DCNS Research n°2 03.03.2015 DCNS

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RESEARCH
Les avancées scientifiques et technologiques de DCNS n° 2
SOMMAIRE
04_ ÉDITO
06_ AVANT-PROPOS
08_ ACTUALITÉS
11_ PERFORMANCES NAUTIQUES
ET DYNAMIQUE DES PLATEFORMES
MARINES
Virtual Ship : conception intégrée de navire en phase
avant-projet
MAX : maquette autonome et générique pour l’étude
de la manœuvrabilité des sous-marins
17_TENUE DES STRUCTURES EN SERVICE
Modélisation des transmissions mécaniques de propulsion
Systèmes antennaires en matériaux composites
Matériaux composites multifonctionnels pour applications
navales militaires
EN COUVERTURE : image de synthèse
représentant des fibres optiques.
25_OPTIMISATION ÉNERGÉTIQUE
Exploitation optimisée de navires : simulations
et optimisations
29_INTELLIGENCE EMBARQUÉE
Architecture d’un système de guidage pour véhicules
autonomes
33_MAÎTRISE DE L’INFORMATION
De nouvelles solutions dans les traitements d’association
de données
Poursuite de cibles manœuvrantes en 3D
Innovation et facteurs humains
43_DISCRÉTION, FURTIVITÉ ET INTÉGRATION
D’ANTENNES
Rayonnement vibroacoustique de plaques en régime transitoire
47_PRODUCTIVITÉ ET COMPÉTITIVITÉ
DES PROCÉDÉS INDUSTRIELS
Évaluation du Friction Stir Welding (FSW) sur les aciers
à haute limite élastique utilisés en construction
Le développement du Time of Flight Diffraction (TOFD) à DCNS
Biofi lms et corrosion d’alliages inoxydables en eau de mer
Ingénierie numérique et usine digitale
60_NOS COMMUNICATIONS SCIENTIFIQUES
RESEARCH_2. La revue scientifique et technologique de DCNS. Directeur de publication : Gilles LANGLOIS _Comité
éditorial : Christian AUDOLY, Julien BÉNABÈS, Alain BOVIS, Charles-Édouard CADY, Christelle CAPLAT, Myriam CHARGY, Chantal COMPERE,
François CORTIAL, Valérie DEBOUT, Romain FARGERE, Denis GAGNEUX, Christophe GAUFRETON, Jean-François GHIGLIONE, Zakoua GUEDE,
Hervé GUEUNE, François JOREZ, Dann LANEUVILLE, Thomas LEISSING, Chantal MAÏS, Émilie MALARD, Olivier MARCEAU, Denis MARTIGNY,
Patrick PARNEIX, Mathieu PRISER, Benoît RAFINE, Jérémie RAYMOND, Patrick RECOLIN, Ygaäl RENOU, Guillaume RÜCKERT,
_Crédits
Roch SCHERRER, Daniel VANDERPOOTEN, Jean-Michel VANPEPERSTRAETE _Conception et réalisation :
photo : DCNS – tous droits réservés.
RESEARCH_2
03
ÉDITO
« L’accélération de la compétition mondiale,
tant dans le domaine naval que dans le secteur
des énergies marines renouvelables, nécessite
de développer de nouvelles méthodes
de conception et de production. »
Gilles Langlois, Directeur de DCNS Research
DCNS Research s’inscrit dans une dynamique de
ficativement les capacités opérationnelles des navires
croissance du Groupe, sa contribution permettra de
de DCNS, nous réalisons également régulièrement des
relever les défis les plus audacieux du domaine naval,
protocoles d’essais innovants pour l’aéronautique.
des énergies et de la valorisation durable des océans.
Pour accélérer le développement international du
DCNS Research associe des chercheurs de renommée
Groupe, DCNS Research pratique l’innovation sous
internationale, des experts ayant l’expérience de pro-
toutes ses formes :
grammes complexes et des ingénieurs ayant à cœur
1 • technologique : nous vous en offrons la lecture de
d’identifier les tendances émergentes auprès des clients
quelques exemples dans notre édition n° 2 de la revue
de DCNS.
DCNS Research ;
2 • marketing : nos experts travaillent en permanence
04
Associant des domaines d’excellence aussi variés que la
sur le « positionnement marché » de nos innovations ;
corrosion, les matériaux, l’acoustique, les algorithmes,
3 • concepts d’emplois : nos équipes travaillent à
sans oublier l’hydrodynamique, les contributions de
l’exploration de nouvelles briques technologiques qui
DCNS Research sont très variées pour le groupe DCNS :
comme les drones révolutionneront le champ des opé-
de l’expertise sur des sous-marins en service au déve-
rations militaires ou de l’exploitation des océans dans
loppement de technologies permettant d’accroître signi-
les années à venir ;
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ÉDITO
4 • processus : par l’open innovation et la recherche
(Nantes/Bouguenais). Au-delà de son investissement
collaborative, les partenariats internationaux, et
fi nancier dans ce projet, la région Pays de la Loire est
par l’intégration depuis 2008 d’une véritable PME,
maître d’œuvre du projet architectural de 16 000 m 2
SIREHNA®, au sein du Groupe.
de bureaux et de laboratoires. La plateforme réunira
des espaces communs, tertiaires et ateliers dédiés aux
Fer de lance de la R&T du groupe DCNS, grâce à
projets et moyens collaboratifs ainsi que des locaux
l’alliance de l’expertise, de la recherche et de la modé-
privatifs, loués par des entreprises et des académiques ;
lisation, DCNS Research contribue à la vision et au
ce lieu sera une véritable vitrine scientifique, un formi-
développement du Groupe, c’est un vecteur de crois-
dable vecteur de la capacité d’innovation du territoire.
sance internationale pour le groupe DCNS, notamment
Les activités liées à l’information, applicables aux sys-
par ses projets de coopération avec des centres de
tèmes embarqués et aux réseaux de surveillance et de
recherche en France, en Europe et dans le monde.
sécurité maritime seront regroupées au technopôle de
la mer à Ollioules (Sud-Est).
L’accélération de la compétition mondiale, tant dans
le domaine naval que dans le secteur des énergies
Le monde accélère, accélérons !
marines renouvelables, nécessite, comme l’a souli-
Pour conclure, je veux souligner que la valorisation des
gné dans sa feuille de route le CORICAN (Conseil
innovations sur des marchés émergents et le dévelop-
d’Orientation de la Recherche et de l’Innovation pour
pement des partenariats industriels et académiques
la Construction et les Activités Navales), de développer
permettent de constater que les résultats et travaux
de nouvelles méthodes de conception et de production
de DCNS Research procurent un avantage compétitif,
destinées à accroître la compétitivité de ce secteur
la satisfaction des clients mais également un véritable
industriel. DCNS Research est fortement impliqué dans
« booster » de carrière pour nos salariés.
le développement du cadre collaboratif, en particulier
avec l’IRT Jules Verne, l’IRT SystemX, le groupe de
Je vous souhaite une excellente lecture pour la seconde
recherche sur l’usine du futur, des Pôles de compéti-
édition du magazine RESEARCH.
tivité comme EMC2, des partenaires académiques et
industriels de tous secteurs d’activités. Les travaux de
recherche de la fi lière navale – énergie portent sur les
procédés de conception et de fabrication des structures
métalliques, sur le comportement de ces structures
en environnement marin (tenue à la mer, aux chocs,
corrosion…).
La recherche-développement et l’innovation
du Groupe s’organise sur le territoire français
Dans quelques mois, les activités de DCNS Research
à Nantes seront regroupées au Technocampus Océan
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AVANT-PROPOS
Le projet Océanides
Claudie Haigneré, Présidente d’Universcience
Les océans ont toujours été, à travers l’histoire, sources
services. Recherche collaborative et innovation ouverte
de puissance et de prospérité pour l’humanité. C’est ce
permettent d’amplifier le foisonnement des idées et d’accé-
que se propose d’étudier et d’illustrer le projet Océanides.
lérer l’émergence de nouvelles technologies.
Parrainé par le ministre de l’Écologie, du Développement
durable, des Transports et du Logement, le projet
Mais il y a également des enjeux humains considérables.
Océanides est réalisé, à l’initiative de DCNS, en partena-
L’un de ces enjeux est dans l’éducation et la formation.
riat avec une vingtaine d’entreprises, des collectivités ter-
Notre monde change tous les jours, notre temps est rem-
ritoriales, des grandes écoles, des instituts de recherche,
pli d’incertitudes et, petit à petit, certains citoyens se
des fédérations professionnelles et le soutien actif du
retrouvent en marge de cette société de la connaissance.
cluster maritime français.
