Gourinat_2478.pdf

Universit de Poitiers

Section 60 - Mcanique

Corps du Mmoire prsent en vue dobtenir

lHabilitation Diriger des Recherches

ENDOMMAGEMENT

DYNAMIQUE STRUCTURAL

ET PHNOMNES DISSIPATIFS

Yves GOURINATIngnieur ENSMA

Professeur SUPAERO

Habilitation soutenue le 18 Avril 2008

SOMMAIRE

Curriculum Vit p.1

a) Formation - Diplmes - Fonctions successivesb) Recherche - Rfrences et publicationsc) Enseignement - Direction de projets dtudiantsd) Activits administratives et responsabilits collectivese) Relations avec le monde socio-conomique

Introduction p.13

Chapitre 1 Flambage dynamique et choc

1.1 Flambage dynamique et transferts dnergie p.17

Flambage et Modes Dynamiques

Flambage Dynamique de Panneaux Cisaills

1.2 Qualification structurale lamerrissage p.26

Mthodes de Calcul et dEssais

Essais dAmerrissage en Vraie Grandeur

1.3 Atterrissage et Survivabilit Dynamique p.31

Qualification Structurale lAtterrissage

Sige Astronaute et Interface Homme-Machine

Dynamique des Systmes de Scurit

Chapitre 2 Dissipation dans les lments minces

2.1 Essais Vibratoires sous Hlium p.41

Essais sous Vide et sous Hlium

Amortissement Intrinsque

2.2 Modles Analytiques de Suspensions Non-Linaires p.44

Viscolasticit Linaire

Viscolasticit Non-Linaire

Identifications en Cisaillement

2.3 Dynamique des Matriaux Alvols p.50

Matriaux Alvolaires Arms

Validation du Concept

Optimisation et Qualification

Chapitre 3 Contrle vibratoire

3.1 Stabilisation Dynamique et Diagnostic Structural Modal p.57

Modlisation du Flottement Gyroscopique

Contrle Dynamique Frquenciel et Temporel

3.2 Thses en Phase Initiale

Taux dEndommagement, Facteur de Perte et Diagnostic p.69

Thmatique Transverse

Conclusions et Perspectives p.77

Bibliographie p.83

Complments

Visualisation dImpacts, Similitude, Vibration Voilure p.93(ralisations dtudiants)

____

CURRICULUM VIT

Yves GOURINAT, 47 ans : PARCOURS INDUSTRIE, FORMATION & RECHERCHE

- Ingnieur Certification Structure Avion Airbus et ATR- Formateur Mcanique des Solides / Structures Aronautiques et Spatiales- Direction Scientifique de Recherche Applique en Dynamique non-linaire, Absorption

dnergie et Qualification Dynamique des Structures Arospatiales, recherche vocation industrielle et didactique

- Coordinateur Activits Spatiales / Qualification des Spationefs et Aronefs.

a) Formation - Diplmes - Fonctions successives

DiplmesJun.1981 DEUG A Physique, Universit de StrasbourgAo.1981 Admis sur concours lENSMA (rang au concours national : 47me)Jun.1982 Licence de Mcanique, PoitiersJun.1982 Matrise de Mcanique, Poitiers

Jun.1984 Diplme dIngnieur ENSMA (4me de Promo, major de la filire Matriaux)Sep.1984 DEA de Sciences des Matriaux de Poitiers : Mthodes Intgrales en TorsionJun.1985 Diplme SUPAERO de Spcialisation Mcanique Arospatiale (major option Espace)

Projet de Fin dtudes au CNES : Conception mcanique des interfaces du satellite Arsene.

Dc.1989 Doctorat de SUPAERO, spcialit Gnie Mcanique (Trs Honorable) : Conception et Ralisation du Didacticiel de Mcanique des Structures dAerospatiale.

Juil.1994 Stage Soyuz-Mir, centre dentranement Cit des toiles.Avr.1999 Qualifi Matre de Confrences des Universits, CNU section 60 (Mcanique).

Cursus ProfessionnelSep.1986 Scientifique du Contingent SUPAERO : enseignement de la Mcanique.Oct.1987 Allocataire dtude Structures, Aerospatiale Avions (convention CIFRE).

Jan.1989 Ingnieur Structure responsable de Parties Composites, Aerospatiale AvionsTrappes A330/340 et interfaces structures : dossier de calcul, qualification en prcontrainte, tolrance aux dommages, essais statiques et en fatigue, certification calcul et fabrication, suivi fabrication et service, coopration Canadair-Montral et ASTA-Melbourne.Volets hypersustentateurs ATR72 : certification et cas de pannes, critres dacceptation en tolrance aux dommages, cas de fatigue.

Oct.1993 Ingnieur sous Contrat DGA faisant fonction dEnseignant-Chercheur Espace et Dynamique des Structures, ENSICA. Responsable des enseignements concerns.Responsable scientifique de cinq doctorants, des projets et contrats associs : directeur des stages DEA, projets acadmiques et recherches industrielles Espace et Dynamique pour lcole.

Oct.2003 Ingnieur sous Contrat DGA faisant fonction de Professeur de Mcanique des Structures SUPAERO. Chef du Dpartement dEnseignement Mcanique, Structures, Matriaux. Responsable du cours de Mcanique des Structures.Directeur Scientifique de deux doctorants, co-directeur dun troisime.Nomm en Janvier 2006 Chef par intrim de la Branche Structures-Matriaux.

Enseignant vacataire SUPAERO de 1987 2003 (mcanique gnrale et structures) et l ENSICA depuis 1986 comme Professeur associ responsable de cours (mcanique, dynamique des structures, missions spatiales, lanceurs et hlicoptres).Responsable de formations continues depuis 1989, Aerospatiale (structures et lments finis), puis ENSICA (composites) et SUPAERO (mcanique des structures).Charg du cours de Dynamique des Structures du Diplme dtudes Approfondies (DEA-M2R Gnie Mcanique) de lUniversit Paul Sabatier de Toulouse III depuis 2000 (ED324).Expert arospatial et structures auprs de Dynalis - Cril Technology depuis 1997.Prsident de Comits dExperts DGA depuis 2005.

1 Curriculum Vit

b) Recherche - Rfrences et Publications

Exprience initiale de la Recherche

[ER1] Y. GOURINAT - Applications des quations Intgrales loptimisation dun profil de poutre en Torsion et Flexion.Projet de Recherche (6 mois) du Diplme dtudes Approfondies de Sciences des Matriaux, ralis sous la direction du Professeur Grard BEZINE, soutenu Poitiers (ENSMA) en Septembre 1984.

[ER1] Y. GOURINAT - Conception et ralisation du didacticiel de calcul de structures d'AEROSPATIALE.Thse de Doctorat de lENSAE [n41] (spcialit Gnie Mcanique) soutenue le 19 Dcembre 1989 (Mention Trs Honorable).

Co-Direction de Thses de Doctorat

[T1] Encadrement scientifique (80%) de la thse de Fayal BEN YAHIA - Contribution a ltude numrique et exprimentale du flambage dynamique. Applications a latterrissage des vhicules spatiaux.Thse de lUniversit Paul Sabatier [n3288] (Gnie Mcanique) ralise au Dpartement Gnie Mcanique de lENSICA, soutenue le 22 Dcembre 1998 (Mention Trs Honorable).Activit du Doctorant aprs la thse : Master Calcul Scientifique ENSEEIHT, post-doc ENSICA.

[T2] Encadrement scientifique (80%) de la thse de Franois GRIGIS - Contribution la prvision des masses dun avion supersonique civil au stade avant-projet.Thse de lUniversit Paul Sabatier [n3036] (Gnie Mcanique) ralise au Dpartement Gnie Mcanique de lENSICA, soutenue le 06 Juillet 1998 (Mention Trs Honorable).Activit du Doctorant aprs la thse : Ingnieur Structures Messier/Hispano-Bugatti.

[T3] Encadrement scientifique (80%) de la thse dAgus-Sigit PRAMONO - Photolastodynamique - Applications Dmonstratives - Systme de Transmission par Engrenages.Thse de lUniversit Paul Sabatier [n3490] (Gnie Mcanique) ralise au Dpartement Gnie Mcanique de lENSICA, soutenue le 28 Octobre 1999 (Mention Honorable).Activit du Doctorant aprs la thse : Matre de Confrences, Mechanical Engineering Departement, Institute of Technology 10 November (ITS), Surabaya (Indonsie).

[T4] Encadrement scientifique (80%) de la thse de Martial ROUSSEAU - Caractrisation et modlisation de suspensions viscolastiques non-linaires travaillant en cisaillement.Thse de lUniversit Paul Sabatier (Gnie Mcanique) ralise au Dpartement Gnie Mcanique de lENSICA, soutenue le 22 Mai 2002 (Mention Trs Honorable).[NB : Depuis lanne 2000, les thses UPS ne font plus lobjet dun numro dordre]Activit du Doctorant aprs la thse : Matre de Confrences, Universit de Kent.

[T5] Encadrement scientifique (80%) de la thse dAmgad Mohamed SALEM - Amortissement visqueux et non-linaire au sein des assemblages structuraux mtalliques et composites. Essais en flexion sous vide.Thse de lUniversit Paul Sabatier (Gnie Mcanique) ralise au Dpartement Gnie Mcanique de lENSICA, soutenue le 08 Octobre 2002 (Mention Trs Honorable).Activit du Doctorant aprs la thse : Matre de Confrences, Acadmie Technique Militaire du Caire.

[T6] Encadrement scientifique (50% avec Eurocopter) de la thse de Joerg MUELLER - Mthodologie d'Optimisation Arolastique Active d'une Voilure de Convertible - Flottement Gyroscopique.Thse de lUniversit Paul Sabatier (Gnie Mcanique) ralise au Dpartement Gnie Mcanique de lENSICA et Marignane (essais), soutenue le 28 Octobre 2004 (Mention Trs Honorable).Activit du Doctorant aprs la thse : Ingnieur Airbus, Service Arolasticit, EGLG4, Bremen.

[T7] Direction et encadrement scientifique (80%) de la thse de Victorien BELLIL. Dveloppement et optimisation dun revtement alvolaire pour le contrle passif des vibrations.Thse de SUPAERO, spcialit Gnie Mcanique, cole Doctorale Matriaux-Structures-Mcanique (ED324), ralise au Laboratoire de Mcanique et Structures de SUPAERO, soutenue le 8 Dcembre 2006 (Mention Trs Honorable).Activit aprs la thse : Ingnieur Calcul CTA Segula Technologies pour Mecalog.

2 Curriculum Vit

[T8] Co-Direction et encadrement scientifique (30%) de la thse de Bang TRAN. Surveillance vibratoire des hlicoptres. Automatisation d'une nouvelle approche du diagnostic.Thse de lENSAM, cole Doctorale Mathmatiques et Informatique (ED 184), ralise Marignane. En cours, soutenance prvue fin 2007.

[T9] Direction et encadrement scientifique (80%) de la thse dAmir SHAHDIN. Corrlation entre le module complexe et le taux dendommagement dans un composite structural carbone-epoxy en vibration.Thse de SUPAERO, spcialit Gnie Mcanique, cole Doctorale Matriaux-Structures-Mcanique (MSM, ED324) puis Mcanique-nergtique-Gnie Civil-Procds (MEGEP, ED468) partir de 2007. En cours, soutenance prvue fin 2009.

