour lequel le foil et une partie de la structure du navire ont été modélisés. Les charges hydrodynamiques considérées sur le foil ont été calculées en majorant fortement la vitesse du fluide par rapport au foil, et en majorant également le coefficient d incidence. Les contraintes maximales calculées restent au final très localisées, concentrées aux jonctions du foil avec les dérives. Ces contraintes atteignent une valeur maximale de 102 MPa, mais restent inférieures à la contrainte admissible de 104 MPa définie dans le règlement du Bureau Veritas. HT 2 Herskovits, Thômé & Tobie, architecture navale et ingénierie maritime - Structure foil - le 27/04/ Page 11