Par ailleurs, nous devons préparer nos jeunes à maîtriser,
demain à inventer, cette technologie mouvante. Comment
La valorisation des océans et la protection des ressources
transmettre au plus grand nombre non seulement des
marines restent encore aujourd’hui des domaines pleins
connaissances solides mais surtout la soif de comprendre,
de promesses pour l’avenir et de débouchés nouveaux pour
l’appétit d’apprendre et la fièvre de créer ? Il faut désormais
nos industries. Cependant, la croissance et la reconquête
inventer, dans la société comme dans l’entreprise, de nou-
industrielle dont notre pays a besoin, dans un environ-
velles formes de communication, plus interactives, plus
nement mondialisé où la ressource la plus précieuse est
participatives et plus créatives, remettre de la passion dans
la connaissance, nécessitent un effort accru dans les
les métiers de l’industrie, réincarner la technique.
domaines de la recherche et de l’innovation.
Je salue l’initiative de DCNS de diffuser les derniers résul-
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Il y a, sous-tendant cet effort, des enjeux scientifiques et
tats de sa recherche technologique. Beaucoup de ces tra-
techniques. Industrie, laboratoires publics, écoles et univer-
vaux sont portés par de brillants doctorants. Je souhaite
sités doivent collaborer pour inventer, innover, développer
qu’ils contribuent à mobiliser encore davantage de jeunes
de nouveaux concepts, de nouveaux produits, de nouveaux
aux beaux métiers de la mer.
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AVANT-PROPOS
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ACTUALITÉS
DCNS développe des programmes de
recherche avec l’université Dalhousie
Fin novembre 2013, Patrick Boissier a annoncé la signature d’un partenariat
avec l’université Dalhousie, à Halifax, pour développer des programmes de
recherche bilatéraux.
Le Memorandum of Understanding (MoU) fi xe pour cinq ans le cadre général de programmes de collaboration. Selon Jean-François Sigrist, responsable de l’équipe de
recherche au sein de DCNS Research, ce MoU représente un avantage compétitif non
négligeable pour DCNS : « Nous allons développer avec l’université Dalhousie
de nouveaux travaux de recherche sur la “dynamique des structures” (bâtiments de surface, sous-marins, plateformes en mer…) et leur comportement en
milieu marin. Nous prévoyons également des échanges de scientifi ques entre
la France et le Canada, ou encore l’accueil d’étudiants (master, doctorat) ».
Ces perspectives encourageantes pour DCNS, en position de challenger face à la
concurrence venant des États-Unis, font écho à l’annonce par le Premier ministre
Harper et le Président Hollande en juin dernier d’une feuille de route en vue d’une
coopération bilatérale couvrant notamment la sécurité et la défense internationales.
Elles s’inscrivent également dans un climat de partenariat économique renforcé suite
à la signature récente de l’accord de libre échange entre le Canada et l’Europe.
ESSAIS DE DITCHING
DCNS Research et sa filiale SIREHNA® s’allient pour réaliser des essais de ditching performants.
Depuis plusieurs années, l’étude du
comportement des hélicoptères en cas
d’amerrissage d’urgence est devenue
indispensable dans le cadre de la certification
des systèmes de flottabilité et de sécurité
équipant ces appareils. Ces essais permettent
également d’obtenir des données accessibles
uniquement de façon expérimentale, des
essais de ce type étant inconcevables à l’échelle
réelle. Pour le constructeur et/ou le fournisseur
des systèmes de flottabilité, l’objectif
est de valider la stabilité dynamique de
l’hélicoptère pour différentes configurations
de ballons, de centre de gravité et de
conditions environnementales (mer et vent),
stabilité qui permettra à l’équipage de sortir
de l’engin en cas d’amerrissage d’urgence.
Il existe à ce jour deux types d’essais
d’amerrissage : les essais de stabilité
dynamique, dont l’objectif est de valider
la tenue à la mer de l’hélicoptère une fois
l’amerrissage effectué ; les essais de ditching,
dont l’objectif est de caractériser la phase
d’amerrissage à proprement parler. Pour
ces deux types d’essais, il s’agit pour DCNS
Research/SIREHNA® de fournir une prestation
complète d’essais : spécification et réalisation
de la maquette et du système de flottabilité ;
équilibrage ; choix du moyen d’essai ;
réalisation et analyse des essais.
TRAVAUX DE RECHERCHE
2013
Fabien Gaugain
« Analyse expérimentale et simulation
numérique de l’interaction fluidestructure d’un hydrofoil élastique en
écoulement subcavitant et cavitant »
Thèse de doctorat à l’École nationale
supérieure d’arts et métiers de Paris,
décembre 2013.
Marine Robin
« Validation d’une chaîne de calcul
couplé fluide-structure pour le
dimensionnement des structures
sous écoulement »
Rapport de stage à l’École nationale
supérieure de l’énergie, l’eau et
l’environnement – Grenoble INP,
2013.
Élise Chevallier
« Vers la simulation numérique
de l’interaction fluide-structure
en grands déplacements »
Rapport de stage à l’Enseirb-Matméca
– Bordeaux, septembre 2013.
David Louboutin
« Acquisitions données
expérimentales sur configurations
DCNS comparaisons avec logiciels
de simulation (civa et athena)
et de modélisation (mina) »
Rapport de stage 2013 :
« Propagation des ondes ultrasonores
dans des soudures austénitiques »
– Institut Français de Mécanique
Appliquée.
Alexandre Rochas
« Faisabilité d’un rouet de pompe eau
de mer en matériaux composites –
application bâtiments de surface »
Rapport de stage à l’Ensiacet,
août 2013.
Lucie Rouleau
« Modélisation vibro-acoustique
de structures sandwich munies
de matériaux viscoélastiques »
Thèse de doctorat du Conservatoire
national des arts et métiers de Paris,
octobre 2013.
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ACTUALITÉS
FAITS MARQUANTS
RESEARCH DAYS 2013
Nantes-Indret (France), du 25 au 26 juin
2013. Le 25 juin, en partenariat avec
l’école de management Audencia
et le cabinet Bessé, plus de 220 personnes,
acteurs régionaux et nationaux
de l’économie, de la recherche et
de l’enseignement, se sont retrouvées
à l’initiative de DCNS Research autour
de 15 experts et spécialistes pour initier
un dialogue constructif sur la maîtrise
des risques, facteur clé de l’innovation.
INDIA-FRANCE TECHNOLOGY SUMMIT
New Delhi (Inde), du 23 au 24 octobre 2013.
Participation au Technology Summit
et présentation des avancées
technologiques et innovations ainsi
que des partenariats avec les universités
indiennes (MoU).
Du prototypage rapide
à la fabrication directe !
La fabrication additive ou impression 3D regroupe l’ensemble des procédés permettant de fabriquer, couche par couche, par ajout de matière, un
objet physique à partir d’un objet numérique.
Ces nombreux procédés peuvent être catégorisés par type de matériaux employés
(métalliques, polymères, céramiques, sous forme de liquide, poudre, tôle ou
fil) ou par technique de déposition (sept grandes familles, dont la déposition
à énergie dirigée et la fusion de lit de poudre pour les matériaux métalliques).
Cette approche fournit un certain nombre d’avantages : liberté de conception
géométrique sans égale, fabrication de pièces près des cotes finales et dans des
délais de démarrage courts. Les applications actuelles concernent de nombreux
domaines tels que le médical, l’outillage, l’automobile, la mode… mais aussi l’énergie et l’aéronautique.
Le potentiel d’applications à DCNS est large ; pour des pièces à géométrie complexe,
pour des revêtements voire des pièces à gradient de composition, pour des
réparations au neuvage ou lors de la maintenance, procédé seul ou en hybridation
avec d’autres procédés (compaction isostatique à chaud de poudres, par exemple).
Des premiers travaux encourageants ont déjà été menés par DCNS Research pour
évaluer le potentiel du procédé pour des aciers inoxydables et alliages de titane et
son intérêt technico-économique, en particulier pour la fabrication d’échangeurs à
plaques difficilement réalisables par voie traditionnelle.
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EUROPORT 2013
Rotterdam (Pays-Bas), du 5 au
8 novembre 2013. DCNS Research
était au rendez-vous international
des sciences et technologies marines.
Au programme, l’amélioration des
consommations d’énergies et la
limitation des émissions de pollution.
METS 2013
Amsterdam (Pays-Bas), du 19 au
21 novembre 2013. SIREHNA® s’est
vu exposer ses dernières innovations
et avancées technologiques au salon
Marine Equipment Trade Show dans
la catégorie « Super Yacht Pavilion ».
OMAE 2013
Nantes (France), du 9 au 14 juin 2013.
DCNS Research était présent au forum
OMAE 2013 afin de présenter ses
dernières avancées technologiques et
échanger avec les experts, chercheurs,
ingénieurs, techniciens et étudiants
pour la valorisation des océans.