[T10] Direction et encadrement scientifique (80%) de la thse de Pierre SELVA. Modlisation dynamique bilatrale de loreille interne.Thse de SUPAERO, spcialit Gnie Mcanique, cole Doctorale Aronautique-Astronautique (AA, ED 467). En cours, soutenance prvue fin 2009.

Jurys de Thses de Doctorat

[J1] Cline ANGELELIS. Modlisation numrique de lindentation de surface.Thse de lcole des Mines de Paris, place sous la direction du Professeur ric FELDER, soutenue Sofia-Antipolis (Centre de Mise En Forme des Matriaux) en Juin 1998.

[J2] Pierre VIALETTES. Simulations numriques et exprimentales du comportement mcanique des ballons pressuriss stratosphriques.Thse de SUPAERO ralise lONERA sous la direction du Professeur Moussa KARAMA, soutenue Toulouse le 15 Dcembre 2005.

[J3] Herv MOREL. Diagnostic du rotor de lhlicoptre : analyse des signatures vibratoires pas rseaux de neurones.Thse de lENSAM ralise sous la direction du Professeur Daniel BRUN-PICARD, soutenue Aix-en-Provence le 29 Janvier 2007.

Direction Scientifique de DEA et Projets de Recherche

[D1] Fayal BEN YAHIA - Flambage Dynamique. DEA ENSICA 1994.

[D2] Agus-Sigit PRAMONO - Photolasticimtrie 2D avance. DEA ENSICA 1996.

[D3] Ilie-Sorinel BALASOIU - valuation de linfluence du mouvement spatial dun projectile et dun missile sur le mouvement des systmes mcaniques embarqus. DEA ENSICA 1998.

[D4] Louise-Mary JAGGER - Spacecraft Architectural Design with Minimal Artificial Weightiness Concept. Anne de Recherche ENSICA M.Phil Thesis Cranfield, financement Matra, 1998.

[D5] Suzanna MARTIN-ROMO - Non-linear modelization of structural materials and polymers in vibration analysis. Projet de recherche Erasmus (6 mois), Ingnieur de lUniversit Polytechnique de Madrid, 2001.

[D6] Cdric DANIEL - Essais et modlisations de structures minces en flexion vibratoire sous Hlium. DEA ENSICA 2003.

[D7] Mickal LOZANO - Modlisation dynamique du sol plantaire en contact avec un sismomtre. DEA ENSICA 2003, en co-encadrement avec le CNES.

[D8] Nicolas BONNEAU - Amortissement structural non-linaire - Application aux matriaux alvols. DEA SUPAERO, 2004.

[D9] Nicolas VERPEAUX - Amortisseurs dynamiques large bande. Master Recherche ralis SUPAERO sous contrat de recherche pour le CNES, 2006.

3 Curriculum Vit

Revues avec Comit de Lecture (10)

- Publications Internationales (6)

[A1] Y. GOURINAT, A.S. PRAMONO - Educational Applications of Photoelastodynamics for Solid Mechanics and Dynamics of Structures.Machine Graphics & Vision International Journal, Polish Academy of Science, Varsovie, Vol. 8 n4 pp. 655-666, [AM8B/99], 1999 ISSN 1230-0535.

[A2] Y. GOURINAT, V. BELLOEIL - An analytical model of an elementary elliptical cell forming an alveolar elastic material under plane stress.Materials and Design (International Journal of Materials in Engineering) ISSN 0261-3069 [Impact Factor 2005 : .785], Vol 27/10 p. 1055-1064. Rf. doi_10.1016_j.matdes.2005.01.015.

[A3] J. MUELLER, Y. GOURINAT, R. FERRER, T. KRYSINSKI, B. KERDREUX - A Numerical Study on Active Control for Tiltrotor Whirl Flutter Stability Augmentation.Journal of the American Helicopter Society [Impact Factor 2005 : .443], vol 51#3 p.244-254, Juill.2006.

[A4] Y. GOURINAT, V. BELLOEIL - A truncated low approach of intrinsic linear and nonlinear damping in thin structures.Journal of Vibrations and Acoustics, American Society of Mechanical Engineering [Impact Factor 2005 : .383], Vol. 129 pp 32-38, Fvrier 2007.

[A5] C. BES, V. BELLOEIL, G. PLANTIER, Y. GOURINAT, T. BOSCH - A Self-Mixing Laser Sensor Design with an Extended Kalman Filter for Optimal Online Structure Analysis and Damping Evaluation. Transactions on Mechatronics, Institute of Electrical and Electronics Engineers / American Society of Mechanical Engineering, ISSN 1083-4435 [Impact Factor 2005 : .705]. Vol. 12, n3, pp.387 - 394, juin 2007.

[A6] Y. GOURINAT, V. LAPOUJADE - A Dynamic Modelling of Safety Nets.Multidiscipline Modeling in Materials and Structures, ISSN 1573-6105. Publication (12p.), accepte le 12 Mai 2007.

- Publications Nationales (4)

[A7] F. GOURINAT, Y. GOURINAT - Expriences dOphtalmologie en Impesanteur.Revue de Mdecine Arospatiale, Tome XXXVI, N142, pp. 129 136, 2me trimestre 1997.

[A8] Y. GOURINAT - Applications de la dynamique explicite lENSICA : Atterrissage et amerrissage des spationefs et problmes dabsorption dnergie.Revue Mcanique & Industries, 2001-2, pp. 63-68, ditions Scientifiques et Mdicales Elsevier SAS, S1296-2139(00)01075-7/FLA, pp.63-68, Mars 2001.

[A9] Y. GOURINAT, A-M. SALEM - Lamortissement dynamique non-destructif au sein des matriaux structuraux.Revue Sciences, n2001-3 / 3me Trimestre 2001 pp. 57-65, Association Franaise pour lAvancement des Sciences, ISSN 0151-0304.

[A10] M. ROUSSEAU, F. HADDAD, Y. GOURINAT - Un dispositif pour la caractrisation des proprits amortissantes de matriaux viscolastiques non-linaires en cisaillement.Revue Mcanique & Industries, n3/2002 pp.271-278, Elsevier SAS, S1296-2139(02)01162-4/FLA.

Ouvrages Publis (2)

[O1] P. BUCUR, Y. GOURINAT, S. BALASOIU - Topics in Mechanics of Embarked Systems. Ouvrage (355 pp.), Augusta Publishing, ISBN 973-8284-55-X, Timisoara Juin 2001.

[O2] Y. GOURINAT - Introduction la Dynamique des Structures. lments de Mcanique des Solides pour lIngnieur. Ouvrage (438 pp.), ditions Cepadues 2001, ISBN 2.85428.545.X, Mars 2001.

4 Curriculum Vit

Confrences avec Actes (24)

- Communications Internationales (17)

[B1] Y. GOURINAT, F. BEN YAHIA - Splashdown and landing of spacecrafts. Computations and Tests. 1st

European DYNA Conference, Stratford-upon-Avon, Mars 1997. Proceedings pp.6.1-6.6

[B2] Y. GOURINAT, L-M. JAGGER - Spacecraft Architectural Design with Minimal Artificial Weightiness

Concept. Communication et article, 49me Congrs Mondial dAstronautique, International

Astronautical Federation / International Academy of Astronautics, Melbourne Oct.1998. Proceedings

[IAF/IAA-98-G.3.02] (9 pp.).

[B3] Y. GOURINAT, A-S. PRAMONO - Stress-Wave Propagation in the Infinite Plate and Stress

Distribution on the Spur Gears Transmission by Dynamic Photoelasticity. Poster et article (6 p.)

[SM98-101], European Conference Spacecraft Structures, Materials & Mechanical Test, ESA CNES

DLR, Braunschweig Nov.1998.

[B4] Y. GOURINAT, A-S. PRAMONO - Educational Applications of Photoelastodynamics for Solid

Mechanics and Dynamics of Structures. Communication, Euromech 406, Image Processing Methods

in Applied Mechanics, European Mechanics Society, Polish Academy of Science, Varsovie Mai 1999.

Book of Abstracts pp.101-104.

[B5] Y. GOURINAT, B. GUIRADO - Landing design and test of astronaut seat and interfaces in

Aerospatiales Crew Transfer Vehicle. 50me Congrs Mondial dAstronautique, International

Astronautical Federation / International Academy of Astronautics, Amsterdam Oct.1999.Proceedings

[IAF/IAA-99-G.3.09] (9 pp.).

[B6] Y. GOURINAT - Sea-landing modelling of ARD spacecraft and launcher elements. Poster et article,

First European Conference on Launcher Technology, CNES Arianespace ESA, Proceedings pp. 776-

782, Toulouse Dc.1999.

[B7] T. FENAL, Y. GOURINAT, C. ROSSO, M. LABARRERE - Confocal Microscopy of Hubble Specimen

Impacted by Space Debris. Poster et article (4 p.), 8th International Symposium on Materials in Space

Environment, 5th International Conference on Protection of Materials & Structures in Low Orbit, ESA,

Arcachon Juin 2000.

[B8] Y. GOURINAT, J. ENGLUND - Sweden Specific Polar Experiments for Long Range Flight

Ergonomics - Educational Cooperation for France-Sweden Polar Simulations for Long Range Flight.

51me Congrs Mondial dAstronautique, International Astronautical Federation / International

Academy of Astronautics, Rio de Janeiro Oct.2000. Proceedings [IAF/IAA-00-G.3.02] et [IAF-00-

P.3.08] (6 p.).

[B9] Y. GOURINAT - F - Ma = 0 : The unique certitude in Aerospace ? Confrence douverture de session

(Keynote Lecture) et article (12 pp.), 3rd European DYNA Conference on Explicit Dynamics, Paris

Juin 2001, Conference Proceedings Dynalis LSTC Keynote Lecture.

[B10] F. BEN YAHIA, Y. GOURINAT - Numerical and Experimental Study of Safety Nets for Human and

Equipment Security. Poster et article (15 pp.), 3rd European DYNA Conference on Explicit

Dynamics, Paris Juin 2001.

[B11] Y. GOURINAT, E. DELENTE, A. PASQUIER - Newtons Collision Fluid Mechanics : Educational

Applications on Hypersonic Curves of Reentry Bodies. 52me Congrs Mondial dAstronautique,

International Astronautical Federation, Toulouse Oct.2001. Proceedings [IAF/ISSAT/ISU-01-P.1.03]

(2 pp.).

[B12] U. APEL, Y. GOURINAT, B. ESCUDIER - The CVA Summer School on Launcher Technology and

Space Applications. A Successful approach to a multinational cross-community program of space

education. 52me Congrs Mondial dAstronautique, International Astronautical Federation, Toulouse

Oct.2001. Proceedings [IAF/ISSAT/ISU-01-P.1.01] (7 pp.).

[B13] A-M. SALEM, Y. GOURINAT - Evaluation of Linear and Non-linear Structural Internal Damping.

Experimental and Numerical Investigations. Communication et article (15 pp.), 10th International

Conference on Applied Mechanics and Mechanical Engineering,!Cairo Mai 2002.

5 Curriculum Vit

[B14] A. REMONDIERE, B. ESCUDIER, Y. GOURINAT - Space-Related Education as a Whole. 53me Congrs Mondial dAstronautique, International Astronautical Federation, Houston Oct.2002. Proceedings [IAC-02-P.2.08] (4 pp.).

[B15] U. APEL, B. ESCUDIER, Y. GOURINAT, E. WEINRICH - The CVA Summer School on Launcher Technology and Space Applications - A success story. 54me Congrs Mondial dAstronautique, International Astronautical Federation, Bremen Oct.2003. Proceedings [IAF-03-P.1.08] (6 pp.).

