Bibliographie & annexes
Présentation
RÉSUMÉ
Ce retour d’expérience relate la conduite d’un projet de recherche collaborative consacré à la conception et à la validation d’un concept innovant d’hélice de navire équipée de pales composite rapportées sur son moyeu. Mobilisant des laboratoires de recherche en hydrodynamique et simulation numérique, et des PME spécialisées en modélisation et calculs mécaniques ou hydrodynamiques, et dans la conception d’outillage de production de pièces composites, le projet aboutit au développement de méthodes et procédés de fabrication d’une hélice à pales composite, dont certaines performances ont été validées lors d’une campagne d’essais en mer sur un navire test.
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This report relates the conduct of a collaborative research project devoted to the design and validation of an innovative ship propeller concept equipped with composite blades attached to its hub. Bringing together research laboratories in hydrodynamics and numerical simulation, and SMEs with expertise in mechanical or hydrodynamic modelling and calculations, and in the design of tooling for the production of composite parts, the project led to the development of methods and processes for the manufacture of a propeller with a composite blade, some of whose performance was validated during a sea trail on a test ship.
Auteur(s)
-
Frédérique LE LAY : Expert matériaux composites - Naval Group– Bouguenais, France
-
Jean-François SIGRIST : Ingénieur-chercheur, journaliste scientifique - Expertise & communication scientifiques (eye-PI) – Tours, France
INTRODUCTION
La propulsion des navires de grande taille est assurée par des hélices, pour la plupart constituées de matériaux métalliques. Les constructeurs et architectes navals s’intéressent également à d’autres matériaux, comme les composites, car ils présentent divers avantages (en particulier la légèreté ou la capacité à produire des pièces aux propriétés mécaniques adaptées aux sollicitations). La conception d’une hélice à pales composites n’est cependant pas sans poser de nombreux problèmes techniques. Un programme de recherche pluriannuel a été conduit par un constructeur naval d’envergure internationale, afin de développer les outils méthodologiques permettant de concevoir, produire et tester un concept innovant de propulseur en matériau composite.
Le projet « HéliCo » a ainsi mobilisé des experts industriels et académiques, issus du centre de recherche technologique d’un grand groupe, de deux laboratoires académiques et de trois PME du secteur de la construction navale. Il a abouti à la mise au point de méthodes de calcul permettant le dimensionnement et l’analyse du comportement hydrodynamique et mécanique de profils portants déformables, avec modélisation des interactions fluide-structure ; au développement d’un système de fixation de pales composites sur un moyeu métallique ; à la mise au point d’un procédé de fabrication de pales composites, avec le procédé RTM ; à la validation in situ d’un prototype de propulseur de petite taille testé sur un navire de transports de passagers.
Domaine : innovation, recherche collaborative.
Entreprises concernées : constructeurs (industrie navale, énergies marines), éditeurs de logiciels (calcul scientifique, simulation numérique, HPC), bureaux d’études (conception de systèmes de propulsion, de récupération d’énergie)
Technologies/méthodes impliquées : modélisation numérique, calcul scientifique, éléments finis, matériaux composites, carbone époxyde.
Secteurs : constructions mécaniques, ingénierie navale, production d’énergie.
L'expertise technique et scientifique de référence
MOTS-CLÉS
KEYWORDS
innovation | composite | numerical simulation | propeller
DOI (Digital Object Identifier)
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Contexte-enjeu-objectifs du projet3. Bilan et perspectives
3.1 Points positifs
Le projet a atteint les objectifs fixés. Sur le plan académique, il a apporté la démonstration de faisabilité de co-simulations (à la fois en matière de moyens requis et de précision attendue), et en a donné des éléments de validation et de compréhension de la physique en jeu (en particulier grâce à des données expérimentales). Sur le planméthodologique, il a contribué à mettre au point une chaîne de calcul pour accompagner les démarches de conception de profils portants déformables. Sur le plan technologique, il a permis de développer un prototype d’hélice à pales rapportées, elles-mêmes en matériau composite, et un procédé de fabrication de ces pales. Lors des essais en mer, l’équipage a apprécié un changement de régime plus souple de l’hélice en composite par rapport à l’hélice métallique. Enfin, à l’issue des essais en conditions réelles sur le navire à passagers, le prototype d’hélice en composite a subi un contrôle radiographique qui n’a mis en évidence aucune faiblesse – ni fissure d’une pale, ni détérioration d’une fixation d‘une pale sur le moyeu, deux évènements pourtant redoutés par les concepteurs – cette campagne d’essais apportant une conclusion positive au projet.
HAUT DE PAGE3.2 Axes de travail et d’amélioration
Le projet n’a cependant pas encore équipé de navires de défense avec des hélices en composite. Un changement de matériau sur une pièce aussi critique demande en effet beaucoup de temps, d’études, d’essais et de validations. Le projet a permis d’atteindre un niveau de maturité attendu pour un prototype (TRL 5-6) ; les niveaux suivants (TRL 6-9) restent à franchir, mais demandent des investissements plus conséquents.
Différentes thématiques sont investiguées pour améliorer les méthodologies de calcul ou fiabiliser les performances des hélices à pales composites :
-
la modélisation et la simulation des interactions fluide-structure est affinée afin de traiter de cas d’écoulements complexes, en particulier turbulents, avec des calculs couplés mettant en jeu des méthodes DNS (direct numerical simulation,...
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Bilan et perspectives
BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - BOVIS (A.) - Brève histoire de l’hydrodynamique navale. - In: SIGRIST (J.-F.) et LEBLOND (C.), Interactions fluide-structure – Modèles et méthodes mathématiques pour le génie naval. ISTE (2022).
-
(2) - DUCOIN (A.) - Étude de l’influence du couplage fluide/structure sur les performances hydrodynamiques d’une surface portante. - Thèse de master, École Centrale de Nantes (2005).
-
(3) - DUCOIN (A.) - Étude expérimentale et numérique du chargement hydrodynamique des corps portants en régime transitoire avec prise en compte du couplage fluide structure. - Thèse de doctorat, École Centrale de Nantes (2008).
-
(4) - DUCOIN (A.) - Contributions à l’étude hydro-élastique des pales flexibles sous chargements instationnaires. - Habilitation à diriger les recherches, École Centrale de Nantes (2019).
-
(5) - DUCOIN (A.), DENISET (F.), ASTOLFI (A.), SOYER (V.), SIGRIST (J.F.) - An experimental and numerical investigation...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
Bureau Veritas – NI663 : « Propeller in Composite Material », mars 2023.
https://erules.veristar.com/dy/data/bv/pdf/663-NI_2023_03.pdf
Julie DANET, « Plus de courant dans les pales », Sciences Ouest, février 2015.
https://www.espace-sciences.org/sciences-ouest/328/dossier/plus-de-courant-dans-les-pales
Claire MARION, « Une hélice propulsée à l’innovation », Le Télégramme de Brest, 16 mai 2018.
GIE Albatros, « Collaborative project between Méca, Loiretech and Naval Group on optimized propellers made of composite materials ».
https://www.gie-albatros.com/projects/fabheli
Texdata, «12 Composites Innovators to receive a JEC Innovation Award in Seoul », 25 septembre 2019.
https://www.texdata.com/news/Composites/11718.html
Xavier BOUSSION, « À Indret, Naval Group imprime des grosses hélices en métal », Presse Océan, 14 janvier 2021.
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