OFFSHORE EUROPE 2013
Aberdeen (Royaume-Uni), du 3 au
6 septembre 2013. Pour le quarantième
anniversaire du salon Offshore Europe,
DCNS Research a participé aux
conférences sur le thème « The next
50 years », où plus de 63 000 personnes
étaient attendues.
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RESEARCH_2
PERFORMANCES
NAUTIQUES ET
DYNAMIQUE
DES PLATEFORMES
MARINES
Du calcul de traînée de carène aux essais de
maquettes en bassin hydrodynamique, de la simulation de la tenue à la mer d’une structure à l’optimisation des propulseurs, de la conception des systèmes
de stabilisation dynamique à l’analyse du lancement
des armes sous-marines : cet axe regroupe toutes les
activités qui permettent de rendre les plateformes
marines, propulsées ou non, plus efficaces et plus
sûres dans les missions qu’elles ont à mener.
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PERFORMANCES NAUTIQUES ET DYNAMIQUE
DES PLATEFORMES MARINES
Virtual Ship : conception
intégrée de navire en phase
avant-projet
AUTEURS : Benoît Rafine et Julien Bénabès
Le projet Virtual Ship est un projet de R&D, initié par DCNS Research. Son objectif est la réalisation
d’un environnement logiciel pour la conception optimale d’architecture de navire armé en phase
avant-vente. Virtual Ship est une plateforme numérique collaborative d’intégration multiphysique,
multidiscipline et multiéchelle. Ce projet est piloté par le CEMIS en collaboration avec SIREHNA®.
Contexte de l’étude
La conception d’un système naval fait partie des grands projets
industriels les plus complexes. Par exemple, pesant plus de
12 000 tonnes, Le Terrible, dernier né des SNLE français, intègre
un million de composants et sa réalisation requiert 15 millions
d’heures de travail et mobilise 6 000 entreprises sous la maîtrise
d’œuvre de DCNS. À titre de comparaison, une voiture de 1,9 tonne
n’est constituée « que » de 3 000 pièces, dont l’assemblage s’effectue
en 23 heures de main-d’œuvre. Le budget de fabrication d’un navire
armé se situe généralement entre 1 et 10 milliards d’euros, pour une
quantité limitée de 1 à 10 exemplaires avec des durées de vie avoisinant une cinquantaine d’années. Un navire armé doit intégrer un
nombre important de sous-systèmes et d’équipements fabriqués
indépendamment du projet. Il intègre également un nombre très
important de fonctions différentes parfois antagonistes et doit
pouvoir fonctionner dans un milieu hostile et agressif.
De nombreux domaines scientifiques hétérogènes participent à la
définition technique et opérationnelle du navire. Ces domaines
scientifiques ne manipulent pas les mêmes variables de conception,
ne nécessitent pas le même niveau de détails ni les mêmes temps de
calcul. La conception d’un navire armé est donc une activité de
conception multidisciplinaire, où le défi de l’architecte système
naval est d’avoir une vision globale des performances du système
afin de faciliter ses choix de conception. La phase d’étude préliminaire, dite « avant-vente », est fondamentale dans le processus global de conception du navire. En effet, dans cette phase, il existe une
relation étroite entre le client et DCNS, afin de structurer et clarifier
le besoin du client et de permettre la recherche des meilleures
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configurations technico-économiques du navire. C’est dans cette
phase que la liberté dans les choix de conception est la plus grande,
ce qui permet d’explorer des solutions innovantes. Enfin, les
connaissances du comportement global du navire doivent s’accroître rapidement dans cette phase, l’objectif étant de minimiser
au plus vite les risques technologiques, afin de mieux maîtriser les
coûts et de pouvoir fournir au client une offre engageante.
Évolution de la maîtrise du produit sur le cycle de vie du projet.
Design Review
Contract
Development
Concept Design
Feasibility
Contract
Design
Définition
Validation
Contract
reference
cost
Budget
Assessment
System
knowledge
Design Review
Detailed
Design
Development
reference
cost
Production
reference
cost
100%
Ideal
Real
Dans ce contexte, DCNS Research a initié le projet de R&D Virtual
Ship. Ce projet a pour objectif la réalisation d’un environnement
logiciel collaboratif d’intégration multiphysique, multi-discipline et
multiéchelle pour la conception optimale d’architecture de navire
armé en phase avant-vente.
RESEARCH_2
Meta-model
NATO Architecture
Framework
Technical Requests Rules
& Standards Environment
Budget Technology
Ship Concept Cost
Estimate Technology Plan
Models
Functional
Physical
(Digital
Mock Up)
Behavioral
Probabilistic
NDMS
ASRU
EHCLS*
EHCLS*
Decoy launcher
DECOY'S
LAUNCHERS
Design Space
Mutli-Physics
Simulation
Optimization
Strategy
Visualization
Multi-Objectives
Analysis
Architecture de
l’environnement Virtual Ship.
Objectifs et résultats attendus
Les principaux résultats scientifiques attendus du projet Virtual
Ship sont :
• une meilleure gestion, structurée et partagée au niveau système,
des exigences de conception (besoin client, contraintes de fabrication, contraintes budgétaires…) ;
• une connexion entre la modélisation fonctionnelle (exigences et
fonctions) du navire et sa maquette numérique (description physique);
• une jonction directe sans rupture entre les résultats de simulation
de performances du navire et son architecture fonctionnelle ;
• une approche plus automatisée de la phase avant-vente pour
réduire les temps de réponse et gagner en temps d’étude ;
• une exploration efficace (plus complète et optimale) de l’espace
de conception ;
• de meilleures justification et traçabilité des choix de conception ;
• une capitalisation des connaissances facilitée dès la phase
avant-vente ;
• une collaboration plus étroite entre les différents intervenants.
Verrous technologiques
Le développement de cette plateforme logicielle Virtual Ship
nécessite de traiter plusieurs verrous technologiques et industriels,
en particulier :
• la création d’un modèle d’architecture globale du navire armé : le
cadre d’architecture NAF (NATO Architecture Framework) sera
adapté à la description des sous-modèles opérationnel (besoins
clients) et fonctionnel (fonctions du navire et exigences techniques). Ce cadre NAF sera connecté au modèle organique du
navire (arborescence physique et maquette numérique) ;
• l’articulation et la cohérence de tous les modèles participant à la
défi nition technique et opérationnelle du navire. Il s’agit de faire
dialoguer les modèles de performances du navire avec le modèle
d’architecture du navire lui-même (interopérabilité entre
modèles) ;
• la jonction sans rupture entre la modélisation d’architecture du
RESEARCH_2
navire armé et les moyens de simulation multiphysique pour assurer le couplage direct entre l’analyse fonctionnelle du navire et ses
exigences et les simulations numériques de performances ;
• la mise en œuvre de stratégies d’optimisation multiphysique et
multidisciplinaire pour l’exploration Pareto-optimale de l’espace de
conception sous contraintes de temps et de ressources ;
• l’intégration, dans les prises de décisions collaboratives, d’avis
d’experts souvent contradictoires et parfois subjectifs ;
• la gestion des données, dans un contexte de système complexe et
d’environnement de conception collaboratif ;
• la modification a minima des modèles de performances existants
du navire armé en vue de leurs intégration et utilisation dans la
plateforme logicielle ;
• l’introduction dans l’outil Virtual Ship de contraintes industrielles ;
• la qualification de tous les modèles de performances et la cohérence de leur domaine de validité.
Ce projet Virtual Ship est un projet ambitieux et fédérateur des
activités de DCNS Research. Sa réalisation s’appuie sur une collaboration étroite avec l’ingénierie DCNS. La finalité est de fournir un
outil pratique d’aide à la gestion d’un système complexe que seules
l’imagination et l’expérience ne peuvent totalement appréhender.
_RÉFÉRENCES
A. BOVIS. Naval Systems : The Virtual Ship. Proceedings of the CSD&M.
Conference, 2013.
C. KERNS, A. BROWN, D. WOODWARD. Application of a DoDAF
Total-Ship System Architecture in Building a Design Reference Mission for
Assessing Naval Ship Operational Effectiveness. Proceedings of the ASNE
Global Deterrence and Defense Symposium, 2011.
M. BOLE, C. FORREST. Early Stage Integrated Parametric Ship Design.
Proceedings of the ICCAS Conference, 2005.
A . PAPANIKOLAOU, S. HARRIES, M. WILKEN, G. ZARAPHONITIS.
Integrated Design and Multiobjective Optimization Approach to Ship
Design. Proceedings of the ICCAS Conference, 2011.
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(1)
MAX : maquette autonome
et générique pour
l’étude de la manœuvrabilité
des sous-marins
AUTEURS : Jérémie Raymond
La conception hydrodynamique d’un sous-marin nécessite de figer la forme de la carène très tôt dans
l’avant-projet. Les méthodes numériques permettent de tester différentes configurations hydrodynamiques pour un projet de navire. Elles sont utilisées en phase d’avant-projet pour comparer les
designs et hiérarchiser leurs performances. Néanmoins, la conception hydrodynamique d’un sousmarin reste une science empirique. Il est donc impossible de tout miser sur l’approche numérique.