[B16] J. MUELLER, R. FERRER, T. KRYSINSKI, Y. GOURINAT,B. KERDREUX - A Multibody Study on Single- and Multi-Variable Control Algorithms for Tiltrotor Whirl Flutter Stability Augmentation. Communication et article (18 p.), American Helicopter Society, 4th Decennial Specialists Conference on Aeromechanics, San Francisco Jan.2004.

[B17] M. ROMERO, B. ESCUDIER, Y. GOURINAT - Hands-on Education and Students Formation for Aerospace Systems Engineering : looking back upon the Soprano experience. Poster et article, 57me Congrs Mondial dAstronautique, International Astronautical Federation, Valencia Oct.2006. Proceedings [IAC-06-E1.P.1.03] (11 pp.).

- Communications Nationales (7)

[B18] Y. GOURINAT - Application de lEnseignement Assist par Ordinateur en Mcanique des Structures. Communication et article (11 pp.), Actes du Congrs de lEAO, Paris Jan.1990.

[B19] P. CASU, M. FEBRER, Y. GOURINAT, L. MICHEL - Single Curvature Composite Shell under Transverse Static Load. Delamination Criterion. Communication, 15th Canadian Congress of Applied Mechanics, Victoria Mai 1995. CanCam 95 Proceedings Vol.II pp.90-91.

[B20] F. BEN YAHYA, L. MICHEL, Y. GOURINAT - tude Exprimentale du Flambage Dynamique de Plaques Mtalliques et Composites. Communication, 15th Canadian Congress of Applied Mechanics, Victoria Mai 1995. CanCam 95 Proceedings Vol.II pp.682-683.

[B21] F. BEN YAHYA, L. MICHEL, Y. GOURINAT - Approche Exprimentale et Numrique de lamerrissage dune capsule spatiale de type CTV-ARD. 16th Canadian Congress of Applied Mechanics, Montral Mai 1997.

[B22] F. LACHAUD, N. KHEMIRI, Y. GOURINAT, L. MICHEL - Orientation des fibres dans les matrices organiques et propagation du dlaminage en mode I. 16th Canadian Congress of Applied Mechanics, Montral Mai 1997.

[B23] Y. GOURINAT - Flambage dynamique. Confrence Invite et article (9 pp.) Journe Instabilit Structurale, Institut pour la Promotion des Sciences de lIngnieur Vol. XX n3, Paris Nov.1996.

[B24] I-S. BALASOIU, Y. GOURINAT - quations analytiques explicites du mouvement dune minifuse. Poster et article (6 pp.), Actes [397] du 14me Congrs Franais de Mcanique, Toulouse, Sept.1999.

Communications sur Rsum (3)

[C1] F. BEN YAHYA, Y. GOURINAT - Calcul du Flambage Dynamique de panneaux minces. Symposium National Dyna des utilisateurs de codes dynamiques explicites, Illkirch Mars 1995.

[C2] Y. GOURINAT - Aerospatiales Courseware for Structure Analysis. International Conference on Computer Aided Learning and Instruction in Science and Engineering, Lausanne Sept.1991.

[C3] Y. GOURINAT, F. BEN YAHIA - Application de la Dynamique Explicite la Scurit Astronaute et aux Problmes dAbsorption dnergie. Journe de Dynamique Rapide, Computational Structure Mechanics Association / Association Franaise de Mcanique, Toulouse Oct.2000.

6 Curriculum Vit

Contrats lis la Recherche[Hors contrats finanant les Doctorants et Chercheurs Encadrs]

[CR1] Essai damerrissage ARD en vraie grandeur.Direction scientifique, contrat de recherche ENSICA ESA 1995.

[CR2] Filets amortissants pour quipages : Modles et essais rhologiques, modles et essais dynamiques lchelle 1. Direction scientifique, contrat de recherche ENSICA Dynalis 2000-2001.

c) Enseignement - Direction de Projets dtudiants

Rfrences comme Formateur

[F1] Enseignant Vacataire SUPAERO :- Chef de Travaux,Dynamique, lasticit, Photolasticit 1re Anne, 1985-86, 20h/an- Matre de Confrences et Professeur Supplant Mcanique Rationnelle 1A, 1986-89, 20h/an- Matre de Confrences et Professeur Supplant lasticit et Photolasticit 1A,1987-96, 20h/an- Matre de Confrences Mcanique des Structures 2A, depuis 1987-2003, 20h/an.

[F2] Enseignant Vacataire lENSICA, en tant que responsable et intervenant :- Mcanique Gnrale 1A, 1986-98, 40h/an- Mcanique des Vibrations 1A, depuis 1993, 10h/an- Techniques Spatiales 1A, depuis 1993, 5h/an- Mcanique des Milieux Continus Solides 1A, 1993-2001, 10h /an- Plaques 1A, 1993-2001, 10h/an- Partie Coques de lenseignement structure 2A, depuis 2000, 5h/an- Introduction Missiles et Lanceurs Spatiaux 3A et Mastre, depuis 1993, 20h/an (5 dintervention)- Missions et Oprations Spatiales Module 3A et Mastre, depuis 1993, 30h/an (4 dintervention).

[F3] Correcteur de lpreuve crite de mcanique / thermodynamique, concours ENSI-M/Ph.M., 1989-91.

[F4] Intervenant dans les enseignements structures en formation continue interne Aerospatiale :- 10h/an du cours lments finis, 1989-93- 10h/an du cours de physique gnrale avion, 1989-93.

[F5] Enseignant Vacataire, Responsable Structures cycle Ingnieurs par la Voie de la Formation Continue, Institut National Polytechnique de Toulouse :

- Cours en enseignement par correspondance et regroupements, 1990-98, 15h/an.- Mise en place de lenseignement distance (FAD-TICE) en 2003, et ralisation de cet enseignement

depuis 2005.- Participation au groupe de Validation des Acquis, en 2003.

[F6] Confrences structures aronautiques, 5me Anne INSA Toulouse, 1991-92, 4h.

[F7] Enseignant Vacataire lENSICA, en tant quintervenant :- Poutres 1A, depuis 1993, 5h/an- Sminaire Qualit Projet 3A, de 1995 2003, 15h/an.

[F2] Enseignant-Chercheur permanent lENSICA dOctobre 1993 Septembre 2003, responsable des activits dynamiques et espace, avec coordination des activits mentionnes en rf. [F13].

[F8] Organisation et encadrement de 6 ateliers dactivits astronautes (vol avion initiation et voltige, chute libre, structures en plonge, matriel de survie en quipage, activits laboratoire) et de 4 visites en site arctiques (tudes techniques sur les vols long cours), pour un total de 115 membres dquipage, dans le cadre de Terre&Espace [www.terrespace.org], avec le support scientifique de lENSICA.

[F9] Charg du cours de Dynamique Vibratoire des Structures du DEA Gnie Mcanique de Toulouse (Universit Paul Sabatier de Toulouse III) depuis 2000 (2 fois 11h/an). Responsabilit confirme depuis 2004 dans le cadre du Mastre Recherche 2me Anne.

[F10] Coordinateur de la formation continue diplomante ENSICA Espace- Responsable de lAnne de spcialisation Espace ENSICA-Odysse 2000-02 (260 h/an)- Responsable ENSICA du Mastre SUPAERO-ENSICA TAS Astronautics 2002-04 (160h ENSICA/an).

7 Curriculum Vit

[F11] Responsable et intervenant en formation continue non-diplomante :- Mcanique Industrielle des Composites, DCO-ENSICA, 2001-03. 35h/an, dont 5 dintervention- Mcanique des Structures, Socit des Amis de SUPAERO et de lENSTA, depuis 2004. 35h/an, dont

20 dintervention.

[F12] Professeur de Mcanique des Structures SUPAERO depuis Octobre 2003 :- Charg du cours de Mcanique des Structures du Tronc commun 2A, 60h/an, dont 40 dintervention- Responsable et intervenant de lenseignement dHistoire de lAronautique 1A, 6h/an- Responsable et intervenant harmonisation mcanique Mastres TAS Astronautics Mca-Lanceurs,

8h/an- Intervenant cours et petites classes des Bureaux dtudes Transverses mathmatiques/structures

et automatique/structures 2A, 10h/an- Responsables de cours lextrieur de SUPAERO :

- Mcanique des Vibrations, ENSICA 1A, 10h/an dont 5 dintervention- Coques, ENSICA 2A, 5h dintervention par an- Conception des Lanceurs, ENSICA 3A et Mastres Astronautics, 15h/an, dont 3.75 dintervention - Missions Spatiales, ENSICA 3A et Mastres Astronautics, 30h/an, dont 2.5 dintervention- Dynamique des Structures, Master Recherche 2me Anne de lUniversit Paul Sabatier de

Toulouse III, 22h/an, dont 11 dintervention- Cellule Avion, Master Professionnel de Maintenance Aronautique de Toulouse, depuis Janvier

2007, 10h dintervention.

Ouvrages et Polycopis pour lEnseignement

[OE1] Y. GOURINAT - lments de Dynamique Rationnelle. Cours de 1re anne du Cycle Ingnieur(142 pp), ENSICA Oct.1987, rdit Oct.1993.

[OE2] Y. GOURINAT - lments de Techniques Spatiales. Cours de 1re anne du Cycle Ingnieur (45 pp.), ENSICA Sept. 1996, rdit en 2001.

[OE3] Y. GOURINAT - Introduction llastostatique Linaire. Cours de 1re anne du Cycle Ingnieur (52 pp.), ENSICA 2002.

[OE4] Y. GOURINAT - Dynamique Linaire des Structures Minces. Cours de Master Recherche 2me Anne (80 pp.) dit par SUPAERO, ISBN 2-84088-109-8, 4me trim.2003.

[OE5] Y. GOURINAT - lments de Dynamique Analytique. Cours de 1re anne du Cycle Ingnieur (45 pp.) dit par SUPAERO, ISBN 2-84088-128-4, 2me trim.2004.

[OE6] Y. GOURINAT - Mcanique des Structures. Statique et Thermique des Poutres. Cours de 2me anne du Cycle Ingnieur (133 pp.) dit par SUPAERO, ISBN 2-84088-131-4, 3me trim.2005.

[OE7] Y. GOURINAT - Mcanique des Structures. Problmes de Mcanique des Solides. 2me anne du Cycle Ingnieur (172 pp.) dit par SUPAERO, ISBN 2-84088-132-2, 2me trim.2006.

Encadrement de Projets dlves Ingnieurs

Direction de Projets de Fin dtude raliss lENSICA :

[E01] D. KOREN - Contre-plaqus aronautiques en tolrance aux dommages. Master University of Buffalo, 1994.

[E02] M. JAGER - Qualification matriaux composites hydravion et optimisation dmonsrateur LISA2 dantenne membranaire en vol parabolique. Ingnieur de Mnchen-Erasmus, 1997.

[E03] P. KRAMER - tude dune voilure composite de type Jodel biplace. Ingnieur de Stuttgart-Erasmus, 1998.

[E04] D. IORIO - Essais dynamiques dmonstratifs voilure composite et structure dployable. Ingnieur de Cranfield-Erasmus (6 mois) avec 3 autres stagiaires lENSICA (Matrise et DUT), 1999.

[E05] S. ERICSSON - tudes de matriaux filets et expanss - Calculs/essais filets chelle 0,5. Ingnieur de Linkping avec un stagiaire Arme-Jeunesse lENSICA, 1999.

