Deployment of a Neo-Hookean membrane: experimental and numerical analysis

The aim of this research is to assess the response of a thin membrane subjected to high-pressure gas loading for inflation. This procedure is applied during the design process of the membrane structure to allow the product to resist high-pressure loading and to further characterize the hyper-elastic material. The simulation in this work considers the standard procedures used in the LS-DYNA software, which applies such assumptions as a uniform airbag pressure and temperature in addition to a more recently developed procedure that takes into account the fluid-structure interaction between the inflation gas source and the hyper-elastic membrane; this approach is referred to as the Arbitrary Lagrangian Eulerian (ALE) formulation. Until recently, to simulate the inflation of the hyperelastic membrane, a uniform pressure based on a thermodynamic model or experimental test has been applied to the structure as the boundary conditions. To conserve CPU time, this work combines both methods; the fluid structure coupling method is used at an earlier stage in which the fluid is modeled using full hydrodynamic equations, and at the later stage, the uniform pressure procedure is applied, and the fluid mesh and analysis are removed from the computation. Both simulations were compared to test data, indicating satisfactory correlation with the more recently developed procedure, the ALE theory, which showed the greatest accuracy both in terms of graphical and schematic comparison, particularly in the early stages of the inflation process. As a result, the new simulation procedure model can be applied to research on the effects of design changes in the new membrane

Simulation numérique des problèmes de rayonnement acoustique par la méthode des éléments finis de frontière

La BEM est l'une des méthodes les plus utilisées dans la simulation des problèmes acoustiques. La BEM variationnelle est caractérisée par une double intégrale surfacique ce qui rend le calcul des composantes du système linéaire extrêmement coûteux. Dans cette article, nous utilisons une décomposition de domaines afin d'optimiser le temps de calcul du système linéaire par une interpolation des interactions faibles des sous-domaines suffisamment éloignés

Modélisation de l'effet d'un gaz réel sur le soufflage libre d'une structure viscoélastique

Dans cet article nous nous intéressons à la modélisation et à la simulation par la MEF du comportement viscoélastique, en soufflage libre, d'une membrane thermoplastique mince, isotrope et incompressible. Le modèle de comportement intégral viscoélastique de Lodge est considéré. Pour la phase de soufflage, nous considérons une charge en débit d'air non linéaire et la pression est déduite de l'équation d'état des gaz de van Der Walls. Ensuite, nous avons étudié l'influence de la loi de comportement de Lodge sur la distribution des épaisseurs et des contraintes au sein d'une membrane thermoplastique circulaire pour six différents matériau

Simulation numérique en vibroacoustique et en interaction fluide structure

La prédiction et l'analyse, dès la conception, du comportement vibratoire engendré par un système vibrant permettent de réduire et de contrôler les nuisances sonores et les vibrations de la structure avant de procéder à la fabrication du produit fini. Afin de réduire les coûts de conception, les recherches se focalisent, à l'heure actuelle, vers des méthodes numériques de prédiction de ces phénomènes vibroacoustiques. Dans ce travail, nous nous intéressons à la simulation numérique des problèmes d'acoustique pur et de couplage vibroacoustique faible ou fort en utilisant la méthode des éléments finis (MEF) et la méthode des éléments finis de surface (Boundary Element Method BEM) couplées ou non. La structure est simulée par la MEF. Le couplage avec la cavité est modélisé, dans un premier temps, par une approche modale. La méthode proposée repose, d'une part, sur une correction pseudo-statique pour la structure et la cavité et d'autre part, sur le calcul des modes couplés issus d'un système symétrique. Cette méthode améliore la convergence de la méthode modale tout en réduisant d'une manière sensible le temps de calcul. Par ailleurs, l'interpolation quadratique des matrices d'influence en BEM a permis un gain considérable en temps de calcul. Afin de contourner le problème de singularité en BEM, nous avons étendu le traitement des singularités des quadrilatères aux triangles. Finalement, nous avons validé un couplage faible entre un code explicite en éléments finis et la BEM. Ceci nous permettra, par la suite, de traiter des cas réels et complexesLILLE1-BU (590092102) / SudocSudocFranceF