Une fois qu’un design fait l’unanimité, il faut le caractériser dans le monde « réel », par des essais.
C’est à ce stade que la nouvelle maquette MAX intervient. Elle permet d’obtenir cette caractérisation
très rapidement. De plus, des comparaisons de plusieurs variantes d’appareils à gouverner peuvent
être effectuées. MAX autorise l’analyse de manœuvres complexes encore non accessibles, à ce jour,
par les simulations numériques. Elle permet également de valider les codes de calcul, et s’inscrit ainsi
comme un développement parallèle et complémentaire du bassin numérique.
MAX : un drone sous-marin aux fonctions multiples
La conception et la fabrication, débutées en décembre 2011,
ont été confiées par l’ingénierie SMA à DCNS Research/
SIREHNA®, qui assure également la mise en œuvre opérationnelle de MAX durant sa phase d’exploitation. Simple et rapide
à mettre en œuvre, MAX est autonome, autopilotée en immersion et en surface, reprogrammable pour tester rapidement
différentes confi gurations, et adaptée aux échelles hydrodynamiques représentatives de toute la gamme des sous-marins
DCNS.
Elle permet notamment :
• de dimensionner l’appareil à gouverner ;
• de réaliser des essais de manœuvrabilité (DG, DT) permettant l’identification du modèle mathématique du navire ;
• d’étudier l’impact d’appendices spécifiques (ceintures,
valises, DDS, etc.) ;
14
• de mettre au point des lois de pilotage ;
• de réaliser des études spécifiques comme l’effet de la proximité du fond sur le comportement du navire.
Si l’année 2012 a été consacrée à la conception de l’engin, l’année 2013 a été marquée par l’assemblage de la maquette et la
réalisation des essais de qualification en mer.
Concept général
Le concept général retenu est celui d’un outil générique, c’està-dire facilement adaptable aux formes et aux caractéristiques
de la gamme de sous-marins DCNS. L’engin est constitué d’un
squelette générique constitué essentiellement d’un corps
étanche en aluminium de 4 m de longueur sur lequel viennent
s’adapter les éléments spécifiques du sous-marin à représenter
(massif, formes extérieures, AGO). Une fois assemblée, la
maquette mesure entre 7 m et 10 m en fonction de l’engin
représenté pour un diamètre de l’ordre de 80 cm et une masse
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d’environ 2 tonnes. Dimensionnée pour évoluer jusqu’à 70 m de
profondeur, l’immersion de travail se situe entre 15 m et 40 m.
Systèmes embarqués
MAX dispose de six actionneurs de barre indépendants permettant de piloter les barres de direction et de plongée. La
propulsion est assurée par un moteur de 2 kW et le propulseur
est adaptable à chaque nouveau projet. Deux calculateurs de
contrôle-commande assurent les fonctions de pilotage et de
gestion des sécurités. L’acquisition des données d’essai est
confiée à une centrale d’acquisition dédiée. Une centrale inertielle de type IMU90 et un loch électromagnétique permettent
de connaître à chaque instant la vitesse et l’attitude du sousmarin. Le système de pesée est automatique et réalisé grâce à
un ballast fermé. Un dispositif de communication acoustique
permet de déterminer la position approximative de l’engin en
immersion et de le suivre pendant son évolution. Enfin, un
système de communication Wi-Fi permet le pilotage en surface
et la récupération des données d’essai dès la prise de surface
de la maquette et la planification de la mission suivante.
Vue de l’appareil à gouverner.
Essais et premières conclusions
Après une phase d’assemblage et de recette en atelier de
sept mois (janvier-juillet 2013), le grand bain a eu lieu en septembre. Pour l’occasion, MAX a été configurée en version
Scorpène® Chili, sous-marin pour lequel on dispose de nombreuses données qui permettent de comparer le comportement de la maquette à celui du sous-marin réel. Les essais se
sont déroulés de septembre à novembre sur le site de La Ciotat
(entre Toulon et Marseille). Ils ont permis de valider d’une part
les grandes qualités opérationnelles de l’engin (capacité à réaliser des manœuvres complexes, facilité de mise en œuvre,
productivité) et d’autre part la bonne représentativité de MAX
par rapport au sous-marin réel.
Perspectives 2014
Équipée d’un shelter et d’une logistique d’essai dédiée, MAX
est projetable rapidement sur différents lieux d’essais en mer
ou en lac. L’année 2014 devrait voir la réalisation d’essais par le
programme SCO400 pour dimensionner l’appareil à gouverner
et pour réaliser des essais spécifiquement destinés à l’identification du modèle de manœuvrabilité. La possibilité d’utiliser
MAX en version torpille pour l’étude de l’autodémarrage est
également envisagée. Enjeu majeur pour DCNS, Vincent
Geiger, Directeur Adjoint Architecture d’Ensemble Dissuasion
(AED) chez SMA, confi rme : « MAX devrait permettre de diviser le temps de cycle des travaux de conception hydrodynamique par deux et les coûts, par quatre. »
(1) En hommage au père des études sur la manœuvrabilité des sous-marins,
M. Max Aucher. Max Aucher (X 1942), directeur du Bassin d’essais des carènes de
1979 à 1982, achève le modèle mathématique de manœuvrabilité des sous-marins,
met au point une méthode d’extrapolation à l’échelle 1 des essais sur modèle
de résistance et d’autopropulsion des bâtiments de surface, et contribue aux
recherches de réduction de bruit des propulseurs.
RESEARCH_2
Navigation de MAX en surface.
Mise à l’eau.
15
16
RESEARCH_2
TENUE DES
STRUCTURES
EN SERVICE
Au cours de leur vie, les structures, qu’elles soient
métalliques ou non, subissent des agressions naturelles ou accidentelles : la corrosion, l’impact des
paquets de mer, le feu, le choc. Jour après jour, elles font
aussi face à des phénomènes de fatigue et de vieillissement. Ces agressions et autres phénomènes liés au
temps nécessitent des calculs et des essais permettant
d’évaluer la durabilité des structures ainsi que d’identifier et tester des solutions technologiques permettant de l’augmenter.
RESEARCH_2
17
TENUE DES STRUCTURES EN SERVICE
Modélisation des
transmissions mécaniques
de propulsion
AUTEUR : Romain Fargère
La transmission de puissance est une préoccupation de tout premier ordre sur un navire et touche toute la
chaîne cinématique, du réducteur jusqu’à l’hélice de propulsion. Les enjeux y sont multiples : fiabilité, discrétion acoustique, coût de production. Afin de répondre efficacement à chacune des problématiques, DCNS
Research travaille depuis plusieurs années sur la mise au point d’outils numériques dédiés, dont la spécificité
est la prise en compte des couplages entre les différents organes et les phénomènes physiques. Longtemps
utilisés à des fins de recherche, ces outils sont en cours de déploiement dans les départements d’ingénierie
concernés. Ils offrent de nouvelles perspectives, tant sur les méthodes de travail, favorisant les corrélations
numériques/expérimentales, que sur les choix de conception des différents organes sur les navires à venir.
La transmission de puissance
La transmission de puissance est une préoccupation aux enjeux
très importants où se côtoient de nombreux organes complexes
et donc de nombreux phénomènes physiques : lignes d’arbre,
carters, engrenages, paliers, organes d’accouplement, etc.
les bureaux d’études ont eu accès à des outils performants mais
découplés les uns des autres, nécessitant de nombreuses itérations manuelles et proposant une description assez simplifiée de
la physique des problèmes. Les contraintes (de discrétion ou de
coûts) de plus en plus fortes ainsi que la complexité des systèmes
actuels rendent nécessaire le développement d’outils nouveaux à
la croisée de plusieurs domaines de la physique. Le développement de ces outils est du ressort des ingénieurs de recherche de
DCNS Research selon une démarche pouvant être résumée en
quelques étapes principales :
Des phénomènes globaux de vibration de ligne d’arbre et de carter donnant lieu à des problèmes de discrétion acoustique sont
mêlés à des phénomènes très locaux. Ces derniers concernent
principalement les contacts de dentures et les paliers, et nécessitent une attention particulière,
dans les phases aussi bien de
Carter de réducteur
Organe moteur
conception que de fabrication.
(vitesse élevée)
Dentures en contact
= excitation
Ligne d’arbre excitée
Le développement d’outils
dédiés
DCNS a longtemps utilisé des
outils très performants basés
sur un empirisme important
ainsi que sur l’expérience de ses
techniciens et ingénieurs.
