RESEARCH Les avancées scientifiques et technologiques de DCNS_n 1 OPTIMISATION ÉNERGÉTIQUE PERFORMANCES NAUTIQUES ET DYNAMIQUE DES PLATEFORMES MARINES PRODUCTIVITÉ ET COMPÉTITIVITÉ DES PROCÉDÉS INDUSTRIELS DISCRÉTION ET FURTIVITÉ TENUE DES STRUCTURES EN SERVICE MAÎTRISE DE L INFORMATION INTELLIGENCE EMBARQUÉE
SOMMAIRE EN COUVERTURE : image de synthèse représentant des fibres optiques. 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 SERVICE Comparaison 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 ÉNERGÉTIQUE Optimisation 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 1000 exemplaires. RESEARCH_1 03
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. 04 RESEARCH_1
ÉDITO 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 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 publierons, 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 produits 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 renforcement de la recherche maritime, voulu par les pouvoirs publics et animé par le Conseil d Orientation de la Recherche et de l Innovation 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 principaux 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 souhaite une bonne lecture et vous donne, d ores et déjà, rendez-vous en 2014 pour le n 2 de RESEARCH. RESEARCH_1 05
AVANT-PROPOS L AUBE DES SCIENCES NAVALES LARRIE D. FERREIRO, Directeur de la recherche, Defense Acquisition University, Fort Belvoir, Virginie, États-Unis Au commencement du XVII e siècle, les maîtres charpentiers de marine ne disposaient d aucun outil mathématique permettant d appliquer les théories scientifiques aux navires. Deux siècles plus tard, à la fin du XVIII e siècle et à l aube de la révolution industrielle, les ingénieurs-constructeurs étaient dotés d un véritable corpus théorique pour concevoir 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 XVIII e siècle, l «architecture navale» est l application 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 XIX e 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 développée dans «des étapes successives par la Science». L architecture navale, dans son sens moderne, est l application de la théorie scientifique, en tant qu élément de la conception du navire, en vue de prévoir ses caractéristiques 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 desquels 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 figuraient 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 XVIII e siècle, les administrations navales commencèrent 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 XVII e et XVIII e siècles, la France et la Grande-Bretagne ont été en conflit permanent 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 budget était supérieure à celle de tout autre ministère. La France, en revanche, devait défendre ses frontières terrestres et, logiquement, consacrait une part beaucoup plus 06 RESEARCH_1
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 permanentes 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 évolution 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 «frapper 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 principes communs de conception et de construction. Colbert et son fils Seignelay prirent une série de règlements 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 instructions restèrent sans suite et les constructeurs navals continuèrent 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 utiliser. 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 identiques, 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 contestés par Huygens. Aussi, quand en 1697 un mathématicien jésuite relativement peu connu, du nom de Paul Hoste, RESEARCH_1 07
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 préparer 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 combat. «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 architecture 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 plusieurs prix. Bouguer devint conseiller scientifique de Maurepas. En même temps, Maurepas demandait à l Académie des Sciences de rechercher de nouvelles méthodes de préservation 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 architecture 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 conception et de la construction des navires. Le Traité du Navire décrit pour la première fois de nombreux 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 métacentre 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 scientifiques 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 Académie 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 08 RESEARCH_1
AVANT-PROPOS au Traité du Navire pour les concepts les plus difficiles. La grande originalité des Élémens est de fournir des formulaires 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 normalisation 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 remplacement de la théorie erronée des chocs de Newton. À la même époque, les expériences pratiques, de Borda, Thévenard, Bossut, d Alembert et Condorcet, développèrent la pratique des essais comparatifs sur maquettes. Le rayonnement de l architecture navale française À la fin du XVIII e siècle, Les marines européennes, y compris la «Royal Navy», attribuaient la supériorité des navires de guerre français à leur utilisation de la théorie hydrodynamique. 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 majorité 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 portera jusqu en 1971. Au XIX e 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. _RÉFÉRENCE LARRIE D. FERREIRO, Ships and Science : the birth of Naval Architecture in the scientific revolution 1600-1800, The MIT Press, 2007. RESEARCH_1 09
ACTUALITÉS DCNS Research étend sa collaboration à l international 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, spécialisé 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 continue» assurés par l IIT Bombay. ACOUSTIQUE 2012 DCNS Research, partenaire d Acoustics 2012 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. 10 RESEARCH_1
ACTUALITÉS FAITS MARQUANTS MAST 2011 Présentation des résultats des travaux menés sur la «prédiction des accalmies des mouvements de navires». FLOW-INDUCED VIBRATION 2012 Participation au comité scientifique et présentation de deux communications scientifiques sur l hydrodynamique et IFS et les faisceaux de tubes et les IFS. FORUM DCNS RESEARCH Rencontres industrie-université sur la recherche collaborative à Nantes en juin 2012. 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 pilotage 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. Remise de prix Marie Pomarede, Doctorante à DCNS Research a reçu le 3 e prix MICADO de la Simulation Numérique à l occasion de Virtual PLM 12 à Reims, le 13 novembre 2012. 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 cruciales car les systèmes étudiés sont des éléments majeurs des centrales nucléaires civiles et des chaufferies embarquées dans 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 interactions fluide-structure à visée industrielle. NAVYCORR 2012 DCNS 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 2012 Présentation 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 1 er Forum Innovation DGA en novembre 2012 au CNIT de la Défense PROJET EUROPÉEN DCNS 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». RESEARCH_1 11
