Les projets du DMSM

READYNOV AERO 2019-2022 : DANKE

Présentation détaillée

Le projet permettra :

1. La prise en compte des modes non-linaires couplés (xénon-réservoir), rendue d’autant plus nécessaire que les structures spatiales sont de plus en plus légères.

1. L’élaboration d’un démonstrateur technique des capacités à reproduire et contrôler, via un métamatériau, les propriétés d’un fluide cryogénique et ses effets sur la réponse modale et vibratoire
   d’une structure couplée.

1. La réalisation de modèles numériques représentant d’une part l’essai en similitude de Froude et d’autre part la configuration réelle satellite ou lanceur. Cet élément est essentiel car il permet à la fois de qualifier les modèles et algorithmes de modélisation par recalage calcul-essai, mais aussi d’anticiper de manière robuste le comportement réel de la structure en opération et en vraie grandeur.

En vue de contribuer au développement d’une filière énergétique fluides critiques/méta-matériau innovante au sein de la région Occitanie, la spécification d’un méta-matériau permettra à terme de disposer de solutions stables pour les essais sécurisés de qualification de réservoirs spatiaux, mais également plus généralement d’avion, de véhicule terrestre, … Il pourra avoir une forte influence dans la définition de réglementation future autour de l’utilisation de liquides cryogéniques (exemple des avancées obtenues grâce à la définition d’un matériau équivalent, gel agar-agar, pour les essais de choc à l’oiseau).

C’est là un élément original du projet, qui intègre à la fois l’aspect matériau équivalent – dans le domaine de l’interaction fluide-structure – et l’aspect recalage/certification. À cette synergie répond la variété des partenaires, qui comptent une PME spécialisée dans l’élaboration de matériaux très spécifiques, une PME experte en modélisation numérique non-linéaire, et un grand laboratoire de Mécanique des Matériaux et Structures (UMR CNRS 5312 Institut Clément Ader, le laboratoire de Mécanique des Solides d’Occitanie). Ce montage bénéficie également de l’environnement scientifique et technique favorable de l’Université de Toulouse et du contexte régional aérospatial.

Le méta-matériau imaginé est formé d’un ensemble de sphères (creuses) dont les propriétés notamment d’interfaces et de densités permettront de reproduire au plus près le comportement et les modes induits par la présence d’un fluide non-Newtonien au sein de réservoirs minces cryogéniques (coques minces orthotropes). Deux échelles d’étude se distinguent : l’une, locale, propre aux constituants du méta-matériau et l’autre, globale, portant sur les interactions fluide/ structure et sur la dynamique des réservoirs.

Ainsi, l’approche structurale (numérique et expérimentale) est étayée par des modèles rhéologiques locaux, de nature analytique. Cette approche à double échelle et à finalité complémentaire renforce la représentativité du modèle et des essais.

Dans la cadre du projet DANKE, le partenariat entre DynaS+, ATECA et l’ISAE-SUPAERO, autorise une
accélération de la spécification et de la fabrication du méta-matériau équivalent au Xénon grâce à une
complémentarité fabrication/ essais/ modélisation et aux connaissances acquises (briques technologiques) durant le projet TANKYOU. Ainsi le projet DANKE propose de mettre en oeuvre et d’améliorer une démarche originale, combinant trois approches :

1. Par homogénéisation, l’approche analytique (portée par l’ISAE-SUPAERO) établit le lien entre les
   propriétés mécaniques homogénéisées d’un milieu granulaire et la réponse dynamique d’un réservoir
   plein. Ces simplifications analytiques permettent de délimiter la zone de définition du matériau
   constituant le méta-matériau et le domaine des fréquences d’études.
2. Par une méthode sans maillage DES et DES-BOND, l’approche numérique innovante (portée par
   DynaS+) établit le lien entre les propriétés de la coque constituant les sphères creuses d’ATECA, les
   propriétés d’une sphère pleine équivalente et le milieu granulaire composé de ces sphères. Le
   comportement dynamique complexe du système formé par le méta-matériau et le réservoir
   cryogénique est étudié en utilisant les capacités de couplage fort, stable et possédant une architecture
   parallélisée du logiciel LS-DYNA.
3. Par une stratégie « material by design » couplant la fabrication, aux essais numériques et
   expérimentaux, une procédure de production (portée par ATECA) établit le lien entre les propriétés
   contrôlées du méta-matériau et de son comportement dynamique dans un réservoir.

Il faut noter que l’expertise scientifique de l’ISAE-SUPAERO (Département Mécanique des Structures et Matériaux) et de l’équipe COMET de l’Institut Clément Ader est présente dans les trois approches, de manière structurelle pour l’approche analytique, mais aussi en support théorique et de conception/recalage pour la partir expérimentale. De fait, les essais ont été entièrement réalisés au laboratoire, avec le background scientifiaue des modèles analytiques, le recalage numérique et la pertinence de l’instrumentation et des sollicitations dynamiques adressées (environnement vibratoire et bruité).

Le phasage du projet DANKE s’articule ainsi autour de ces trois approches scientifiques (analytique, numérique et expérimentale), de la méthodologie initiée dans TANKYOU et de ces deux échelles (métamatériau, réservoir).

