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RÉSUMÉ
Cet article présente l'état de l'art des enceintes en matériaux composites pour application sous-marine. Outre les domaines d'application, sont présentés le mode de fabrication, les bases de dimensionnement par rapport à la pression hydrostatique et les spécificités de la caractérisation expérimentale.
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Dominique CHOQUEUSE : Ingénieur de Recherche - Service Matériaux et Structures, IFREMER, Centre de Bretagne, Plouzané, France,
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Peter DAVIES : Ingénieur de Recherche - Service Matériaux et Structures, IFREMER, Centre de Bretagne, Plouzané, France,
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Benoît BIGOURDAN : Ingénieur de Recherche - Service Matériaux et Structures, IFREMER, Centre de Bretagne, Plouzané, France,
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Dominique PERREUX : Professeur - Université de Franche Comté, Besançon, et MaHyTec, Dole, France,
INTRODUCTION
Les matériaux composites sont largement employés dans l'industrie marine, notamment sur l'eau dans la construction de bateaux de plaisance. Depuis quelques années, on trouve de plus en plus d'applications de matériaux composites sous l'eau, où les excellentes propriétés spécifiques de ces matériaux les rendent très compétitifs. Cependant, dans ces nouvelles applications, les structures sont soumises à des pressions externes qui augmentent en fonction de la profondeur, ce qui nécessite donc un soin particulier dans leur conception.
Dans cet article, on fait le point sur l'utilisation des enceintes en composite sous l'eau. On présente d'abord les principaux domaines d'application : l'océanographie, les véhicules sous-marins et l'offshore pétrolier, suivis d'un rappel des conditions opérantes en environnement marin. Les méthodes de fabrication d'enceintes cylindriques (enroulement filamentaire, placement de bandes) et de contrôle non destructif sont ensuite décrites. Le dimensionnement d'enceintes sous-marines est basé sur l'analyse de deux comportements :
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une tendance à flamber lorsque le rapport épaisseur de paroi divisé par le diamètre est faible ;
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une rupture en compression lorsque ce rapport devient important.
Les équations permettant de calculer l'épaisseur de paroi nécessaire pour résister à une profondeur donnée sont présentées. L'article se termine par une présentation des moyens d'essai, les caissons hyperbares et une discussion de la durabilité des enceintes en milieu marin
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MOTS-CLÉS
Etat de l'art Dimmensionnement Pression hydrostatique Structures sous-marines Submersibles Océanographie Composites Enroulement filamentaire
DOI (Digital Object Identifier)
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1. Domaines d'application
L'utilisation d'enceintes en matériaux composites soumis à des pressions internes est bien connue [AM5530]. Par contre, les applications d'enceintes en matériaux composites sous l'eau, et donc soumis à des pressions externes, sont moins courantes. Cependant, ces applications se multiplient pour plusieurs raisons. En premier lieu, les propriétés spécifiques de ces matériaux conviennent particulièrement bien à ce type d'environnement, surtout avec un renfort en fibre de carbone (tableau 1) [2].
Les valeurs de module d'Young et de limite élastique en compression spécifique (c'est-à-dire normalisée par la densité) s'avèrent très élevées par rapport à celles des matériaux métalliques employés traditionnellement, ce qui entraîne un gain de masse permettant d'augmenter la charge utile de la structure. D'autres avantages proviennent de l'absence de corrosion, même s'il faut tenir compte du vieillissement des matrices polymères, et de la facilité de mise en forme des matériaux composites surtout pour les structures cylindriques. Enfin, le coût d'un cylindre en verre/époxy peut être nettement inférieur (jusqu'à 50 %) à celui d'une réalisation en alliage métallique.
Les applications sous-marines actuelles des enceintes en matériaux composites peuvent être scindées en trois catégories :
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océanographie (enceintes d'instrumentation, profileurs) ;
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véhicules sous-marins (submersibles, sous-marins) ;
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offshore (risers, conteneurs, séparateurs).
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Dans le cas des applications océanographiques, on utilise des enceintes en verre/époxy fabriquées par enroulement filamentaire (§ 4) depuis de nombreuses années, (figure 1). Typiquement de diamètre interne de 100 à 200 mm et d'une longueur de 500 mm, l'épaisseur peut atteindre 20 mm pour une application jusqu'à 6 000 m.
Plus récemment, des cylindres composites de diamètre interne ˜100 mm et d'1 m de long ont été...
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BIBLIOGRAPHIE
-
(1) - KRAWCZAK (P.) - Réservoirs haute pression en composites - . Éditions Techniques de l'Ingénieur, [AM 5 530] 2002.
-
(2) - SMITH (C.S.) - Design of marine structures in composite materials. - Elsevier applied science, 1990.
-
(3) - * - http://www.argo.ucsd.edu/
-
(4) - PHAN (A.), CABANEl (D.) - Coques et enceintes en composites bobinés pour les travaux sous-marins. - Conférence internationale : pénétration sous-marine, ATMA, Paris, 1982.
-
(5) - GARVEY (R.E.) - Composite hull for full ocean depth. - MTS Journal, vol.24, no 2, p. 49-58, 1990.
-
(6) - DAVIES (P.), CHOQUEUSE (D.), RIOU L., WARNIER (P.), JEGOU (P.), ROLIN (J.F)., BIGOURDAN (B.), CHAUCHOT (P.) - Matériaux composites pour véhicule sous-marin 6 000 mètres. - Comptes...
DANS NOS BASES DOCUMENTAIRES
ABAQUS http://www.3ds.com/products-services/simulia/portfolio/abaqus/overview/
ADINA http://www.adina.com/index.shtml/
ANSYS http://www.ansys.com/
COMSOL http://www.comsol.com/
HAUT DE PAGE
Ifremer, Institut français de recherche pour l'exploitation de la mer http://www.ifremer.fr/
Société MaHyTec, fabricant de cylindres en composites http://www.mahytec.com
HAUT DE PAGE
Journées Nationales de Composites (JNC), conférence organisée en France par l'AMAC (Association des Matériaux Composites) tous les deux ans, http://www.amac-composites.org/manifestations/journees-nationales-composites
JEC Europe, Salon professionnel, forum et conférences utilisateurs, organisé chaque année à Paris par JEC Group http://www.jeccomposites.com/
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