Plus récemment, avec le développement des outils numériques,
18
Organe récepteur
(faible vitesse)
1BMJFSTnVJEFT
(= support actif)
Schématisation de la chaîne cinématique d’un navire.
RESEARCH_2
• analyse du problème/étude bibliographique ;
• mise en équations ;
• numérisation/discrétisation ;
• développement de la méthode de résolution ;
• développement des interfaces de communication (IHM).
Un exemple de transfert : logiciel de simulation
de réducteur
Si un logiciel de palier hydrodynamique a déjà été transféré
des équipes de DCNS Research aux départements d’ingénierie
concernés, un logiciel de simulation de comportement dynamique de réducteur de vitesse est en cours de transfert. Ce
dernier est, en outre, un exemple de travail collaboratif
puisque développé en partie en collaboration avec un laboratoire de recherche rompu à cette thématique : le LaMCoS de
l’INSA Lyon.
L’outil en question est composé d’une interface hommemachine (IHM), facilitant les phases de saisie de données et de
posttraitement, et d’un cœur de calcul assurant l’établissement et la résolution d’un système différentiel du second ordre
non linéaire à excitation paramétrique du type :
IHM
PRÉTRAITEMENT
Géométrie, maillage, fonctionnement...
Code de
calcul
Bouclage
thermique
Calcul statique
Résolution
paliers
Avancement
en temps
Mise à jour
contact
Résolution
équation
linéarisée
Convergence paliers ?
Convergence denture ?
POST TRAITEMENT (visualisation, écriture) : réactions et
UFNQÏSBUVSFTQBMJFSTDIBSHFNFOUEFOUVSFEJWFSTDPFGmDJFOUTy
Architecture du logiciel de simulation de comportement de réducteur.
[M] Ẍ + [C] Ẋ + [K + Keng (t ; X)] X = Q + Qpal (X ;Ẋ) + Qeng (t ; X)
Les difficultés posées par certains termes non linéaires
(termes de contact notamment tels que les paliers et engrenages) rendent nécessaire le développement d’une méthode
numérique particulière [1], basée sur l’important retour d’expérience du partenaire universitaire [2].
La qualification de l’outil, dernière étape
avant son utilisation
D’une manière générale, ces outils nécessitent une importante
phase de qualification, à laquelle DCNS Research est contributeur.
Durant cette dernière, chacune des fonctionnalités est testée
selon un cahier des charges rigoureux et les résultats comparés à
des résultats éprouvés. À ce titre, une campagne expérimentale
sur un banc d’essai de haute précision et de puissance importante
(plusieurs centaines de kW) est menée afin de comparer les résultats de simulations à des relevés de vibrations, températures,
efforts… en complément d’une précédente campagne [3].
Du point de vue de l’utilisateur fi nal, ce travail reste transparent et ce dernier dispose in fi ne d’un outil quasi sur mesure et
adapté à ses besoins spécifiques, tant en précision de modélisation qu’en pertinence des données d’entrée et de sortie
(chargement [répartitions et analyses temporelles et spectrales], pressions, températures, etc.), lui permettant une utilisation tout à fait traditionnelle de l’outil selon les étapes :
• phase d’entrée de paramètres ;
• calcul réalisé par l’outil ;
• exploitation et interprétation des résultats.
RESEARCH_2
Banc d’essai de réducteur simple étage.
Conclusion
Les travaux ci-dessus représentent une partie des outils transférés
aux ingénieries sur la thématique de la transmission de puissance.
Le développement d’extensions à ces outils est à l’étude (réducteurs
d’architectures complexes, paliers de différentes géométries,
comportement de carter, etc.). Ces travaux témoignent de
l’importance des liens entre DCNS Research et les départements
d’ingénierie, ainsi que du rôle joué par les partenaires de recherche
du Groupe.
_RÉFÉRENCES
[1] FARGERE R. 2012, « Simulation du comportement dynamique
des transmissions par engrenages sur paliers hydrodynamiques ».
Thèse de doctorat, Institut national des sciences appliquées
de Lyon, Villeurbanne, France, 203 p.
[2] VELEX P., MAATAR M. 1996, « A mathematical model for analyzing
the influence of shape deviations and mounting errors on gear
dynamic behaviour», Journal of Sound and Vibration, 191(5),
p. 629-660.
[3] BAUD S. 1998, « Développement et validation sur banc d’essais
de modèles du comportement dynamique de réducteurs à
engrenages à axes parallèles ». Thèse de doctorat, Institut national
des sciences appliquées de Lyon, Villeurbanne, France, 194 p.
19
Systèmes antennaires
en matériaux composites
AUTEUR : Patrick Parneix
Le projet collaboratif SAMCOM traite de la problématique d’insertion de fonctions antennaires dans les
structures en matériaux composites sous deux aspects : la conception d’antennes entièrement en
matériaux composites et l’intégration la plus compacte possible d’éléments antennaires fonctionnant en
réseau dans des structures porteuses en matériaux composites.
Des ambitions techniques fortes
L’évolution des besoins techniques et opérationnels conduit à
utiliser de plus en plus de moyens de télécommunication et donc
d’antennes sur les plateformes. Cette augmentation rapide génère
des difficultés croissantes d’intégration : problèmes de performances intrinsèques des équipements (TOS (1)), problèmes de
masquage, problèmes de compatibilité électromagnétique entre
systèmes, problèmes d’intégration physique, risques de dégradation des signatures (radar ou visuelle), problèmes de vulnérabilité
en milieu opérationnel.
L’ambition du projet SAMCOM est d’apporter des solutions à ces
différentes problématiques grâce aux matériaux et technologies
composites, et plus spécifiquement :
• en développant des antennes de communication large bande,
compactes, exploitables dans le domaine tant naval que
terrestre ;
• en recherchant des méthodes permettant l’intégration compacte
d’antennes et de réseaux d’antennes en parois composites.
Vers des matériaux composites à la carte,
multifonctionnels
Les systèmes de radiocommunication opérant dans des environnements sévères utilisent depuis près de trente ans, et avec
succès, les matériaux composites comme ossature et protection
des éléments rayonnants métalliques des antennes. En s’appuyant notamment sur l’expérience de DCNS dans le domaine
naval, le projet SAMCOM vise à mieux exploiter le potentiel de
ces matériaux : capacité d’ajuster localement les caractéristiques radioélectriques (matériaux diélectriques, conducteurs,
isolants…), intégration de composants ou motifs périodiques,
éléments multifonctionnels ; en d’autres termes, élaborer une
paroi composite « à la carte ».
20
Principales caractéristiques du projet SAMCOM.
SAMCOM (systèmes antennaires
en matériaux composites) :
• projet collaboratif FUI 9 ;
• co-labellisé par les Pôles EMC2 et Mer-Paca ;
• DCNS Research porteur de projet ;
• 6 partenaires : Thales Communications
& Security, institut d’électronique et des
télécommunications de Rennes (IETRUMR-6164,
Université de Rennes 1), Plastima Composites,
Cerpem, Cemcat et DCNS ;
• T0 : 1/12/2010 – Durée : 54 mois ;
• équipes DCNS impliquées : DCNS Research
CESMAN (pilote), DCNS Research CEMIS ;
• DCNS ING SMA, DCNS ING SNS
(Développements composites
– Dpt Communications), SER Brest.
Chacune des fonctionnalités nécessaires à une antenne composite
ainsi qu’à l’implantation en paroi d’antennes ou réseaux d’antennes
impose des exigences spécifiques et parfois contradictoires avec les
autres fonctionnalités. Une des étapes essentielles de SAMCOM est
donc de se doter d’une base de données la plus large possible sur
des matériaux existants ou à développer au sein du projet. Un travail important a été effectué par l’IETR pour la mise au point de
méthodologies fiables de mesures pour des matériaux de natures
très différentes et sur des bandes de fréquence étendues.
Outre les concepts de matériaux « traditionnels », usuels dans les
composites même si dans le cas d’espèce les performances visées
sont très élevées, des concepts de matériaux périodiques de type
surfaces haute impédance ont également été envisagés.
RESEARCH_2
Des antennes large bande « tout composite »
Un projet très collaboratif
L’emploi de tissus de fibre de carbone comme élément(s)
rayonnant(s) de structures antennaires a été investigué, dans un
premier temps sur des antennes de géométrie simple comme illustré ci-dessous, puis sur des dispositifs plus complexes. De nouveaux
concepts d’antennes de communication entièrement en matériaux
composites ont été développés, tant pour des applications civiles
que pour des applications plus spécifiquement militaires. Dans chacun des cas, des prototypes sont en phase de validation.
Comme tous les projets FUI, SAMCOM est un projet de recherche
appliquée visant au développement de produits ou technologies
susceptibles d’être mis sur le marché à court ou moyen terme. À ce
stade du projet, il est manifeste que des avancées palpables ont été
enregistrées, allant jusqu’à des dépôts de brevet. Certaines de ces
avancées sont susceptibles d’être exploitées commercialement à
court terme et peut-être même avant la fin du projet.