[E06] F. MOLENDINI - Missioni di lunga durata e distanza : rischi, comfort e attivita ludiche. Encadrement PFE Ingnieur de Politecnico Milano-Erasmus, avec dmonstrateur Spaceball pour vol parabolique (3 lves ENSICA et 1 lve SUPAERO), 2001-2002.

8 Curriculum Vit

[E07] R. MEIJE - Conception minidmonstrateur de rentre atmosphrique froide. Ingnieur de lUniversit Polytechnique de Madrid-Erasmus, avec ralisation YES2 pour lESA (5 lves ENSICA), 2002-2003.

Direction de Stages divers :

[E08] Atelier amphibie composite. 20 tudiants ViriginiaTech (financs par la National Science Foundation, dans le cadre du concours AGATE/NASA) et 22 ENSICA (24-30 Nov.1996).

[E09] Semaine de connaissance de la recherche. Stagiaire de classe de 2nde, Dc.1996, stagiaire de 3me de lInstitut des Jeunes Aveugles de Toulouse, Mars 2001.

[E10] R. PELISSIER - tude et essais de pales dautogires. Stage dt pour un tudiant ENSAM, 1997.

cela sajoute lencadrement scientifique denviron 90 lves-ingnieurs dans leurs projets internes.

d) Activits administratives et responsabilits collectives

[RC1] Membre du Conseil Intrieur de lENSICA, en tant que Professeur Associ, de 1990 1995.

[RC2] Membre du Bureau Rgional Toulouse-Midi Pyrnes de lAssociation Aronautique et Astronautique de France, depuis 1995.

[RC3] Membre de lAssociation Franaise pour lAvancement des Sciences, depuis 1995.

[RC4] Chef du Dpartement Mcanique-Structures-Matriaux de SUPAERO depuis Juillet 2004, responsable des enseignements de mcanique des solides :

- Responsable de lOption Aronefs et Vhicules de 3me Anne du Cursus Ingnieur- Responsable de lApprofondissement Structures 3A- Responsable des Projets de Fin dtudes et Stages Longs en Mcanique des Solides- Reprsentant SUPAERO pour le DEA/Master Recherche de Gnie Mcanique de Toulouse- Reprsentant SUPAERO auprs de lcole Doctorale 324 Matriaux-Structure-Mcanique- Reprsentant SUPAERO auprs de lInstitut de Gnie Mcanique de Toulouse- Membre de droit du Conseil de la Formation de SUPAERO- Membre invit du Conseil de la Recherche de SUPAERO- Membre nomm du Conseil dvaluation du domaine Missiles Tactiques et Stratgiques de la

Dlgation Gnrale pour lArmement, depuis Septembre 2004.- Membre nomm du Conseil dvaluation du domaine Architecture des Aronefs (Mtier

Systmes de Combat Arien) de la Dlgation Gnrale pour lArmement, depuis Octobre 2004.- Invit aux jurys de Stages de Fin dtudes de mcanique de lX, avec H. MAITOURNAM.

[RC6] Membre du Comit de Pilotage ISSAT/CNRT-AE pour la mise en place dun Centre Pdagogique dExprimentation Scientifique, depuis 2002.

[RC7] Membre du Jury des 6me et 7me ditions de lcole dt Europenne de la Communaut des Villes Ariane, Barcelone Aot 2005, Toulouse Aot 2006.

e) Relations avec le monde socio-conomique

Actions Internationales- Sjours Melbourne (ASTA) pour mise en place de ralisation parties avions, 1989-1990

- Relations pdagogiques suivies avec les universits partenaires de SUPAERO et lENSICA (Cranfield, Southeast University Nanjing, Linkping,...)

- Co-organisateur en 2001 et 2006 de lcole dt Europenne de la Communaut des Villes Ariane

- Accueil dun Professeur Invit (Guest Prof. J WANG, Southeast University, Nanjing) pendant une anne de recherche SUPAERO (200-2008), consacre la rhologie de la glace en impact structural.

9 Curriculum Vit

Comits Scientifiques- Co-prsident du comit dorganisation, Atelier Arospatial de Recherche Franco-Sudoise, Confrence

des Grandes coles, Conseil des Prsidents dUniversits Sudoises, Toulouse Mai 1998

- Comit de Programme, 52nd International Astronautical Congress IAF (Commissions Space Education / ISSAT / ISU et Outreach). Toulouse Oct.2001

- Comit de Programme (referee), 5th International Conference on Dynamics and Control of Systems and Structures in Space, Cranfield College of Aeronautics, Cambridge Juill.2002

- Comit Scientifique du Congrs Sant Aventure Mdecine, Montpellier Nov.2002

- Prsident des Commission dvaluation Plate-Forme Aronautique de la DGA, depuis 2005 et 2006

- Prsident des Commission dvaluation Plate-Forme Aronautique de la DGA, depuis 2005 et 2006

- Comit Scientifique ACMA 2007, International Symposium on Aircraft Materials, Agadir Mai 2007

- Comit de lecture pour un article, Journal of Computational & Nonlinear Dynamics, ASME, Juillet 2007

- Conseiller ditorial des ditions Techniques de lIngnieur, Octobre2007

Travaux de Diffusion de la Science- LEAO, applications industrielles. Confrence invite, Journes du Centre Pdagogique Rgional pour les

Agrgs, Limoges Jan.1989.

- Le logiciel exprimental STAR89. Communication et article (18 p.), Journe Pdagogique de lAssociation pour le Dveloppement des Mthodes dans lEnseignement Suprieur, Toulouse Juin 1989.

- Ateliers Arospatiaux de recherche industrielle pour la Confrence des Grandes-coles : France-Canada (vice-Prsident Atelier Toulouse Mai 1994), France-Sude (vice-Prsident Atelier Toulouse Mai 1998), France-Isral (vice-Prsident Atelier Toulouse Nov.2001), France-Chine (vice-Prsident Atelier Toulouse Avr.2006).

- Invit missions France Culture : Perspectives Scientifiques - Le vol spatial (2 missions avec A-C Souchon, Mai 1996), Le Sputnik (Dc.1997) ; Le Temps des Sciences - Les aquanautes (Avr.1998) ; Appel dAir - La formation des astronautes (Sept.1999).

- Depuis 1996, 21 confrences pour lAssociation Aronautique et Astronautique de France, sur le vol spatial, lhydraviation, limpesanteur, le contrle dynamique des structures, Verne Herg et von Braun.

- Depuis 1997, 19 confrences invites pour le Rotary International, dont 3 pour les confrences de districts.

- International and Regional Space Workshop. Confrence Invite, 10th Symposium of United Kingdom Students for Education and Development of Space, Universit de Bristol Novembre 1998.

- Y. Gourinat - Sil te plat, dessine-moi une fuse. Article sur la propulsion (12 p.), publi en trois parties dans LAstronaute (revue Apollo 25 n8,9 et 10 1998-99).

- Lhomme dans lEspace. Confrence DEUG Universit Paul Sabatier, Mars 2000.

- Les enjeux de lhomme dans lespace laube du 21me sicle. Confrence invite pour la clbration de lan 2000, Universit de Perpignan, Avril 2000.

- Depuis 2000, 20 confrences sur la formation et la recherche spatiales dans les coles (CM2), collges et lyces (4 pour la Fte de la Science, 8 pour lAnne Mondiale de la Physique, 1 pour le Centre Spcialis des Dficients Auditifs dAlbi, 2 au titre de lInitiative SUPAERO pour lgalit des Chances).

- Depuis 2000, 8 confrences sur les structures lanceurs dans le cadre de lcole dt Europenne Lanceurs de la Communaut des Villes Ariane ; co-organisateur des ditions 2001 et 2006 Toulouse.

- Computation and test of scale specimens : Application of Rapid Dynamics to splashdown and landing of spacecrafts - Computation and crash test of scale specimen for double deck aircraft section. Deux Posters et Vidos, Salon International des Technologies et nergies du Futur, Toulouse Sept.2000.

- Recherche Spatiale lENSICA et vol habit. Confrence invite pour le Service Scientifique de lAmbassade de France en Espagne, Barcelona Mai 2001.

- I. Brinck, Y. Gourinat - France-Sweden integrated industrial programs. Communication, 6me Sminaire Franco-Sudois Formation des Ingnieurs, Comit Franco-Sudois pour les changes avec les Grandes coles (SKUF), Association Franco-Sudoise pour la Recherche, Linkping Juin 2002. French-Swedish Seminar Report pp.53-63.

- Lentranement la Cit des toiles et ses Applications Humaines. Confrence Invite, Socit dAstronomie Populaire, Toulouse Juin 2002.

10 Curriculum Vit

- Cosmonaut training. Confrence Invite, European Space Camp (Norwegian Space Agency - ESA),

Andenes Aot 2002.

- R. Ferrer, J. Mueller, Y. Gourinat - Multi-Body Approach to Simulate Active Control for Stability

Augmentation of Dynamic Systems. Application to Whirl-Flutter on a Tilting Prop-Rotor. Poster avec Vido,

Salon International de la Prospective et de lInnovation, Toulouse Oct.2002.

- Handicap et Aventure Spatiale. Deux communications invites, Congrs Mdical Sant-Aventure-

Mdecine, Sud Sant FormAction, Montpellier Corum Nov.2002.

- Invit avec J-J. Favier et P. Perrin la prsentation du vol spatial, dans le cadre du Forum des lyces et

Collges organis par le CNES et lISSAT, Toulouse Mai 2003.

- P. Jung, Y. Gourinat, S. Laroze - De Piltre de Rozier aux premiers vols des Frres Wright. Confrence-

dbat pour le 100me anniversaire des vols de Kitty Hawk, SUPAERO 17 Dcembre 2003.

- Invit 4 Tables-rondes mtiers aronautiques dans les lyce, par lUnion Rgionale des Ingnieurs et

Scientifiques de Midi-Pyrnes (URISMIP), depuis 2004.

- P. Sints, Y. Gourinat - LHomme dans lEspace, pourquoi ? Confrence invite Ambassade de France et

Alliance Franaise, Andorre Juin 2005.

- Y. Gourinat - Une histoire de lorgue. Confrence-concert, espace Apollo, Mazamet, 09 Dc. 2005.

- Y. Gourinat - Applications Mdicales des Techniques Arospatiales. Prsentation invite La Mle

Numrique E-sant, Castres, IUT Paul Sabatier Techniques de Communications, Juin 2007.

11 Curriculum Vit

INTRODUCTION

Ce mmoire prsente les directions de recherche ralises au cours dun parcours transverse de quinze annes, jalonn dtapes industrielles et acadmiques. Cette dmarche sest ralise dans le cadre de trois mtiers successifs, relis par la mcanique des structures.

Ingnierie Arospatiale

Le mtier dIngnieur tout dabord - sept annes chez Airbus France - est orient vers la certification. Celle-ci allie science et technique applique un systme oprationnel, et a t vcue au sein dune structure matricielle. Elle concerne des lments - parties avion - depuis leur dimensionnement jusquau suivi en service, en passant par le dossier de justification, les essais, la mise en vol, en production et en service, dans le cadre de cooprations internationales.

Exercs majoritairement dans le cadre dlments significatifs du programme A340/330 (ensemble des trappes, bielles et ailerons), ces dveloppements ont galement t appliqus certaines parties composites ATR72 (volets hypersustentateurs) et A320 (trappes). Ils ont permis de dfinir des mthodologies de qualification et de justification par essais, ainsi que les critres dacceptation associs et les rgles de calcul et de suivi en endommagement mcanique et environnemental. Dans tous les cas, calculs et essais ont t adapts en prcision, cot et dlai, aux objectifs de la certification : essais sur coupon artificiellement vieilli, essais sur structure lmentaire par charge quivalente, calcul numrique simplifi, voire analytique, prise en compte des dformations imposes.

