Les matériaux polyuréthanes sont largement utilisés en milieu marin, notamment pour des applications militaires telles que les revêtements acoustiques des coques de sous-marin.

Ces matériaux fortement combustibles sont toutefois une source potentielle d’incendie. L’objectif de cette thèse est de limiter ce risque en déterminant une solution d’ignifugation de ces matériaux compatible avec l’environnement marin.

Les propriétés mécaniques, acoustiques et physico-chimiques de l’élastomère doivent également être conservées. Ce travail de thèse a permis de développer un système retardateur de flamme prometteur sans altérer significativement les autres propriétés fonctionnelles requises pour l’application.

Les essais au feu réalisés sur des matériaux formulés à base de charges ignifugeantes ont montré une importante amélioration de la réaction au feu du polyuréthane. L’étude du vieillissement des matériaux ignifugés laisse espérer une bonne stabilité du système en milieu marin même si des essais à des températures de l’ordre de 70°C montrent une possible modification de l’interface charge/matrice.

Cette thèse s’inscrit dans la démarche de R&D menée depuis 2013 pour mieux comprendre le comportement thermo-hydraulique des échangeurs monophasiques, des condenseurs et des évaporateurs et pour en proposer des designs optimisés.

Deux thèses ont déjà été menées sur ces thèmes, qui ont permis de développer un modèle couplant une description CFD de l’extérieur tube (de type milieu équivalent) avec une approche analytique du couplage thermique intérieur/extérieur tubes.

La description de milieu équivalent, sur laquelle repose le modèle, fait intervenir des lois de perte de charge et de transfert de chaleur calculées par ailleurs pour des géométries standards (type tubes-calandre). Or les techniques de fabrication additive permettent maintenant d’envisager des géométries complexes pour lesquelles ces lois ne sont pas adaptées.

L’objectif de cette thèse est ainsi de déterminer des lois permettant de rendre compte de ces nouvelles géométries.

Prédire la houle « vague par vague » en temps réel permet d’anticiper les mouvements du navire, ce qui permet d’envisager des opérations par mer plus forte et d’en améliorer la sécurité. Aussi le présent travail vise-t-il une modélisation physique réaliste de la houle (intégrant certaines non-linéarités) tout en autorisant le temps réel.

Il s'agit, sur la base de mesures de hauteur d’eau effectuées autour d'un navire (par exemple via un Lidar scannant), d’élaborer un état initial de la houle qui, après propagation dans le temps et l'espace, donne accès à la prédiction à l'emplacement futur du navire et alimente un calcul de réponse navire.

Le travail présenté porte sur le développement d'un modèle de vagues efficace pour modéliser certaines non-linéarités avec un faible coût en calcul, et sur une méthode pour identifier un état de houle initiale optimal à partir de données tronquées.

L'impact de la prise en compte des non-linéarités hydrodynamiques sur la qualité de la prédiction est étudié en faisant varier la cambrure caractéristique de l'état de mer et en se référant à des modélisations intégrant toutes les non-linéarités (HOS). L'approche est enfin qualifiée à l'aide de données réelles issues d'une campagne expérimentale en bassin de houle.

Le procédé d’assemblage des coques de sous-marins impacte leurs propriétés mécaniques. Connaitre et maitriser cet impact est essentiel pour en assurer les performances.

L’objectif du présent travail est ainsi d’évaluer l’impact du procédé de soudage multi-passes à l’électrode enrobée sur le comportement mécanique des joints soudés en acier à haute limite d’élasticité. Le comportement mécanique du métal fondu est lié à sa microstructure, elle-même héritée du procédé de soudage.

Dans ce procédé, deux facteurs apparaissent déterminant : la composition chimique du produit d’apport et l’historique thermique issu du procédé de soudage.

Après un premier travail d’analyses microstructurales du métal fondu, l’étude s’est concentrée sur l’effet de l’historique thermique sur la microstructure.

Une campagne expérimentale d’essais thermiques (essais Gleeble), couplée à la simulation numérique du soudage, a été réalisée afin d’aider à l’identification d’une microstructure optimale pour in fine optimiser les propriétés mécaniques attendues. Une étude paramétrique des conditions de soudage sera réalisée ultérieurement et les effets cumulés des paramètres du soudage et de la chimie du produit d’apport seront investigués.

Malgré l’amélioration constante de la puissance de calcul des ordinateurs, le calcul et l’analyse de la réponse des structures immergées demeurent long et coûteux.

Dans une approche par éléments finis, la taille et la complexité de nos structures conduisent par exemple à devoir traiter plusieurs millions de degré de liberté. Or la conception de nos structures, dont la justification de leur tenue face à la diversité des sollicitations auxquelles elles sont soumises, demande de très nombreuses simulations.

A l’heure actuelle, le nombre de celles-ci est sévèrement limité par les temps de calcul. Les techniques de réduction de modèle réduisent drastiquement les temps de calcul sans véritable perte de précision. Les calculs paramétriques deviennent dès lors accessibles.

Le dimensionnement des navires militaires requiert l’analyse du comportement des structures aux explosions sous-marines lointaines.