Le projet DANKE aboutira à la fourniture d’un méta-matériau de substitution à base de sphères creuses
dynamiquement semblable à un fluide cryogénique constitué de Xénon. Pour ce faire, les principales actions du projet DANKE (figure 4) seront :

1. le développement et la mise à disposition des industriels d’un métamatériau équivalent au Xénon,
   permettant d’illustrer la technologie développée dans le cadre du projet TANKYOU et maturée dans le
   cadre du projet DANKE dans le domaine spatial,
2. La mise en application des principes de conception développés dans le cadre du projet TANKYOU
   (données d’entrée du projet DANKE),
3. Le renforcement et la maturation de l’approche proposée en la validant sur des sous-systèmes
   représentatifs,
4. In fine, l’intégration des trois actions précédentes dans une méthode générique transposable à
   d’autres d’échelles, d’autres fluides et d’autres formes de réservoirs.

Synthèse des résultats

Les résultats obtenus à l’issue du programme DANKE, dans le cadre de la contribution de l’ISAE-SUPAERO au programme, peuvent être résumé comme suit :

• Un Banc d’Essais opérationnel qui permet de tester des réservoirs de satellite à une échelle proche de la taille réelle et des réservoirs lanceurs en similitude de Froude avec simulation du comportement interne fluide à tous les niveaux de remplissage. Ces tests peuvent se faire aussi bien par choc marteau (Dirac) ou en fixant un mini pot vibrant. On dispose ainsi d’une installation utilisable à la fois pour vérifier des modèles, mais aussi pour anticiper des comportements dynamiques de fluides divers. Enfin, le système peut même être utilisé à titre pédagogique, pour les cours sur les interactions de coques avec des fluides.

• L’assistance scientifique à DynaS+ dans le développement des modèles numériques proposés. En effet, ces modèles sont essentiellement industriels – TRLs 5-7 et échoient donc à DynaS+ – mais ils ont été développés en étant alimentés en continu – au cours de toutes les revues de programme – par le support théorique TRLs 2-3 donné par l’expertise des chercheurs et directeurs de recherche. En retour, les résultats numériques ont été utiles pour susciter des développements théoriques.

• Des spécifications rhéologiques pour les méta-matériaux, élaborées en coopération avec ATECA (qui élabore lesdits matériaux). C’est un troisième élément encore significatif car il touche directement à la modélisation d’un fluide par un assemblage de coques, et induit donc des questions théoriques fécondes.

Bilan - Perspectives

À l’issue du programme DANKE, le bilan montre que la modélisation et la simulation (numérique et expérimentale) ont avancé qualitativement et quantitativement. Et ceci aussi bien pour la modélisation par matériau granulaire que pour le modèle du fluide réel.
Qualitativement d’abord ; les configurations adressées sont plus larges, non-seulement en termes de géométrie (niveau de remplissage, avec une ouverture vers le sloshing) et aussi de matériaux (cryotéchniques mais aussi de propulsion satellite).
Quantitativement ensuite ; grâce au support scientifique et expérimental du projet, les deux industriels ont amélioré la précision et la robustesse de leurs produits respectifs. DynaS+ est dorénavant qualifié pour modéliser numériquement l’ensemble des configurations de réservoirs contenant les fluides satellites et lanceurs. ATECA est désormais apte à produire des microbilles permettant aux laboratoires et industriels de mener des essais réalistes sur ces fluides dans les réservoirs.

Les perspectives ouvertes concernent en premier lieu l’environnement dynamique satellite et lanceur. La conception réservoir peut être précisée et réalisée plus rapidement, à la fois en simulation et essais. Mais les transports terrestres et aériens peuvent aussi bénéficier de ces avancées, pour la qualification de futurs prototypes à hydrogènes et/ou méthane.

Production scientifique

• Chambe, J. E., Charlotte, M., & Gourinat, Y. (2021). Vibration analysis of a fully- and partially-filled container – Application to cryogenic tank characterization and dynamic behavior. Communication of 16th International Conference "Dynamical Systems – Theory and Applications" (DSTA 2021) (December 6-9, 2021), J. Awrejcewicz, M. Kaźmierczak, J. Mrozowski, P. Olejnik (editors). https://doi.org/10.34658/9788366741201

• Chambe, J. E., Charlotte, M., & Gourinat, Y. (2022). Cryogenic tank characterization by experimental testing–Identification of the structure mode shapes. In AIAA SCITECH 2022 Forum (p. 2376).

• Chambe, J. E., Charlotte, M., & Gourinat, Y. (2023). Characterization of Fluid-Filled Tank and Mode Shape Identification : Approach via Cryogenic Fluid Substitution by Granular Meta-material. In "Topics in Modal Analysis & Parameter Identification", Volume 8 (pp. 97-104). Springer, Cham.

Avec DynaS+ & ATECA :

• T. Pierrot, A. Guilpin, T. Legaud, V. Lapoujade (DynaS+), J.-E. Chambe, M. Charlotte, Y. Gourinat (Université de Toulouse), M. Delorme (ATECA) (2021). Dynamic behaviour study of a satellite propellant tank using numerical and experimental vibratory tests . 13th European LS-DYNA Conference 2021 & users meeting (5-7 October 2021, Ulm Germany). (Communication abstract) ISBN 978-3-9816215-7-0 .