Les antennes développées réussissent la gageure de présenter des
performances radiofréquences élevées, tout en atteignant les objectifs initiaux de compacité et de largeur de bande de fréquence. Le
fonctionnement des antennes en paroi sera validé sur des démonstrateurs représentatifs de leur environnement réel, dans un contexte
civil pour application terrestre d’une part, dans un contexte naval et
militaire d’autre part (travaux prévus en 2014).
Des parois porteuses favorisant l’implantation
compacte des antennes
L’enjeu de cette partie du projet est de développer les technologies nécessaires et de définir les règles d’implantation des
antennes en paroi composite, de façon à :
• optimiser le diagramme de rayonnement des antennes unitaires
intégrées ;
• assurer un découplage permettant le rapprochement physique
de ces antennes.
Des solutions originales ont été développées et seront ellesmêmes validées sur les démonstrateurs évoqués ci-dessus. Cette
phase ultime du projet devrait permettre d’évaluer, outre le fonctionnement des antennes individuelles dans différentes configurations d’implantation, la capacité du dispositif à fonctionner en
réseau et à assurer une veille permanente.
La qualité et l’implication des partenaires, le soutien des cofinanceurs (État, région Pays de la Loire), l’excellent esprit collaboratif
favorisé par le nombre réduit de partenaires, leur complémentarité et la proximité géographique sont sans doute les clés de l’efficacité du projet. DCNS y prend une part active à la fois en tant
que porteur de projet (DCNS Research) mais également par la
contribution déterminante d’équipes du CESMAN (Matériaux)
du CEMIS (Électromagnétisme), de SMA (Ingénierie), de SNS
(Atelier Matériaux Composites, Dpt Systèmes de communication)
et de SER (Laboratoire Hyperfréquence de Brest).
(1) Taux d’ondes stationnaires.
_RÉFÉRENCES
P. PARNEIX. Systèmes antennaires en matériaux composites.
13es Journées de caractérisation micro-ondes et matériaux.
Nantes, du 24 au 26 mars 2014.
L. MANAC’H, X. CASTEL, M. HIMDI. Carbon-Fiber Tissue as Radiating
Element : Toward Pure Composite Materials Antennas.
« International Conference on Electronic Materials. »
IUMRS-ICEM 2012, du 23 au 28 septembre 2012, Yokohama, Japon.
L. MANAC’H, X. CASTEL, M. HIMDI. « Performance of a lozenge
monopole antenna made of pure composite laminate. »
PIERS Letters. Vol. 35, 115-123, 2012.
Exemple de matériaux conducteurs évalués.
Antennes composites avec éléments rayonnants en cuivre et en fibre de carbone [2].
RESEARCH_2
Exemples de diagramme de rayonnement d’un réseau d’antennes
intégrées en mâture composite à différentes bandes de fréquence.
21
Matériaux composites
multifonctionnels pour
applications navales militaires
AUTEURS : Patrick PARNEIX et Mathieu PRISER
Les propriétés intrinsèques des matériaux composites en font naturellement des matériaux multifonctionnels. Ces propriétés ont dans un premier temps été exploitées pour réaliser des structures amagnétiques,
légères, durables en milieu marin. Progressivement, le choix des composants, la conception des parois ont
été optimisés afin de rechercher cette multifonctionnalité, soit par l’emploi de fibres, résines, matériaux
d’âme, eux-mêmes multifonctionnels, soit en exploitant la capacité des composites à intégrer en leur sein
des composants étrangers à la structure. Cette tendance s’amplifie puisque l’on cherche de plus en plus,
souvent pour des raisons de durabilité ou de performances accrues, à intégrer dans la paroi même des
fonctions jusque-là externalisées (revêtements principalement) ou à concevoir des revêtements euxmêmes multifonctionnels. De nouveaux concepts de matériaux apparaissent, tels que les matériaux
« intelligents » ou encore les métamatériaux.
Des matériaux naturellement multifonctionnels
Les toutes premières applications des matériaux composites et
plus spécifiquement dans le naval militaire sont dues à leur
absence de corrosion et plus largement à leur bon vieillissement en milieu marin. Cette propriété reste un argument fort
pour la durabilité des structures navales en composites et leur
coût de possession limité. L’amagnétisme de ces matériaux fut
déterminant pour leur utilisation en tant que matériaux de
coque, pour les chasseurs de mines. Légèreté, faible conductivité thermique, transparence aux ondes acoustiques, les
exemples sont nombreux où les caractéristiques spécifiques
des matériaux composites ont conduit à des applications structurelles, multifonctionnelles puisque le choix du concepteur
était guidé tant par la capacité des composites à assumer un
rôle structural que par la fonctionnalité particulière apportée
par cette famille de matériaux.
Vers des matériaux composites à la carte,
multifonctionnels
Progressivement, le souci d’optimisation des structures a
conduit à rechercher l’intégration de fonctions nouvelles dans
les composites en choisissant les composants non plus au seul
22
critère de leurs performances mécaniques, mais sur la base
des autres performances (fonctions) qu’ils sont susceptibles
d’apporter au produit fi nal. Par ailleurs, l’aptitude des composites à intégrer dans leur structure même des composants
étrangers apportant une fonction nouvelle, et ce, en minimisant l’impact sur les performances mécaniques, a été exploitée. Le développement de procédés de transformation tels que
le moulage par infusion sous vide contribue grandement à
cette évolution.
> Des fonctions nouvelles par l’intégration de composants
étrangers à la structure
Un des exemples les plus anciens concerne l’intégration de la
fonction de blindage électromagnétique dans des parois diélectriques. Différentes technologies ont été employées, notamment l’intégration entre les plis de composites à fibre de verre,
de fi ns grillages métalliques ou de tissus métallisés.
La capacité à intégrer des capteurs et à véhiculer de l’information permettant de renseigner sur l’état de déformation ou la
santé interne des structures composites a ensuite été exploitée notamment via des fibres optiques à réseaux de Bragg [1].
RESEARCH_2
CMT de classe Eridan.
SNLE/NG classe Le Triomphant.
Plus récemment, des travaux ont également été conduits sur
d’autres modes de contrôle de santé interne et notamment sur
l’intégration de capteurs piézoélectriques permettant de renseigner sur des états d’endommagement locaux de la structure
en matériaux composites [2] [3].
Autre fonction intégrable, la fonction antennaire. Nous verrons
plus avant que des travaux récents plaident pour des antennes
intégralement en matériaux composites. L’insertion en parois
composites de motifs périodiques permet de constituer des
surfaces sélectives en fréquences permettant par exemple de
réaliser des fi ltres fréquentiels pour des parois de radômes.
Les matériaux composites à matrice organique font preuve
d’une relative souplesse quant à leur aptitude à intégrer des
composants étrangers en leur sein. Néanmoins, les « corps
étrangers » introduits dans la structure composite constituent
de façon générale un défaut dont il convient de minimiser
l’impact sur la performance mécanique d’ensemble de la paroi.
> Des fonctions nouvelles par le choix de composants
eux-mêmes multifonctionnels
Si le choix est donné, on s’orientera donc préférentiellement vers
des composants eux-mêmes multifonctionnels, pour conférer à
la pièce composite des missions autres que purement structurales. Ainsi, pour le blindage électromagnétique, on trouvera
avantage à remplacer les grillages par des tissus de carbone
structurels. Des fonctions antennaires peuvent être réalisées
intégralement à partir de matériaux composites, tout comme le
découplage entre antennes intégrées en paroi peut être réalisé
via des matériaux composites très spécifiques. L’emploi de certains matériaux d’âme, des choix pertinents des renforts fibreux
ou résines ou des concepts de parois conduiront à des structures porteuses « transparentes » aux ondes électromagnétiques ou, a contrario, absorbantes.
Très clairement, le choix de composants multifonctionnels
offre davantage de garanties sur la pérennité des structures en
matériaux composites, et les évolutions dans le domaine naval
RESEARCH_2
Insertion de capteurs
piézoélectriques.
Surfaces sélectives en fréquences.
militaire vont nettement dans cette direction. La principale
difficulté est d’identifier et qualifier les bons matériaux.
Concepts futurs
Dans tous les domaines, la recherche de matériaux multifonctionnels est particulièrement active. Dans le domaine naval,
trois axes de développement peuvent être mis en avant :
• la poursuite de l’intégration au sein même de la structure de
fonctions plutôt réservées à l’heure actuelle à des revêtements ;
• le développement de matériaux intelligents allant de simples
matériaux sensibles vers des matériaux capables de réaction ;
• l’émergence de nouveaux concepts de matériaux.