Lors d’une explosion sous-marine, une onde de choc à front raide (excitation dynamique rapide) est d’abord libérée. Dans un deuxième temps, les gaz brûlés issus de la détonation forment une bulle dont la pression interne est très élevée. La bulle oscille alors entre expansions et contractions, provoquant un mouvement de fluide lent qui sollicite le navire dans les basses fréquences et sur une durée plus longue.

« Notre objectif est de concevoir, implémenter (dans le cadre du calcul HPC) puis valider une méthodologie de simulation numérique pour le problème d’interaction fluide-structure prenant en compte les deux phénomènes. Pour ce faire, nous développons une procédure éléments de frontière (BEM) accélérée pour simuler efficacement des problèmes transitoires rapides 3D de propagation d’ondes en milieu non-borné, qui offre une complexité très favorable : O(1) par rapport à la discrétisation temporelle et O(N log N) par rapport à la discrétisation spatiale.

Enfin, nous mettons en place des stratégies performantes de couplage FEM/BEM pour la phase d’interaction fluide-structure de l’onde de choc (acoustique linéaire) et celle de la bulle de gaz (écoulements incompressibles). La procédure globale, validée sur des problèmes académiques, fournit des résultats très prometteurs sur des cas industriels réalistes. »

Le comportement acoustique de la coque épaisse des sous-marins est un aspect important de leur performance opérationnelle. La maîtrise de ce comportement dès les premières phases d’un projet dépend toutefois de l’accès à des outils de simulation numérique performants.

C’est à cette fin que le code ORCAA a été développé récemment par Naval Group dans le cadre d’une collaboration avec le LVA de l’INSA de Lyon. Reposant sur une approche par sous-structuration, celui-ci permet de calculer le comportement vibro-acoustique des coques épaisses immergées.

Il permet ainsi d’appréhender sur une large gamme de fréquences les trois performances acoustiques importantes d’un véhicule sous-marin (i.e. bruit rayonné, bruit propre, index de cible).

Les travaux engagés visent à développer une stratégie de modélisation dite « soustractive », qui permettra de modéliser le comportement vibro-acoustique d’un système à partir d’un système global plus facile à modéliser, auquel on retire un élément.

Le formalisme de la méthode de sous-structuration doit pour cela être étendu. Nous présenterons la méthode ainsi que des cas de validation.

Un système complexe est une collection de sous-systèmes liés par des contraintes structurelles et interagissant pour fournir la performance globale du système.

L’optimisation de systèmes complexes est un sujet largement exploré dans le cas des fonctions à variables continues et à valeurs scalaires, notamment à travers des approches par décomposition et coordination. Ces approches alternent entre l’optimisation distribuée des sous-systèmes, rendus indépendants par le fait de fixer un état de leur interaction, et la mise à jour de l’état de leur interaction.

Nous étudions le cas de fonctions à valeurs vectorielles, ne possédant pas d’unique optimum, mais un ensemble de solutions non-dominées. De ce fait, il peut ne pas exister d’état optimal de l’interaction entre les sous-système, les approches classiques ne sont donc pas transposables.

Toutefois, nous montrons que la notion d’optimisation décomposable se généralise au cas multiobjectif, avec la difficulté que des combinaisons de solutions nondominées pour les sous-systèmes peuvent être dominées pour le système global. Nous proposons plusieurs algorithmes pour les filtrer efficacement.

Dans le cas de fonctions à variables booléennes, on peut envisager de résoudre le problème d’optimisation original en énumérant tous les états possibles de l’interaction entre sous-systèmes, et en résolvant les problèmes décomposables associés.

De plus, nous définissons, pour une classe assez large de problèmes d’optimisation de systèmes complexes, des notions de bornes inférieures et supérieures de l’ensemble de solutions non-dominées, bornes qui peuvent être obtenues par décomposition.

L’entretien des films de peinture utilisés pour protéger les structures navales de la corrosion doit être adapté à leur état de santé.

La connaissance de l’état du film de peinture est particulièrement importante pour le nucléaire, ou dans les zones difficiles d’accès, où la corrosion peut être critique (ballasts, fonds de cales). Elle est aujourd’hui réalisée à partir d’observations manuelles, de caractérisation d’adhérence et d’analyses électrochimiques, qui ne permettent cependant pas d’évaluer leur performance jusqu’au prochain entretien programmé.

L’objectif de ces travaux de thèse doctorale, menés en collaboration avec l’iRDL, est de prouver la faisabilité d’un monitoring du vieillissement des peintures anticorrosion. Le principe est de noyer des capteurs résistifs quantiques (QRS) dans le film de peinture pour en caractériser l’état.

Des prototypes de QRS adaptés aux principaux revêtements anticorrosion utilisés à Naval Group ont été fabriqués, caractérisés et seront implantés à l’intérieur de ces revêtements de protection. Ces prototypes seront utilisés pour monitorer l’état général du revêtement en temps réel lors de différents tests de vieillissement accéléré.

Les QRS pourraient ainsi être utilisés à des fins de maintenance prédictive en alertant de l’apparition de la corrosion du substrat métallique. Ils pourraient contribuer à la mise en place d’une maintenance au juste besoin et permettraient ainsi de diminuer les couts d’entretien.