Simulation numérique en interaction fluide structure (application aux problèmes vibroacoustiques)

Dans beaucoup de cas les nuisances sonores auxquelles nous sommes quotidiennement exposés sont dues à la vibration d'une structure (machine industrielle, véhicule, appareil ménager ). Néanmoins, tous les bruits que nous percevons ne sont pas forcément dûs à la vibration d'une structure, par exemple, les bruits aérodynamiques, les bruits de turbine ou les bruits de jet La recherche en vibroacoustique est étroitement liée avec des applications industrielles, car l'industrie a besoin des nouveaux outils numériques, développés dans les centres de recherche, pour concevoir de nouveaux produits silencieux. En effet, les démarches purement expérimentales sont en général longues, compliquées et coûteuses, elles peuvent être, de plus, très peu efficaces. Puisque l'objectif ultime est la conception d'une structure qui permet de réduire le bruit pour un très bon confort acoustique, les simulations numériques peuvent être incluses dans l'optimisation de la conception avec des techniques de conception optimales de forme et l'optimisation des matériaux. Une fois les simulations validées par les résultats expérimentaux, elles peuvent être utilisées comme outil de conception pour l'amélioration de la structure du système concerné. L'objectif principal de mon travail de thèse est le développement des outils de prédiction numériques permettant la réduction des nuisances sonores dues à la vibration des structures. Pour ce faire, des formulations théoriques originales ont été formulées, puis implantées afin de favoriser la conception de produits silencieux. D'une manière plus spécifique, deux parties vont être traitées : La première partie aborde le problème bien connu des fréquences irrégulières de la méthode des éléments finis de frontière, la BEM, pour le rayonnement acoustique dans un domaine extérieur. Dans la deuxième partie de cette thèse la formulation de la méthode multipôlaire rapide FMM couplée à la BEM, ainsi que sa mise en œuvre et validation ont été effectuées afin de repousser les limites de la BEM en terme de temps de calcul ainsi que de mémoire.In many cases the noise which we are daily exposed are due to the vibration of a structure (industrial machinery, vehicle, appliance...). Nevertheless, all the sounds we perceive are not necessarily due to the vibration of a structure, for example, wind noise, the sounds of turbine or jet noise...The vibroacoustic research is closely linked with industrial applications because the industry needs new numerical tools, developed in research centers to develop new silent products. Indeed, purely experimental approaches are generally lengthy, complicated and expensive they can be, again, very inefficient. Since the ultimate objective is to design a structure that reduces noise for a good acoustic comfort, numerical simulations can be included in the design optimization techniques to design optimum shape and optimizationmaterials. Once the simulations validated by experimental results, it can be used as a design tool for improving the structure of the affected system. The main aim of my thesis is the development of numerical predictive tools for the noise reduction due to the vibrationof structures. To do this, the original theoretical formulations have been developed and implemented to encourage the design of silent products. In a more specific way, both parties will be addressed : the first part addreeses the familiarproblem of irregular frequencies of the finite element boundary, the BEM for acoustic radiation in an external field. In the second part of this thesis the formulation of the fast multipole method FMM coupled with BEM, as well asits implementation and validation were carried out to push the boundaries of the BEM in terms of computation time and memory.LILLE1-Bib. Electronique (590099901) / SudocSudocFranceF

Interaction Fluide-Structure pour les problèmes de dynamique rapide

National audienceLa dynamique rapide regroupe des phénomènes physiques en grande déformation de courte durée impliquant généralement un fluide et une structure. Le crash, le développement d’un airbag, le tossage d’un navire sont autant d’exemples d’interaction fluide-structure spectaculaires de l’ordre de quelques millisecondes. La simulation numérique a beaucoup apporté à la compréhension de ces phénomènes physiques. Cependant la complexité des simulations numériques actuelles, en dynamique rapide, conduit encore à des problèmes liés au temps de calcul et implicitement aux maillages utilisés pour décrire les géométries. Les grandes déformations impliquent un traitement spécial du maillage. Certaines approches s’affranchissent de la connectivité comme la méthode SPH. D’autres remaillent le domaine de calcul. Ici nous nous intéresserons à la formulation ALE (Arbitrary Lagrange Euler) et, à titre d’illustration, nous l’appliquerons à l’impact hydrodynamique d’un dièdre