Le descriptif de ces travaux fait lobjet dun volume classifi et dune cinquantaine de notes techniques produites pendant cette priode industrielle de 5 annes.

13 Introduction

Formation et Recherche lENSICA

Le deuxime mtier est prcisment celui denseignant-chercheur, exerc pendant dix annes lcole Nationale Suprieure dIngnieurs de Constructions Aronautiques. De manire galement duale, les activits fonctionnelles de Mcanique des Structures se sont combines la coordination transverse de lensemble des activits spatiales de ltablissement, incluant les vols habits.

Les problmes dynamiques ont ainsi trouv leur application naturelle dans la scurit des quipages, et la formation structures-lanceurs a conduit logiquement une thmatique de recherche en lien troit avec lamortissement structural, lendommagement et lirrversibilit au sein des assemblages.

La problmatique de leffondrement dynamique, a permis la qualification latterrissage de plusieurs systmes proposs par EADS pour lAgence Spatiale Europenne. Ces tudes, qui se sont tales sur trois ans environ, ont ouvert des perspectives en direction de la rhologie des matriaux amortissants dune part, et de la certification dynamique dautre part selon une approche analytique et des essais lmentaires - qui fournissent dj un ordre de grandeur trs prcieux - pour aller vers le numrique et la qualification globale, dans un deuxime temps seulement. Lensemble de ces dveloppements a occup lENSICA cinq doctorants, cinq stagiaires de DEA, plusieurs tudiants trangers venant raliser leurs projets de fin dtude Recherche dans le cadre des changes Erasmus.

Concernant la rhologie elle-mme, les travaux ont port essentiellement sur la nature des irrversibilits damortissement au sein des solides, et ont finalement dbouch sur les campagnes dessais sous vide de matriaux structuraux lanceurs. En effet, les phnomnes transitoires et vibratoires lors des diffrentes phases de vol sont trs fortement affects par les structures elles-mmes. Les systmes amortissants discrets peuvent crter certains niveaux de chocs, mais la transmission dynamique dans la structure demeure.

Les dveloppements lis la certification dynamique sont orients vers les applications arospatiales. Certaines de ces applications ont ensuite t utilise comme illustration pdagogique. Citons la visualisation les contraintes dynamiques en temps rel (photolastodynamique), la simulation matrielle dun tronon de fuselage en similitude. Les qualifications partir de modles rduits offrent ce titre de nombreuses illustrations, incluant des critres de stabilit statique en flambement, considrs comme un cas particulier de lanalyse dynamique modale. Lapproche modale dune structure prcontrainte inclue en effet lanalyse en flambage, en tant que bifurcation statique. Cest cette approche, combine lirrversibilit, qui a men des analyses transitoires aux tudes vibratoires. La stabilit dynamique intervient deux niveaux : en transitoire, labsorption dnergie est exploite pour la scurit, selon un processus globalement irrversible ; en vibratoire, la dissipation est utilise - ou cre - pour stabiliser les phnomnes divergents.

14 Introduction

Formation et Recherche SUPAERO

La stabilisation dynamique des voilures tournantes pose des problmes dynamiques particuliers, lorigine des thses concernes. Laxe de recherche initi depuis 2003 SUPAERO explore les solutions passives et actives. Les premires recherchent lamortissement structural intrinsque, notamment dans leur domaine non-linaire. Les secondes mettent en uvres les commandes de vol lectriques et lobservation modale qui ouvre des perspectives dans le domaine du diagnostic de lendommagement.

Partant des rsultats acquis lors des essais damortissement intrinsque sous vide et sous Hlium, lapproche passive a conduit plusieurs thses ddies la dissipation non-linaire au sein des structures minces. Plus prcisment, ces dveloppements concernent la structuration des matriaux, par motif (matriaux alvolaires arms) ou par friction de contact. Algbriquement, lirrversibilit ne peut tre traite que par le biais de la puissance visqueuse de Rayleigh. La dissipation relle ntant que trs partiellement linaire, la dissipation modale est donc une dissipation visqueuse quivalente. Lenjeu est ici de proposer un modle analytique de la dissipation qui rende compte des rsultats dessais de composant et qui puisse tre implment numriquement. Essais et modles sont raliss sur des configurations dmonstratives, qui font le lien entre irrversibilit interne damortissement et dendommagement.

Lapproche active est spcifiquement oriente vers la navigabilit des voilures tournantes. Lenjeu concerne dune part la diminution des niveaux vibroacoustiques, et dautre part la certification incluant le contrle actif. La mise au point des contrleurs compensant les instabilits ncessit lobservation dynamique de la structure par points de mesure ; cette approche a naturellement dbouch sur les applications de diagnostic modal structural, appliqu dabord la cellule, puis aux parties tournantes. Les non-linarits ont ici pour origine les dlaminages, dcollements, jeux fonctionnels et drglages, et lanalyse de leurs consquences sur la base modale ouvre des perspectives de dtection en temps rel.

Ces deux approches duales dun mme problme sont lorigine des travaux actuellement en cours, dans loptique des applications lirrversibilit et lendommagement des structures arospatiales. Il en est de mme de la fatigue - et de lendommagement en gnral - qui correspond bel et bien de lirrversibilit entropique, traite elle aussi in fine par quivalence.

15 Introduction

Ch1 Flambage dynamique et choc

Ce chapitre prsente les dveloppements mens en dynamique du flambage au Dpartement Gnie Mcanique de lENSICA. Ces travaux sont fortement lis dune part la certification dynamique des lments minces par la matrise de la dissipation dnergie, et dautre part aux activits spatiales relatives au vol habit. Le fondement en est la thse de F. BENYAHIA [T1] cite p.2, consacre lanalyse thorique, numrique et exprimentale du flambage dynamique. Ce chapitre prsente galement la publication rf. [A2] relative la visualisation dynamique par photolasticit.

1.1 Flambage Dynamique et Transferts dnergie

Problmatique scientifiqueLe problme des poutres minces droites en bifurcation compression - flexion, trait en statique par EULER, nadmet pas de solution analytique gnrale en bifurcation dynamique transitoire, et les modles rationnels sont peu prcis. Certains rsultats ont t obtenus relativement la bifurcation entre flambage local et flambage gnral dune part, et au passage entre dformation lastique et dformation plastique dautre part. Dans le domaine des plaques et coques, la situation est assez similaire. De plus, en ce qui concerne les coques non-dveloppables en particulier, linfluence de discontinuits locales - entures, soudures - est dterminante, mme en statique.

Il tait donc essentiel disoler un problme spcifique pour analyser en dtail la dynamique fortement non-linaire de la bifurcation membrane - hors membrane. Cette tude est doublement exprimentale, parce que fonde avant tout sur des essais dynamiques aussi spcifiques et cibls que possible, et aussi sur une exprimentation numrique autorisant lexamen dun nombre vari de situations. Ces dveloppements constituent en tout tat de cause un prrequis indispensable pour une matrise effective des modlisations de leffondrement dynamique des coques dans les modles de crash.

Contribution scientifique raliseLa configuration retenue considre une plaque en cisaillement rapide entranant un mode de flambage particulirement reprsentatif de la non-linarit recherche. La non-linarit du phnomne est telle que les vitesses requises pour obtenir un phnomne intrinsquement dynamique restent limites, de lordre de 5 10 m/s. La mise au point des essais, leurs rsultats et les recommandations qui ont pu en tre dduites quant aux modlisations ont fait lobjet notamment dune thse et des contributions associes. Celles-ci portent sur les critres de stabilit numrique des modles explicites, savoir :

- les rigidits numriques dinterfaces vitant les interpntrations dlments et les rebonds numriques, et les viscosits numriques amliorant la stabilit du calcul ;

- les critres de taux de distorsion acceptables en cours de calcul dans les lments explicites ;

- la prise en compte de la flche deffort tranchant transverse pour les lments minces, comme cest le cas pour les mthodes dynamiques de perturbation.

Ces dveloppements ont donn lieu a plusieurs contributions scientifiques, et sintgrent dans des publications de dynamique gnrale (ouvrage [O1] cit p.6).

17 Ch.1 : Phnomnes Transitoires

Flambage et Modes Dynamiques

Avant de prsenter ces travaux, il est ncessaire de revenir sur les fondements-mmes de la notion de flambage dynamique. Pour cela, nous ferons appel aux dernires prsentations prsent passes dans la formation. Il faut observer ce sujet que si la formation en cole dIngnieur bnficie de ces avances par un effet direct, les travaux des chercheurs ont t, par un juste retour inverse, facilits par les ncessits de la pdagogie, qui obligent prcisment mettre les dveloppement en bon ordre et contribuent ainsi faire avancer les calculs et essais.

Il faut tout dabord noter que ltude dynamique du flambage est possible analytiquement, et a mme fait rcemment lobjet dune question de lexamen de fin de module structures de SUPAERO, partir des travaux de V. BELLOEIL. On peut cet effet considrer un segment rectiligne OA de poutre droite, prcontraint en traction F sur deux appuis. Lapproche nergtique de RITZ - avec sa rsolution modale - permet de retrouver et dtendre les quations fondamentales des cordes vibrantes. On fait finalement le lien entre lapproche dynamique et la bifurcation statique, dans le cas dun lment complet de poutre constitue dun matriau de masse volumique ! module dYOUNG E et module de glissement G, et section droite homogne daire S, moment quadratique en flexion I et aire cisaille quivalente en effort tranchant ST.

L

O A"(t)V(X;t)X

Y

Z

Selon cette approche perturbe, qui reprend exactement celle quEULER avait initie en statique dans sa toute premire publication sur les mts de navires, on considre la poutre dans une configuration voisine de la configuration de rfrence, et compatible avec les symtries du mode fondamental, qui ramne en fait le problme de la poutre 1D dans le plan un problme de LAGRANGE un seul degr de libert.

Ici simpose une dforme sinusodale, normalise par la flche "(t) au milieu, petite (par rapport L) mais non identiquement nulle :

#

V(X;t ) = f(X)"(t ) avec f (X) = sin($X

L) et "(t) = cos(%t )

Ds lors, lnergie cintique se calcule aisment :

#

2Ecin = !SV2dX =

0

L

& !S"2 sin2 $X

L

'

( )

*

+ , dX =

0

L

& !S"2L

$sin2 udu

0

$

&

Cette nergie est naturellement une forme quadratique en " (drive du paramtre de LAGRANGE):

#

2Ecin =!SL

2"2


Lnergie potentielle deffort normal peut se calculer directement en fonction de lallongement gomtrique explicite le long de la poutre :

!

2Epot N =N2

ESdX =

0

L

"1

ESF +ES#XX( )

2dX

0

L

"

Or celui-ci sexprime partir de la dforme :

!

#XX(X) = 1+ V' (X)( )2$1%

V'(X)( )2

2=

f' (X)( )2

2& car f '(X) pp 1

Ainsi, lnergie potentielle lastique due leffort normal scrit :

!

2Epot N %1

ESF+ ES

&f '(X)( )2

2

'

(

) ) )

*

+

, , ,

2

dX0

L

" %1

ESF F+ ES &f '(X)( )

2'

( )

*

+ , dX

0

L

" =F2L

ES+ F&2 f' (X)( )

2dX

0

L

"

Cette nergie potentielle apparat donc comme une forme quadratique en & avec une constante :

!