Dans la logique qui conduit à rechercher des parois porteuses de
plus en plus fonctionnalisées, il est naturel d’envisager l’insertion dans les structures de fonctions jusqu’alors prises en charge
par des revêtements.
Parmi les fonctions évoquées dans cette communication,
l’exemple de la furtivité radar est ainsi significatif. L’épaisseur
des pans de superstructures, leur structure sandwich permettent d’envisager différents concepts de parois structurales
absorbantes, assurant des performances « large bande » difficiles à atteindre avec un simple revêtement. L’intégration de la
fonction au cœur même de la structure offre en outre une
garantie supplémentaire de durabilité par rapport aux solutions
« revêtements » : pas de dégradation de l’absorbant, pas de
décollement, maintenance facilitée, etc.
Le concept de matériaux « intelligents » (smart materials) couvre
un domaine très large qui peut être décrit comme celui des matériaux conçus « dont une ou plusieurs propriétés peuvent être significativement changées d’une façon contrôlée, par des stimulus
externes comme une contrainte mécanique, la température, l’humidité, le pH, des champs (courants) magnétiques ou électriques ».
L’ensemble de ces fonctionnalités intéresse évidemment le naval
militaire pour différentes applications, et des travaux ont été engagés dès le début des années 1990. L’évolution vers des matériaux
23
intelligents de plus en plus autonomes, constitue un axe fort de
développement, principalement dans les domaines de l’acoustique
et de l’électromagnétisme : matériaux acoustiques adaptatifs (piézoélectricité, électro-rhéologie…), matériaux hyperfréquences
adaptatifs (furtivité, intégrations antennaires), nanotechnologies.
Au cours des dernières décennies, de nouveaux concepts de
matériaux ont vu le jour. Ces matériaux, qui tirent profit de leur
structuration à une sous-échelle plutôt que des propriétés
intrinsèques de leurs constituants, constituent une nouvelle
classe de matériau car ils possèdent des propriétés qu’on ne
peut pas retrouver dans des matériaux naturels. Ces métamatériaux trouvent des applications dans de très nombreux
domaines de la physique et plus particulièrement dans le
domaine de l’électromagnétisme, même si de nouveaux concepts
commencent à voir le jour dans le domaine de l’acoustique.
C’est dans ce contexte que DCNS a financé un travail de thèse
soutenu en 2013 intitulé « Étude des interactions élastoacoustiques dans des métamatériaux formés d’inclusions
résonnantes réparties aléatoirement » [5]. Ce travail a permis de
mettre en évidence que des mécanismes de résonance locale de
particules dans une matrice élastomère pouvaient être exploités
pour accroître la performance des revêtements acoustiques de
coques. Ceci peut s’avérer particulièrement intéressant dans le
domaine des basses fréquences en ajustant la géométrie des
particules et les matériaux constitutifs.
Le principe de base utilisé dans ces matériaux est d’utiliser la
sous-structuration (aléatoire ou périodique) du matériau de
manière à générer des interférences entre objets à cette souséchelle et produire à une échelle macroscopique, représentative
du matériau, des propriétés apparentes « exotiques ». Néanmoins,
la plupart du temps ces matériaux présentent une efficacité en
bande relativement étroite en correspondance avec la taille caractéristique de la sous-structuration du matériau (pas du réseau
périodique, taille des objets d’une structure aléatoire…). L’un des
enjeux est donc de parvenir à mettre en exergue ces propriétés
sur une gamme de fréquence élargie.
Les métamatériaux constituent à l’heure actuelle une thématique de recherche très active et l’un des verrous technologiques
du concept de cape d’invisibilité qui permettrait d’assurer aux
structures navales militaires un niveau de furtivité (radar ou
acoustique) en rupture technologique par rapport aux niveaux
actuels.
En conclusion, comme dans d’autres domaines, les composites
employés dans le domaine naval militaire évoluent rapidement.
Au fi l du temps, on est passé d’une multifonctionnalité limitée à
l’exploitation de propriétés naturelles de ces matériaux, à une
multifonctionnalité « recherchée » jusqu’à conduire à des parois
complexes constituant elles-mêmes des systèmes intégrés. De
24
Champ des contraintes radiales lié
à un mécanisme de résonance dipolaire
d’une particule de type coreshell
soumise à une onde acoustique
incidente [6].
Caractérisation en piscine des
coefficients de réflexion et de
transmission de panneaux
acoustiques constitués d’une
dispersion aléatoire de particules
sphériques.
nouveaux concepts apparaissent faisant appel à des propriétés
insoupçonnées mettant à mal les perceptions et classifications
traditionnelles dans le domaine des matériaux. Évidemment,
DCNS se doit d’être actif dans ce domaine. L’exemple de la thèse
mentionnée plus haut en est une illustration.
_RÉFÉRENCES
[1] M. BUGAULT, P. FERDINAND, S. ROUGEAUD, V. DEWYNTERMARTY, P. PARNEIX, D. LUCAS. Health Monitoring of Composite
Plastic Waterworks Lock Gates Using in-Fibre Bragg Grating Sensors.
4th European Conference on Smart Structures and Materials,
Harrogate, Royaume-Uni, juillet 1998
[2] M. GRESIL, P. PARNEIX, M. LEMISTRE, D. PLACKO, J.-C. WALRICK.
Lamb wave propagation in a hybrid Glass/Carbon composite
laminate for electromagnetic shielding. 7th International Workshop
on Structural Health Monitoring, Stanford, États-Unis, septembre
2009.
[3] M. GRESIL, P. PARNEIX, M. LEMISTRE, J.-C. WALRICK, D. PLACKO.
Effet de l’insertion de blindage électromagnétique sur la
propagation des ondes de Lamb dans un composite à renforts
de fibres de verre. 16e Journée nationale sur les composites,
Toulouse, juin 2009.
[4] P. PARNEIX, M. PRISER. Matériaux composites multifonctionnels
pour applications navales militaires. ATMA 2013, Paris.
[5] G. LEPERT. « Étude des interactions élasto-acoustiques dans des
métamatériaux formés d’inclusions résonnantes réparties
aléatoirement », thèse de doctorat, I2M, Bordeaux, décembre 2013.
[6] G. LEPERT, C. ARISTÉGUI, O. PONCELET, T. BRUNET, C. AUDOLY et
P. PARNEIX. Study of the acoustic behavior of materials with
core-shell inclusions. Journées anglo-françaises d’acoustique
physique, Fréjus, janvier 2013.
RESEARCH_2
OPTIMISATION
ÉNERGÉTIQUE
En ces temps où l’énergie fossile devient de plus en
plus rare et coûteuse, il est vital d’envisager toutes les
solutions pour diminuer la consommation d’énergie.
Cela passe par une optimisation des formes de carènes,
des systèmes de conduite économique, des structures
allégées, ou encore la récupération de l’énergie de
stabilisation d’un navire. Les énergies nouvelles, dont les
énergies marines renouvelables, en quête de meilleurs
rendements, sont elles aussi à la pointe des recherches
de solutions permettant de mieux récupérer l’énergie,
la stocker et la transférer.
RESEARCH_2
25
OPTIMISATION ÉNERGÉTIQUE
Exploitation optimisée
de navires : simulations
et optimisations
AUTEURS : Charles-Édouard Cady et Christophe Gaufreton
Dans le cadre du projet FUI EONAV, un outil d’aide à la décision a été développé pour fournir des recommandations d’optimisation dans la conduite d’un navire. L’outil réalise des gains de l’ordre de 2 % sur la
consommation de fuel d’un navire. Trois types d’optimisation sont actuellement développés : vitesse, délestage électrique et optimisation de la charge sur les générateurs. La généricité de l’architecture adoptée
permet d’accueillir d’autres types d’optimisation (production de froid, d’eau, etc.).
Présentation
L’évolution de la réglementation internationale (objectif de diminution de 20 % des émissions de CO2 pour 2020) et le renchérissement durable du coût du pétrole amènent l’ensemble des acteurs de
l’industrie navale à proposer des innovations concernant l’amélioration de l’efficacité énergétique des navires en phase de conception
mais également en phase d’exploitation opérationnelle.
Le système EONAV (exploitation optimisée des navires pour
réduire les consommations d’énergie et les émissions) s’inscrit
donc dans cette préoccupation sur la protection de l’environnement et sur la maîtrise des coûts énergétiques pour les armateurs. L’orientation de DCNS Research sur l’optimisation
énergétique est conforme à son axe de développement stratégique pour d’une part maîtriser les enjeux énergétiques de
demain et d’autre part élargir sa gamme de produits innovants.
OAD (outils d’aide à la decision)
Optimisation
Le système EONAV a été pensé pour aider un équipage à optimiser la gestion énergétique du navire à travers différents leviers :
vitesse optimale, configuration de l’usine électrique et configuration des sous-stations électriques pour assurer un délestage.