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PERFORMANCES NAUTIQUES ET DYNAMIQUE DES PLATEFORMES MARINES Du calcul de traînée de carène aux essais de maquettes en bassin hydrodynamique, de la simulation de la tenue à la mer d une structure, à l optimisation 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. RESEARCH_1 13
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 interactions fluide-structure, lesquelles influencent grandement le comportement dynamique des structures 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 DCNS La 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 développement 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 sousmarines, performances hydrodynamiques des systèmes propulsifs, discrétion acoustique des navires, stabilité des systèmes de récupération d énergie thermique des mers, rendement des systèmes 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 immergée Un 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 dimensionnement 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 immergées La maîtrise des signatures acoustiques des navires militaires passe par la compréhension des mécanismes physiques mis en jeu dans les vibrations de structures mixtes métalliques/viscoélastiques 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 comportement des matériaux à l implémentation d une méthode numérique adaptée, en passant par l identification des propriétés physiques pertinentes pour renseigner les modèles mathématique 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 14 RESEARCH_1
PERFORMANCES NAUTIQUES souple (en composite par exemple) et modifier ses performances ; 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 simulations 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 chaleur Les 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 responsables de ces instabilités potentielles, il est nécessaire d appréhender 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 Université 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. Modélisation semi-analytique du comportement d une coque assujettie à une onde de pression : calcul du champ de contraintes. Rayonnement acoustique d une structure mixte métallique/viscoélastique : développement d un modèle numérique éléments finis prédictif [3]. _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. Simulation du couplage fluide-structure pour un profil déformable dans un écoulement subcavitant : influence des déformations sur les performances hydrodynamiques [5]. 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]. RESEARCH_1 15
PERFORMANCES NAUTIQUES Comportement des navires et structures en mer AUTEURS : Jean-Jacques MAISONNEUVE, Antoine PAGÈS, Camille YVIN 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 modélisation 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. Le projet SOS-stabilité Le 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 physiques 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 nonlinéaire du navire sur houle ; l intégration de ce noyau de simulation dans un simulateur de démonstration (console avec commandes navire et visualisation du navire et de la mer) ; la conception d algorithmes permettant de connaître l état instantané 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 ; 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 développement de la plate-forme grande échelle. Cette dernière est munie d un grand nombre de capteurs : mouvements 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. 16 RESEARCH_1
PERFORMANCES NAUTIQUES Couplage réponse couplée des grands mouvements d un corps maintenu par un ressort en torsion. Couplage fluide-mécanique multicorps Les travaux concernent la prédiction des mouvements de corps dans un fluide, en présence de liaisons pouvant être complexes, et éventuellement contrôlés par des actionneurs hydrodynamiques (ex. : structure multicorps pour EMR, remorquage de dispositifs sousmarins, 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 suffisamment 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 multicorps 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 évoluant 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. _RÉFÉRENCE Antoine 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. SOS-stabilité essais en bassin. SOS-stabilité essais en mer Simulateur. Couplage réponse sur houle d un flotteur ancré, avec couplage fort. RESEARCH_1 17
PERFORMANCES NAUTIQUES Le bassin numérique AUTEURS : Jean-Jacques MAISONNEUVE, Luc BORDIER, Fabian PÉCOT, Pol MULLER Le développement d un projet de navire, bâtiment de surface ou sous-marin, et des engins sousmarins en général, nécessite l évaluation des performances hydrodynamiques de ces engins à différents 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 projets externes, et en particulier l action «Bassin numérique» de l IRT Jules Verne. 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 performances 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 manœuvrabilité 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 configurations «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. 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 configurations plus larges. Bassin numérique «lancement de projectiles» Le domaine de la modélisation du lancement d armes, et plus particulièrement de la prédiction de trajectoire après éjection, a démarré récemment au sein de DCNS Research. Il est complémentaire de la modélisation de l éjection proprement dite, qui est assurée 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 configurations de lancement ; 18 RESEARCH_1
PERFORMANCES NAUTIQUES 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 mathématique paramétrique), permettant de prendre en compte des configurations 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 prometteuse 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 marins Dans 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 intégrante de l action «Bassin Numérique». L approche CFD a été validée du point de vue de sa capacité à prédire les performances d hélices en eau libre, sur des cas de référence DCNS (sous-marin et bâtiment de surface). Sillage sous-marin en giration trajectoire. Prédiction de trajectoire d une arme. Perspectives L 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 (propulsion, tenue à la mer, etc.), la prise en compte d engins variés (sousmarins, 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.). Prédiction de trajectoire d une arme Approche CFD, maillage chimère. Modélisation CFD d une hélice de sous-marin. RESEARCH_1 19
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