2Epot N =F-2

2L&2 +

F2L

ES

La constante, qui est lnergie potentielle initiale de prcontrainte, nintresse pas la stabilit. Ainsi, on peut crire la conservation de lnergie mcanique quadratique :

!

2Emca N quad = 2Ecin quad& + 2Epot N quad& =.SL

2& 2 +

F-2

2L&2 = &2 + /&2 = cons tan te

ce stade, il faut observer que la conservation de cette nergie quivaut lquation

caractristique obtenue par une solution harmonique (

!

& 0cos1t( ) 2 2$12( ) ). Ainsi :

!

2Emca N quad

= 0 2& + /& = 0 2$12 +/ = 0 21 =/

soit : f 0

1

2-

/

Notons que cette conservation permet de rester dans le corps des rels. En effet, le recours la seule drive seconde permet de remplacer lexponentielle (drive de LAPLACE) par la fonction cosinus. Ce recours aux conservations sera systmatis plus loin. Il apparat galement dans notre prsentation du formalisme de LAGRANGE extraite de la rf.[O2] cite page 6.

La particularit de cette prsentation est double :

- la systmatisation des intgrales premires, qui gnralisent celles que lon obtient par les thormes gnraux Newtoniens. Intgrales premires cintiques locales, valables sur un paramtres de LAGRANGE localement Galilen, indpendamment des autres. Intgrale premire de PAINLEV qui traduit en ralit la conservation de lnergie mcanique de HAMILTON, incluant la puissance des dplacements imposs.

- la systmatisation du traitement des liaisons non-holonmes. En effet, le traitement nergtique de ces liaisons permet dignorer les liaisons holonmes, prises en compte implicitement par llimination du nombre correspondant de paramtres. Il autorise du mme coup la prise en compte explicite des composantes de ractions induisant les liaisons non-holonmes.


On peut dlibrment choisir de rendre holonme une liaisons cinmatique, et on simplifie le traitement (perdant alors lexplicitation de sa puissance, et donc se privant de linformation correspondante), ou de rendre supplmentaire non-holonme une liaison gomtrique, autorisant alors le calcul de la composante concerne, au prix dun quation de plus. Cette dmarche dynamique est en tout point similaire aux calculs hyperstatiques par le thorme de MENABREA. Il est donc logique de raliser un calcul dynamique pour retrouver le cas limite de la bifurcation statique lorsque la frquence fondamentale sannule.

La pulsation du mode fondamental, calcule par la mthode de RITZ en dform sinusodale scrit donc :

!

"1 corde Ritz sin #$

=%

L

F

&S

En termes de frquence :

!

f1 corde Ritz sin #"12%

=F

4&SL2

On retrouve la valeur exacte de la frquence de corde vibrante, qui ne dpend pas de lamplitude ', mais seulement de F et des caractristiques massiques de la poutre. Elle tend vers zro lorsque F sannule. On peut prsente calculer lnergie potentielle de dformation en flexion, selon la mme dforme sinusodale de RITZ :

!

2Epot Mz =MZ

2

EIdX = EI'2

0

L

( f' '(X)( )2dX

0

L

( = EI'2% 4

L4sin

2 %X

L

)

* +

,

- . dX

0

L

(

On trouve donc immdiatement une forme quadratique en ' :

!

2Epot Mz =EI% 4

2L3'2

Lnergie potentielle lastique totale permet dtablir directement lexpression de la frquence propre fondamentale de la poutre prcontrainte :

!

f1 poutre N+Mz Ritz sin =

F +%2EI

L2

)

*

+ +

,

-

.

.

4&SL2

Cette expression rejoint naturellement la prcdente lorsque EI tend vers zro (fil), mais on observe galement que la frquence fondamentale tend vers zro lorsque F tend vers la charge critique dEULER, retrouve ainsi dynamiquement :

!

f1 poutre / 0 lorsque F /0 FEuler avec FEuler #%2EI

L21 9.9

EI

L2

La valeur trouve dynamiquement est ici exacte de par le choix de la dforme sinusodale. On peut affiner ce calcul en ajoutant lnergie potentielle deffort tranchant TY :

!

2Epot Ty =TY

2

GS YdX =

E2I2

GSY'2

0

L

( 0f '' '(X)( )2dX

0

L

( =%6

L6

E2I2

GSY'2 cos2 %

X

L

)

* +

,

- . dX

0

L

(


Il vient :

!

2Epot Ty ="6

2

E2I2

GS YL5#2

Lexpression de la frquence fondamentale devient alors :

!

f1 poutre N+Mz+ Ty Ritz sin =

F +"2EI

L2+"4E2I2

GS YL4

$

%

& &

'

(

) )

4*SL2+

F+ FEuler +FEuler

2

GSY

$

%

& & &

'

(

) ) )

4*SL2

Cette expression, qui rejoint naturellement la prcdente lorsque

!

EI

GSYL2

Si !m ou !k nest plus petit devant lunit, alors il faut trouver une fonction de forme pour chaque segment . Le cas extrme, pour lequel !m ou !k tend vers linfini, correspond au blocage (appui) du point central, et donc au calcul du second mode.

Cette dmarche de modlisation plane de poutre peut naturellement stendre des problmes de plaques en flexion invariante selon une direction, mais aussi des coques cylindriques, dont le dveloppement permet de trouver les premiers modes et bifurcation par lobes. Le mode axisymtrique est en effet un mode de membrane, et nest pas le fondamental.

Le premier mode, en frquence comme en flambage, est le mode elliptique prsent ci-dessous.

"

r z

Axe de la coque

cylindrique

-d

+d

B

B

A A

a

#

La dform de RITZ retenue, reprsente sur un quart de circonfrence (compte tenu des symtries du mode elliptique), prsente un double intrt :

- le procd revient en fait dvelopper la coque, en ngligeant les dplacement de membrane par rapport aux dplacements hors-membrane (flexion et effort tranchant transverse) ;

- le calcul des nergies, par intgration, fait apparatre une rptitivit dordre !/4, suprieure la rptitivit mcanique dordre !/2 (quart danneau), de par la prsence du point dinflexion, comme on le constate ci-dessous.

BA

"

V(X) =$d cos 2#( ) = -dcos 2X

a

%

& '

(

) *

"

+ ,-

2a

Ce calcul par la mthode de lnergie permet une approche dcouple membrane-flexion-effort tranchant, et fournit, comme dans le cas de la poutre, la frquence fondamentale en dynamique dans la cas du rservoir pressuris intrieurement, la pressurisation gnrant la prcontrainte, et le critre de bifurcation initiale en statique dans le cas de la pressurisation externe. On peut observer que le calcul perturb par des inerties et raideurs ponctuelles propos sur la poutre prcdente permet ici de traiter les raidisseurs longitudinaux (lisses), qui gnrent des modes multilobes.


La gnralisation de cette approche dynamique modale du flambage est dlicate en ce qui concerne les coques non-dveloppables. On le conoit aisment si on considre le cas de la sphre pressurise. Mme si on na plus les effets de bords que le cylindre de longueur finie rencontre, la nature de la dforme est plus complexe.

On observe en effet une initiation par cloquage vers lintrieur, avec divergence trs rapide.

surpression

extrieure

Ce principe a t appliqu la peau interne de rservoirs sphriques de pressurisation Hlium (400 bars), tudis par les lves ENSICA. Lenveloppe externe, en Carbone/Epoxy bobin, est une structure primaire tenant la pression en tension. La peau interne assure, en revanche, ladquation du volume effectif interne du rservoir avec la quantit dHlium liquide restante. Cest une peau trs mince, pour laquelle le flambage samorce localement trs facilement, ds le dbut de la vidange, et se poursuit jusqu vidage complet, selon le schma ci-dessus. La difficult est ici de reprsenter la rotule plastique opre sur la ligne singulire de pliure. En dfinitive, on peut schmatiser ce flambage et post-flambage trs particuliers par des gomtries en calottes sphriques, la gomtrie finale se rsumant deux demi-sphres embotes, dont lune a t inverse.

Flambage Dynamique de Panneaux Cisaills

Cette interaction trs forte entre flambage local et global est prcisment lun des lments essentiels propres au flambage dynamique, et qui rend sa description analytique quasi-impossible. Suivant les vitesses dimpact, il se produit en effet des flambages locaux qui peuvent devenir prdominants.

Choc avecFlambage Dynamique

en dforme globaleChoc avecFlambage Dynamique

en dforme locale

La thorie de bifurcation partir du domaine linaire perturb est trs insuffisante pour dcrire le phnomne, qui inclut des aspects de plastification locale.


Cette difficult se retrouve lorsquon considre une poutre impactante, charge sous sa propre inertie. Pour parvenir isoler une configuration rptitive propre au flambage dynamique, il fallait donc avoir recours au cisaillement. En effet, la diagonale tendue impose un mode de flambage bilob, dont la modlisation est intressante. En outre, cest une sollicitation typique dun longeron lors dune manuvre brusque.

Le montage mis en uvre impose un choc diagonal appliqu coins articuls et bords rigides, imposant un brusque cisaillement au spcimen (plaque carre) quil recle.

Bti

Cadrearticul

Impacteur

Plaque(specimen)

Le montage exprimental a t ralis au Dpartement Gnie Mcanique de lENSICA, et autorise le flambage de plaques de 200 mm de ct. Lessai par gravit permet datteindre une vitesse dimpact de 7 m/s, mais un dispositif lastique permet daccrotre la vitesse de limpacteur jusqu 10 m/s. La plaque est instrumente par des acclromtres, et filme par camra rapide (1000 images/s), un quadrillage ayant t trac pralablement sa surface. Les essais sont entirement simuls, en parallle, sur code explicite LS-Dyna.

Cette approche initie au cours dun DEA a permis de dterminer un double objectif initial aux dveloppements raliss au cours de la thse de F. BENYAHIA, objectif prenant en compte les contrats industriels associs :

- Valider les algorithmes explicites par confrontation calcul / essais sur le cas lmentaire, extrme et reprsentatif que constitue le flambage dynamique ;

- Qualifier les vhicules de rentre europens lamerrissage et latterrissage, pour Aerospatiale, le CNES, lESA, par applications des algorithmes numriques et essais diverses chelles.

En effet, la publication des premiers rsultats sur le flambage dynamique a attir lattention des dveloppeurs de lAtmospheric Reentry Demonstrator, ce qui a permis dinitier une srie de cooprations impliquant non-seulement le doctorant, mais aussi les lves-ingnieurs (projets de deuxime anne et projets de fin dtude) et le dpartement Gnie Mcanique de lENSICA a niveau de son personnel scientifique et technique.

Lenjeu est ici la certification des quipements au choc de type crash, par essais physiques et numriques, et la validation de la similitude de FROUDE pour ce type de problme. La solution numrique et modle rduit est en effet fondamentale en la matire, compte tenu du cot trs lev des essais dynamiques en vraie grandeur.

En ce qui concerne le flambage dynamique lui-mme, plusieurs campagnes dessais et de calcul ont t menes, et ont donn lieu des contributions. Les spcimens tudis sont tous des lments minces dpaisseur 1mm, raliss en alliage lger 2024 ou en composite Carbone/Epoxy T300/914 en drapage quasi isotrope. Il faut toutefois noter que dans cette dernire configuration, le flambage ne restitue pas lisotropie, puisque la rigidit en flexion et en effort tranchant transverse ne peut tre homogne, mme dans le cas dun drapage quilibr.