Fluid Structure Interaction for Hydraulic Problems

Fluid Structure interaction plays an important role in engineering applications. Physical phenomena such as flow induced vibration in nuclear industry, fuel sloshing tank in automotive industry or rotor stator interaction in turbo machinery, can lead to structure deformation and sometimes to failure. In order to solve fluid structure interaction problems, the majority of numerical tests consists in using two different codes to separately solve pressure of the fluid and structural displacements. In this paper, a unique code with an ALE formulation approach is used to implicitly calculate the pressure of an incompressible fluid applied to the structure. The development of the ALE method as well as the coupling in a computational structural dynamic code, allows to solve more large industrial problems related to fluid structure coupling

Interaction fluide-structure (application aux explosions sous-marines en champ proche)

En construction navale militaire, les navires sont conçus pour résister à des menaces conventionnelles comme les mines ou les torpilles. Ces conceptions s appuient sur des calculs aux explosions sous-marines lointaines qui sont bien maîtrisées aujourd hui. Depuis la Seconde Guerre Mondiale, cette thématique a en effet bénéficié d importants travaux de recherche. Ceux-ci ont abouti à des méthodes numériques robustes qui permettent de simuler l essentiel des phénomènes caractérisant ces événements. Ces méthodes, utilisées en ingénierie, s appuient cependant sur des hypothèses restrictives qui limitent leur champ d application. Elles sont discriminantes si l on souhaite simuler les explosions sous-marines en champ proche, caractérisées par des phénomènes fortement non-linéaires. Dans ce cadre, on adapte la méthode éléments finis Euler-Lagrange Multi-Matériaux avec Couplage Euler-lagrange, pour simuler ces problèmes. Les évolutions présentées dans la thèse s articulent autour de deux points. (1) La méthode est développée en deux dimensions pour résoudre les problèmes 2D axisymétriques avec une rapidité et une précision accrues par rapport aux simulations 3D. (2) La projection des résultats 2D sur des grilles de calculs différentes 2D ou 3D est implémentée. Cette technique de projection permet de résoudre le problème complet par des phases successives dont la physique se situe sur des échelles de temps et d espace très différentes, et qui nécessitent des maillages adaptés. Les développements effectués sont finalement intégrés dans le code de calcul LS-DYNA version 5.1.1, et validés pour les différentes phases du problème à partir de résultats théoriques et expérimentaux.In military shipbuilding, ships are designed to withstand conventional threats such as mines or torpedoes. These designs are based on calculations of structural response to underwater explosions in far field, what is relatively well controlled today. The thematic of underwater explosions has indeed benefited from extensive research since the Second World War. This has resulted in robust numerical methods to simulate the main phenomena that characterize such events. These methods used in engineering are based on assumptions that limit their scope. These restrictions are discriminatory when we attempt to simulate underwater explosions in near field which are mainly nonlinear phenomena. In this context, the Multi-Material Arbitrary Lagrangian-Eulerian method with Euler-Lagrange coupling is chosen to simulate these problems. To make the method more easily applicable in engineering, its adaptation is based on two points. (1) Firstly the method is developed for two-dimensional cases in order to solve 2D axisymmetric problems with higher speed and accuracy compared to 3D simulations. (2) Then the projection of results from two-dimensional analysis on 2D or 3D grids is implemented. The projection from one grid to the other allows solving the whole problem through successive phases for physics on very different time scales and space scales, what necessitates adapted meshes. The developments are implemented in LS-DYNA code for the revised version 5.1.1 and validated for the different phases of the problem from theoretical and experimental results.LILLE1-Bib. Electronique (590099901) / SudocSudocFranceF