Les contributions essentielles concernent les prcautions mcaniques et numriques recommandes pour modliser ces configurations fortement non-linaires en dynamique rapide :

- Il est ncessaire de prendre explicitement en compte la flche deffort tranchant ; les lments de coques cisaillement transverse rparti paraboliquement (de type MINDLIN-REISSNER) donnent d'excellents rsultats ; il nest pas ncessaire de recourir des lments volumiques ;

- le pas de temps est usuellement choisi en fonction de la dimension du plus petit lment (divise par la clrit du son dans le matriau) ; ce choix est conservatif, sur des structures rgulires et mailles selon les rgles de lart, et sans lments triangulaires ( bannir) ;

- on vite l'"effet hourglass" (distorsion excessive de l'lment induisant des instabilits numrique) si l'nergie de dformation de l'lment varie de moins de 10% chaque pas ;

- la gestion des contacts se fait par des ressorts numriques locaux unilatraux ; la rigidit retenue ne doit pas tre trop leve, afin dviter des effets de rebond engendrant des divergences numriques locales ; une viscance numrique peut aider la convergence.

Les codes explicites mettent en uvre une modlisation triplement non-linaire : par le comportement des matriaux, par la gomtrie volutive ractualise, et par la topologie de la structure.

Matriaux

volutifs

Gomtrie

volutive

Topologie

volutive

!, !

", "

Le dveloppement de ces codes a t initi par John HALLQUIST, qui dirige actuellement la Livermore Software Technology Corporation, en pointe dans ce secteur depuis 15 ans. Il est venu en personne loccasion de linstallation du logiciel lENSICA, ce qui a donn lieu une prsentation rciproque des travaux. Lalgorithme explicite fondamental peut-tre rsum par le diagramme ci-dessous, dans lequel lvolution des acclrations discrtises pilote la reprsentation du systme.

t

#

$ t+dt

Acclrations Nodales t

Vitesses Nodales : Vt+dt

#

$ Vt + acct . dt

Charges Nodales : Ft+dt

#

$ Ft + Kt+dt .Vt+dt . dt

Dynamique Nodale : acct+dt

#

$ Ft+dt / Mt+dt


1.2 Qualification des structures lamerrissage

Problmatique scientifique

Lamerrissage des structures des vitesses verticales de lordre de 10 m/s a donn lieu principalement des dveloppements exprimentaux, dont la rfrence demeure la configuration Apollo. Lanalyse dynamique est essentiellement dimensionnelle, les techniques de modlisation numrique explicite ntant pas oprationnelles dans les annes soixante-dix. Les deux points durs sont ici dune part la dformabilit de la structure impactante, et dautre part linterface fluide structure en transitoire. Sur le premier point, le problme est souvent rsolu en considrant une structures indformable, ce qui peut tre admissible pour de petits modles, pais devient tout fait inexact pour des structures de grandes tailles. Quant linterface fluide-structure, une analyse de compressibilit peut suffire un prdimensionnement, mais ne peut assurer une modlisation complte.

La mise au point dune cabine Europenne oprationnelle ncessite en particulier la qualification non-seulement du processus damerrissage mais aussi de sa modlisation numrique robuste, afin de garantir les niveaux de chocs des quipements embarqus. En effet, les parties des systmes de propulsion contenant de lhydrazine rsiduel constituent un lment sensible dans les versions automatiques, les astronautes tant eux-mmes un systme sensible au choc dans les versions habites. Lobjectif est donc clairement dfini en termes de fiabilit de prdiction des niveaux de chocs lors de larrive du vhicule en mer.

Contribution scientifique ralise

Au cours de plusieurs campagnes dessais, les quipes du Dpartement Gnie Mcanique de lENSICA ont acquis une exprience significative relative la similitude de FROUDE applique aux essais de pntration des structures dans leau. Les modles numriques explicites ont galement t utiliss pour modliser ces essais, conduisant notamment des recommandations et rsultats que lon peut rsumer comme suit :

- modlisation explicite de la coque du vhicule impactant leau par des lments de coques minces mais complets, selon les recommandations relatives au flambage dynamique ;

- modlisation du fluide par des lments volumiques compressibles, selon une loi de compressibilit empirique ;

- prise en compte explicite de la gravit ;

- ajout de rigidits dinterfaces pour viter les rebonds numriques fluide-solide.

Ces contributions concernant les essais et calculs dynamiques explicites appliqus lamerrissage des spationefs ont t communiques notamment dans le cadre de lEuropean Dyna Conference on Explicit Dynamics et de lEuropean Conference on Launcher Technology ([B1] et [B6], cites p.6). Lessai en vraie grandeur a fait lobjet dun contrat de recherche avec lAgence Spatiale Europenne, dont les rsultats ont t communiqus lAgence.


Mthodes de Calcul et dEssais

Lamerrissage a fait lobjet de plusieurs dveloppements de recherche industrielle consacre la qualification dynamique de lAtmospheric Reentry Demonstrator (ARD), cabine de dmonstration europeenne de 2.5t lance et rcupre avec succs lors du troisime vol Ariane 5. Nous avons propos et dvelopp plusieurs approches en parallle, pour rpondre aux besoins de l'ESA, du CNES et d'Aerospatiale, concernant la validation des concepts retenus pour l'amerrissage de l'ARD lors de son vol comme passager d'AR 503. Il s'agissait, en effet, de modliser ce phnomne brusque et non-linaire (cahotique par certains aspects...) avec une fiabilit et une prcision suffisantes pour garantir la scurit des quipements embarqus.

Cette qualification a donn lieu un projet de deuxime anne ENSICA ddi aux essais dune maquette rsine lchelle 1/12, un Projet de Fin dtudes ddi aux essais dune maquette mtallique lchelle 1/4 raliss avec Aerospatiale, assortis des calculs explicites raliss lENSICA, et dun contrat de recherche ESA/ENSICA consacr aux essais structuraux damerrissage en, vraie grandeur ( lchelle 0.89 exactement).

Cette campagne dessais FSST (Full Scale Splashdown Test) a mobilis tout le Dpartement Gnie Mcanique de lENSICA, et a donn lieu une vingtaine de lchers sous grue dans le lac de Mauzac, avec des vitesses dimpact variables couvrant les cas fail safe de rupture de lun des trois parachutes. Les essais ont donn lieu des comparaisons avec les modles LS-Dyna complets, fonds sur lexprience acquise grce au flambage dynamique. La modlisation de l'eau posait un problme particulier, tant donn la brutalit du phnomne. Une loi compressible de type GRUNHEISEN, applique des lments volumiques hxadriques, s'est rvle la mieux adapte.

Les calculs ont tout d'abord t recals petite chelle, par les essais au douzime conus et raliss par trois lves de deuxime anne, et au quart, mens par deux lves de troisime anne en coopration avec Aerospatiale Espace et Dfense (architecte industriel de l'ARD). Les maquettes ont t largues dans le bassin du CEAT (Hers), et ont permis de tester un grand nombre de configurations, faisant varier l'assiette, la vitesse verticale et la vitesse horizontale (une vingtaine de cas de figure...). Une telle exploration, un tel plan d'exprience, n'tait possible que sur de petites maquettes, et s'est rvle extrmement fructueuse pour valider les calculs (effectus l'chelle et en vraie grandeur). De plus, la matrise des phnomnes rapides en similitude de FROUDE est un point essentiel, qui peut se rvler utile pour la suite des programmes de vols habits, voire pour l'amerrissage des aronefs. Il tait donc essentiel de procder ces expriences.

Nanmoins, la rapidit et la non-linarit des phnomnes, la rhologie particulire de l'eau dans de telles conditions, le comportement dynamique de structures minces en pr-flambement et aussi la difficult de modliser correctement l'interface fluide-structure nous ont fortement incit raliser un essai en vraie grandeur (ou une chelle proche de 1), afin d'obtenir un point de recalage "haut", au moins pour les configurations les plus significatives.


Essais dAmerrissage en Vraie Grandeur

Les objectifs de l'essai ARD-FSST

Les objectifs de l'essai ARD-FSST peuvent ainsi tre rsums comme suit : obtenir, cot trs rduit et en quelques mois, d'une part une valeur fiable du pic de charge linstant de limpact vertical sous 3 ou 2 parachutes et sous assiette variable et d'autre part des mesures de rpartition dacclrations et de pression, pour mieux comprendre le phnomne dynamique rapide, en vue daffiner les modles numriques utiles pour des qualifications ultrieures.

Cette campagne a permis de qualifier lamerrissage de lARD, et a donn lieu une revue de fin de qualification le 15 Septembre 1995 lENSICA. Les principales conclusions en ont ensuite t publies Montral en Mai 1997 (rf.[R4] cite p.8).

Les mesures ralises pendant les amerrissages concernaient dune part lvolution temporelle des pressions sur le bouclier (capteurs placs sur la face interne, communicant avec lextrieur par un orifice spcialement amnag pour lessai), et dautre part des mesures dacclrations places sur des lments de structure supportant les systmes. Il a ainsi t possible de vrifier la fois les niveaux dynamiques et leur prdictivit, notamment en ce qui concerne les supports de systmes hydrazine, lis au contrle dattitude en roulis pendant la rentre, et qui sont particulirement critiques de par leur toxicit potentielle en cas de rupture lamerrissage.

Il faut observer que la ralisation et la mise en uvre du spcimen dynamiquement quivalent a constitu en soi un projet intressant. Elle a t mene avec laide dun appel scientifique particulirement motiv, Jrome MARTIN, Ingnieur SUPAERO. Nous avons dessin cet usage une structure en acier (alors que loriginal est en alliage lger) une chelle proche de lunit, quivalente inertiellement et dynamiquement selon les premiers modes propres. Cette coque et sa structure interne a pu tre ensuite ralise en sous-

traitance pour une somme de lordre de 100 kF (15 k!).

Afin de conserver l'quivalence dynamique au moindre cot, nous avons opt pour une structure membranaire en acier, soude et boulonne. La non-dveloppabilit de la plupart des lments structuraux de l'ARD entrane en effet une rigidit dominante en membrane, et par ailleurs, les rigidits spcifiques (rapports entre module lastique et masse volumique) de l'acier et des alliages lgers utiliss sur l'ARD rel sont voisins. La gomtrie globale tant conserve, une analyse par lments finis a confirm que les premiers modes vibratoires de la structure porteuse, du bouclier et du bti porte-quipements sont reprsents quelques pour cents prs. Ces frquences ont par ailleurs t mesures lors des pr-tests, et recoupent les valeurs de calcul avec une trs bonne prcision.

Nous avons donc propos une maquette structurale simple, de masse et inerties ajustes sur l'ARD rel (le centrage tant respect quelques millimtres), dont la structure est schmatiquement dcrite figure 2. Les rpartitions de masses dissymtriques ont t simules par des surpaisseurs ou des lests massifs.

Le droulement de l'essai ARD-FSST

Une quipe ENSICA (dix sept personnes en tout) a dfini l'instrumentation, les squences et la logistique de l'essai. En accord avec la philosophie gnrale de cot minimal, nous avons adopt une instrumentation limite, suffisante pour rpondre la spcification de l'essai : fournir les grandeurs physiques ncessaires pour recaler les modles numriques globaux. On cherche donc obtenir les rpartitions d'acclrations aux "points cls" de la structure, et aussi quelques mesures de pression sur le bouclier, afin de dtecter la dynamique de l'eau (ondes de choc et vagues, notamment).

Finalement, la capsule a t quipe d'acclromtres permettant de dtecter les volutions de taux de roulis, tangage et lacet, en plus des translations globales du bouclier et des quipements par rapport au centre de masse. Deux capteurs de pression on galement t placs sur le bouclier.