A coupling method for soil structure interaction problems

International audienceThis paper describes a soil-structure coupling method to simulate blast loading in soil and structure response. For the last decade, simulation of soil behavior under blast loading and its interaction with semi buried structure in soil becomes the focus of computational engineering in civil and mechanical engineering communities. In current design practice, soil-structure interaction analysis often assumes linear elastic properties of the soil and uses small displacement theory. However, there are numerous problems, which require a more advanced approach that account for soil-structure interaction and appropriate constitutive models for soil. In simplified approaches, the effect of soil on structure is considered using spring-dashpot-mass system, and the blast loading is modeled using linearly decaying pressure-time history based on equivalent trinitrotoluene and standoff distance, using ConWep, a computer program based on semi-empirical equations. This strategy is very efficient from a CPU time computing point of view but may not provide accurate results for the dynamic response of the structure, because of its significant limitations, mainly when soil behavior is strongly nonlinear and when the buried charge is close to the structure. In this paper, both soil and explosive are modeled using solid elements with a constitutive material law for soil, and a Jones-Wilkins-Lee equation of state for explosive. One of the problems we have encountered when solving fluid structure interaction problems is the high mesh distortion at the contact interface because of high fluid nodal displacements and velocities. Similar problems have been encountered in soil structure interaction problems. To prevent high mesh distortion for soil, a new coupling algorithm is performed at the soil structure interface for structure loading. The coupling method is commonly used for fluid structure interaction problems in automotive and aerospace industry for fuel sloshing tank, and bird impact problems, but rarely used for soil structure interaction problems, where Lagrangian contact type algorithms are still dominant. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd

Couplage de codes en interaction fluide-structure et applications aux instabilités fluide-élastiques

La thèse porte sur le développement d'un couplage entre un code de mécanique des fluides et un de code mécanique des structures afin de modéliser le départ en instabilité d'une structure soumise à un chargement fluide-élastique. Dans un premier temps, la méthodologie de couplage est présentée. Celle-ci englobe les modèles de couplage permettant de résoudre le décalage lié à une résolution partitionnée des équations fluide et structure, les méthodes de déformation de maillage afin de permettre aux deux milieux de rester en contact et les méthodes de projections afin de transférer les données d'un domaine à l'autre Dans un second temps, une étude semi-analytique est menée sur les schémas de couplage partitionnés. Le cas de deux cylindres vibrant dans un fluide parfait au repos est étudié pour lequel une solution analytique en termes de conservation de l'énergie est connue. Ce cas permet de tester un ensemble de schémas et de vérifier leur bon comportement quant à la conservation de l'énergie du domaine étudié. Il permet également de quantifier l'erreur liée au code de calcul. Dans un troisième temps, une étude sur l'instabilité d'une structure flexible soumise à un écoulement interne est menée. Elle démontre que la structure part en instabilité à partir d'une certaine vitesse d'écoulement. Ce cas est repris afin d'introduire une méthode d'incertitude. Le but est de montrer la possibilité d'utiliser la méthode du chaos polynomial afin d'étudier une probabilité de dépassement de seuil (le départ en instabilité de la structure) lorsqu'une variable en entrée est incertaine. Dans un dernier temps, une étude sur les faisceaux de tubes est menée. Des études sont menées avec un unique tube mobile ou un ensemble de tubes mobiles. Des simulations sont réalisées avec un fluide au repos afin de comparer les résultats à des données analytiques et numériques. Puis des simulations sous écoulements sont réalisées afin de montrer afin de mettre en évidence le départ en instabilité des structures qui varie selon le nombre de tubes mobiles.The PhD deals with coupling between a fluid mechanics and a structure mechanism code in order to simulate the instabilities departure of flow induced vibrations. Firstly, methodology is presented: coupling scheme which allows staggered procedure, mesh deformation in order to aIIow interface tracking and exchange of information for non-matching interface. Secondly, a study on staggered procedure is performed with the case of two moving cylinders in a quiescent fluid. Results are compared to an analytical solution in order to check the coupling scheme behaviour and in order to quantify the energy conservation of the code. Thirdly, the stability of a pipe conveying tluid is performed. Results show the instability departure of the structure for a critical velocity. The uncertainty management is applied on this case in order to study the over threshold probability (instability departure) when an input variable is uncertain. Finally, the coupling is applied to tube bundles. Cases with one and several moving tubes are performed. Cases with quiescent fluid are compared results to analytical and numerical results. Flow simulations show instability departure which differ when one or several moving tubes are used.LILLE1-Bib. Electronique (590099901) / SudocSudocFranceF