Les largages ont t films par une camra vido rapide (500 images/sec) et plusieurs camras vidos standard. Une partie des capteurs a t fournie par le CEAT. Lors de la campagne d'essais en bord de lac, un petit laboratoire de campagne a ainsi t amen sur place, abritant les systmes ENSICA d'acquisition, de pr-traitement et d'enregistrement des donnes. Les 25 largages sous grue ont permis d'explorer les vitesses verticales de 7 10,5 m/s, et des assiettes de 0 30.

La vitesse verticale est obtenue par chute simple de hauteurs dfinies, par largage sous crochet lectrique. Pour cet essai en vraie grandeur, nous avons renonc superposer la vitesse horizontale (due au vent, sous parachute), d'une part parce qu'un tel essai et t bien plus coteux, et d'autre part, parce que les calculs et essais petite chelle ont montr un certain dcouplage des phnomnes dans les premiers instants de l'impact. En effet, la vitesse horizontale entrane un effet de "surf" et de basculement de la capsule, qui n'affecte que peu les pics d'acclration initiaux qui nous intressent. En revanche, elle influe considrablement (avec la houle) le comportement ultrieur de la cabine, lorsque l'essentiel de l'impact est amorti.

Les rsultats de l'essai ARD-FSST

Schmatiquement, on observe qu'il existe deux modes distincts d'immersion dynamique :

- sous assiette faible (de l'ordre de la dizaine de degrs), l'amerrissage s'apparente plutt un tamponnement de l'eau ; le phnomne est assez brutal : pic d'une trentaine de G, trs bref (quelques millisecondes). L'eau se trouve projete horizontalement trs grande vitesse, provoquant une onde concentrique rapide.

- sous assiette importante (de l'ordre de la trentaine de degrs), la cabine pntre dans l'eau par le coin, faisant subir aux quipements des acclrations moins violentes : pic d'une dizaine de G tal sur quelques centimes de seconde. L'eau est comprime et carte plus progressivement, provoquant une vague asymtrique. Ce mode d'amerrissage est moins fortement non-linaire que le tamponnement.

Ces deux modes correspondent respectivement un plongeon " plat, sur le ventre", et un plongeon correct. Ces rsultats confirment le choix d'une assiette 25 pour le vol rel ARD. Un impact plat aurait ncessit des prcautions supplmentaires, qui ont conduit par exemple les concepteurs du Mercury le munir d'un airbag.

Quantitativement, les rsultats de l'essai en vraie grandeur recoupent ceux des essais petite chelle avec une cart infrieur 10%, et les calculs numriques non recals avec un cart infrieur 15%, tant pour le comportement structural dynamique lors de l'impact que pour les rpartitions de pression. Par ailleurs, il faut observer que les niveaux d'acclration enregistrs sont un peu moins svres que les valeurs Apollo, car d'une part la vitesse est lgrement plus faible, et d'autre part la densit de l'ARD est suprieure (ce qui se retrouve d'ailleurs au niveau de la ligne de flottaison) ; autrement dit, son rapport masse/surface est plus favorable la pntration dans l'eau.


On peut donc retenir que ces essais, associs aux calculs et autres campagnes d'essai dj menes, garantissent la scurit des quipements embarqus. Mais nous avons galement valu le "dommage physiologique" subi l'amerrissage par des spationautes que l'on supposerait embarqus dans l'ARD. Nous avons pour cela calcul le DRI (Dynamic Response Index) du choc subi l'amerrissage.

acclration cabine

(signal temporel dentre)

suspension

(colonne vertbrale)

systme sensible

(rachis)

Modle lastique colonne / systme nerveux (sur les 3 axes astronaute)

Cet indicateur, mis au point dans le cadre du programme Herms, caractrise la svrit d'une sollicitation dynamique vis vis du systme neurologique. Il est fond sur une modlisation masse/ressort/amortisseur reprsentant, dans les axes lis au spationaute, la masse neuro-crbrale suspendue dans l'organisme. Les rigidits et amortissements selon les trois axes ont t dfinis en fonction de normes ESA/CNES. L'intgration est effectue numriquement sur Matlab, en introduisant les acclrations mesures au centre de masse de la structure, dans les cas dgrads (un parachute en torche). Les niveaux de DRI calculs sont trs significativement infrieurs aux niveaux Apollo dans le cas de l'amerrissage "en coin" (assiette de 25), et rejoignent ces niveaux, en ordre de grandeurs, pour l'amerrissage plat. Le DRI Apollo se situait environ 50% de la valeur critique. L'ARD "habit" apparat donc assez confortable l'amerrissage.


1.3 Atterrissage et Survivabilit Dynamique

Problmatique scientifique

La ralisation dun vhicule de sauvegarde envisage par lAgence Spatiale Europenne suite au programme ARD a conduit tudier le retour sur terre sans rtrofuse, prcisment par dformabilit des structures : flambage dynamique et absorption dnergie. Les dveloppements prcdents ont contribu placer lENSICA parmi les partenaires privilgis de ce programme. Lobjectif est ici de valider la faisabilit dun atterrissage sous parachute et de dvelopper une expertise relative la survivabilit physiologique au choc de ce type dhabitacle.

Il ny a pas de prcdent pour la ralisation et modlisation de la cabine, puisque le module Apollo nest pas conu pour atterrir, et que le Soyuz est assist dune rtrofuse. Nanmoins, la conception des siges de ces deux programmes constituent un tat de lart en la matire, en ce qui concerne ladaptation physiologique au choc.

Contribution scientifique ralise

Dans le domaine des structures dformables, les essais datterrissage sont trs complexes raliser. Les niveaux dacclration aux interfaces des siges astronautes ont donc t directement mesurs sur des simulations numriques.

Ces profils temporels ont ensuite t exploits pour raliser des simulation et des essais dun concept de sige suspendu, propre autoriser latterrissage. Il en rsulte une premire valuation de la svrit physiologique latterrissage.

Ces travaux ont dbouch sur des applications lies la qualification des systmes habits, et notamment sur des dveloppements avec calculs et essais plusieurs chelles (y compris en vraie grandeur) de filets de scurit. La contribution consiste ici en la fourniture dun modle fiable pour ce type de structure, qui permet effectivement une qualification par le calcul. Les recommandations qui en rsultent font lobjet dune publication internationale ([A6] cit p.5).

Qualification Structurale lAtterrissage

Compte tenu de leur signification en termes de tolrance dynamique transitoire, les tudes menes sur lAtmospheric Reentry Demonstrator ont conduit, ds lanne suivante, une contribution de lENSICA la conception de la version pilote du vhicule, dveloppe alors par Aerospatiale sous lappellation Crew Transfer Vehicle (CTV), plus haute que lARD et munie dun compartiment pressuris. Une tude post-doctorale a permis, partir des calculs initis sur lARD, la qualification par calcul explicite du concept datterrissage passif sur sol de type sable, ce qui reprsente en soi un progrs par rapport aux solutions adoptes sur les cabines classiques.


En effet, les cabines Russes ne peuvent atterrir quavec leffet de sol provoqu par une rtrofuse, ou en jectant lquipage (sige jectable utilis en solution nominale sur les premiers Vostok). Quant aux cabines Amricaines, elles ne sont pas conues pour atterrir, lamerrissage offrant une solution satisfaisante (avec airbag pour les cabines Mercury).

Sige Astronaute et Interface Homme-Machine

En parallle avec ltude structurale de latterrissage, il est apparu ncessaire de mener un calcul dynamique relatif aux interfaces homme-systme. En effet, nous avons constat, au centre dentranement Yuri GAGARIN, que le sige Soyuz intgre, malgr la rtrofuse, un systme amortissant course importante.

Plusieurs quipes dtudiants ont particip des projets relatifs au dimensionnement dynamique du sige astronaute adapt au CTV, et de ses interfaces. Le dfi est ici de valider le concept datterrissage passif dune cabine sans rtrofuse.

Une premire quipe a tout dabord conu et fait raliser le sige lui-mme, dans le cadre dun projet de Fin dtudes en coopration avec Aerospatiale Espace&Dfense. Il sagit dune coque ergonomique en acier maintenant lastronaute en position semi-allonge. Un modle lments finis du sige a t ralis pour vrifier son dimensionnement statique en stabilit.

Une deuxime quipe, dans le cadre dun projet interne ENSICA, sest ensuite charge de concevoir, dimensionner et raliser les interfaces et amortisseurs du sige. Il sagit de cylindres crasables, le matriau retenu tant un matriau alvolaire 3D ; ralis par la socit ATECA selon des procds spcifiques dlaboration des billes (bulles) et dempilement compact, ces matriaux sont habituellement utiliss en acoustique, pour attnuer la rverbration entre peaux dune cloison.


Les tudiants ont eu lide dexploiter les capacits dcrasement irrversible (par rupture des coques sphriques de chaque bille), et se sont entours des conseils de Bernard COMET, le mdecin des astronautes ( gauche sur la photo page prcdente, en compagnie de Charles PRECOURT, alors Directeur du Bureau des Astronautes NASA, lors de la prsentation du matriau).

Leffondrement provoqu par la rupture des bulles dtermine un amortissement trs progressif, et autorise une variation de longueur des amortisseurs de lordre de 90%, alors que la solution classique nids-dabeille (amortisseurs placs sur les pieds du Module Lunaire Apollo par exemple) limite cette course 50%, par saturation gomtrique de lespace cylindrique.

Bloc de Nida crasable

Matriau Bull Destructible

Le systme a ensuite t test par une troisime quipe, en coopration avec Aerospatiale Espace et Dfense et le Centre dEssais Aronautiques de Toulouse. Les tudiants ont dfini la suspension et le bti, quils ont fait raliser sur le chariot dessai au crash du CEAT. Les pentes dacclration testes ont t dfinies par les niveaux acclromtriques observs sur le modle numrique dans les cas datterrissage sur terrain sec (sable de Fontainebleau, dont la rhologie est connue).

Les rampes dacclration sont ralises matriellement laide de barres en acier doux, freinant le chariot et travaillant en flexion plastique (par rotules plastiques imposes par des poulies).


Le disposition en srie tablit la chronologie de freinage, et leur combinaison en parallle fixe les niveaux daccclration.

tT1

Acclration

Am

T2

Le mannequin instrument figurant lastronaute a permis dobtenir des donnes dynamiques utiles, relatives la faisabilit dun atterrissage dune cabine sous grappe de parachutes classiques, sans rtrofuse. Les principales conclusions en ont t publies Amsterdam, lors du Congrs Mondial dAstronautique (voir rf.[C2] cite p.7).

Le niveau de choc physiologique subi par lastronaute est trs sensiblement suprieur celui que lon obtiendrait lors dun amerrissage. En particulier, il apparat quen labsence de rtrofuse, la suspension du sige sous matriau crasable est indispensable pour ne pas atteindre les niveaux critiques dendommagement physiologiques du systme cphalo-rachidien, et ce malgr la prsence, lors des essais, dun systme polymre de moulage du corps de lastronaute sur le sige. Ce systme, propos et mis en place par B. COMET, autorise un lger crtage des niveaux de chocs, et amliore la rpartition des contraintes dynamiques, ce qui a dtermin son utilisation par les Services dAide Mdicale Urgente pour le transport des blesss, lors des rapatriements en hlicoptre par exemple.

Ces essais et calculs lis la survivabilit au choc latterrissage ont induit de nombreux travaux de recherche et dveloppement au sein du Dpartement Gnie Mcanique de lENSICA. Les applications les plus directes concernent la conce

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