D’autres optimisations comme la production d’eau, l’assiette…
peuvent s’ajouter aux premières, permettant d’améliorer les performances. Mais la maîtrise de la vitesse est un enjeu important
car elle représente entre 60 % et 80 % de la consommation totale
d’un navire.
26
Modèle énergétique de l’OAD
Le cœur de l’application repose sur un modèle énergétique
multi-physique et complexe du navire comprenant les composants suivants :
• modèle hydrodynamique intégrant les contraintes environnementales ;
• modèle mécanique contenant la partie « propulsion » du navire ;
• modèle électrique intégrant les générateurs et les consommateurs;
• modèle thermique regroupant les producteurs de froid/chaleur
et les consommateurs ;
• modèle d’émission.
Les algorithmes d’optimisation utilisent tout ou partie du modèle
énergétique pour minimiser la consommation de fuel. La réduction
des émissions découle directement de la consommation de fuel.
Modes d’utilisation
Avec le modèle énergétique du navire, trois modes d’utilisation de
l’OAD sont donc possibles :
• le mode planification permet de préparer un voyage en préconisant les vitesses à adopter sur les différentes routes et de proposer des configurations de l’usine électrique en fonction de
l’activité opérationnelle et des disponibilités des systèmes ;
• le mode monitoring s’utilise pendant le voyage. Il permet de
visualiser les indicateurs environnementaux (EEOI, CO2, SOx et
NOx) et le suivi des recommandations. L’outil s’adapte et met à
jour les solutions d’optimisation en fonction du parcours réellement suivi et à faire ;
RESEARCH_2
Présentation de l’IHM du mode monitoring.
• le mode analyse permet d’analyser et de comparer les voyages
effectués à partir des données enregistrées par le système. Il
contribue au SEEMP imposé par la réglementation. En outre, ce
mode permettra également de comparer le modèle avec les données enregistrées et de déceler d’éventuelles dérives de
l’équipement.
Innovations techniques
Conception d’un noyau de calcul formel
Les algorithmes d’optimisation utilisés nécessitent le calcul des
gradients, des jacobiens et des hessiennes. Le codage de ces fonctions peut être réalisé manuellement, mais cette méthode est
longue, source d’erreurs et peu maintenable. C’est pourquoi un
noyau de calcul formel a été spécifiquement créé pour cette
tâche. Il utilise des principes issus du λ-calcul et des simplifications sont opérées dès la construction des expressions, permettant de conserver un temps de calcul proche du codage direct.
Manipulation de simulateurs embarqués
Un canevas de manipulation de simulateur a été réalisé afi n de
pouvoir facilement ajouter des modèles et forcer des valeurs
(voire remplacer dynamiquement un modèle par une relecture
d’enregistrements) sans avoir à créer et maintenir manuellement
les connexions entre modèles. Pour ce faire, un algorithme de
chaînage avant/arrière infère automatiquement les dépendances
entre les modules. Des gains substantiels de performance sont
réalisés en utilisant un algorithme d’évaluation retardée.
Le profil de vitesse, par rapport au fond et à route fixée.
RESEARCH_2
27
Optimisations réalisées
Vitesse
Le profil de vitesse, par rapport au fond et à route fixée, est optimisé en tenant compte des efforts environnementaux. Chaque
profil de vitesse est simulé et l’on compare les profils entre eux par
la consommation totale de carburant qu’ils induisent sur le trajet.
Afin de réduire la taille du domaine à explorer, on prend des profils
de vitesse constants par morceaux, que l’on raffine récursivement
tout en gardant constant le temps de parcours total.
Générateurs diesel
La charge électrique est répartie sur chaque générateur diesel de
manière à minimiser la consommation instantanée totale. Pour
ce faire, on se base sur des courbes de consommation en fonction
de la charge que le noyau de calcul formel nous permet de manipuler comme des fonctions mathématiques. Un solveur implémentant la méthode du point intérieur permet ensuite de
résoudre le problème d’optimisation.
Délestage
On optimise les consommateurs électriques à connecter au
réseau en tenant compte de leur importance (vital, semi-vital,
non v ital) et de leur propension à perturber le réseau.
Mathématiquement, il s’agit d’un problème discret linéaire sous
contraintes linéaires que l’on résout en utilisant un solveur de
programmation linéaire. Le noyau de calcul formel permet
d’écrire ce problème simplement.
Exemple de recommandation : les disjoncteurs en rouge correspondent aux différences entre l’état actuel et l’optimisation
proposée.
Conclusion
L’outil a été validé à l’aide des données de consommation enregistrées sur le navire de croisière Norwegian Epic. Le calcul du
gain a été obtenu par comparaison entre la consommation réelle
et optimisée sur un voyage identique. Les résultats montrent que
l’outil d’aide à la décision améliore la consommation de fuel de 2 %
sur u n nav ire for tement opti m isé dans sa conception.
L’optimisation du coût provient de l’utilisation de l’optimisation de
la vitesse et de la production de l’énergie électrique. Ce projet est
une première étape dans la maîtrise énergétique d’un navire à
travers des outils d’aide à la décision. Ces résultats permettent
d’envisager des objectifs de diminution de 5 % de la consommation et des émissions d’un navire en ajoutant de nouvelles stratégies d’optimisation : production de froid, production d’eau,
assiette… Enfi n, l’outil d’aide à la décision à travers les indicateurs énergétiques est une réponse à la réglementation pour les
armateurs afin de leur permettre de gérer le plan de management
d’efficacité énergétique de leurs navires.
28
RESEARCH_2
INTELLIGENCE
EMBARQUÉE
La complexité croissante des opérations en mer,
associée à la réduction des équipages, nécessite que les
opérateurs soient aidés par des systèmes, partiellement
ou totalement automatisés, faisant appel à des lois
de commandes avancées, qu’il faut perpétuellement
améliorer et adapter aux nouvelles situations. Les
impératifs de sécurité et d’économies d’énergie doivent
également être intégrés dans les algorithmes de
commandes et les architectures des systèmes. Si l’on
pousse cette logique encore plus loin, on arrive dans le
monde des drones ou Unmanned Vehicules (UV), ces
engins autonomes, capables de mener des missions
sans intervention humaine.
RESEARCH_2
29
INTELLIGENCE EMBARQUÉE
Architecture d’un système
de guidage pour
véhicules autonomes
AUTEUR : Denis Gagneux
Les drones aériens (Unmanned Aerial Vehicles) ont vu leur utilisation exploser ces dernières années. Réservés
pendant longtemps à des usages militaires, ils se démocratisent désormais dans le secteur civil.
Les drones aériens (Unmanned Aerial Vehicles) ont vu leur
utilisation exploser ces dernières années. Réservés pendant
longtemps à des usages militaires, ils se démocratisent désormais dans le secteur civil. Les drones de surface (Unmanned
Surface Vehicles et les drones sous-marins (Unmanned
Underwater Vehicles , complémentaires aux drones aériens,
vont également voir leurs usages se démocratiser. Ils permettent de ménager le temps de l’homme, soit pour effectuer
des tâches répétitives, soit pour intervenir en milieu hostile.
Depuis le début des années 2000, alliant ses connaissances sur
les plateformes marines et sur les pilotes automatiques,
SIREHNA® (DCNS Research) accompagne cette révolution par
ses travaux sur les systèmes de guidage.
Les systèmes de guidage constituent le cœur des véhicules
autonomes. Développés par les ingénieurs de SIREHNA® pour
des drones marins, ces architectures logicielles et matérielles
sont le fruit d’une dizaine d’années de travaux de recherche et
d’expérimentation. Les USV et les UUV sont des véhicules
autonomes qui peuvent être utilisés dans des environnements
très divers allant de zones sécurisées (le trafic maritime étant
exclusivement réservé au drone) à des zones de trafic maritime
intense (ports, routes maritimes commerciales, etc.).
Dans un futur proche, l’adaptabilité du niveau d’autonomie de
ces engins permettra aux militaires et aux civils d’en varier les
utilisations : comme véhicule télécommandé, comme véhicule
dont l’évolution est surveillée par un opérateur distant, jusqu’à
un véhicule intégralement autonome. L’architecture de leurs
systèmes de guidage permet de répondre à toutes les exigences de navigation, tout en assurant sa sécurité et celle de
son environnement.
30
Le système de guidage est constitué d’un calculateur
principal (Command & Control) et d’un calculateur
secondaire (Safety)
Le calculateur principal assure les fonctions liées à la navigation,
notamment en intégrant un autopilote. Le calculateur secondaire
assure quant à lui la sécurité du véhicule et celle de son environnement : il contrôle notamment la cohérence des ordres émis par
l’autopilote, détecte les défaillances du véhicule et les collisions
potentielles avec les autres véhicules ou éléments de son environnement. En cas de détection d’un événement anormal, le calculateur secondaire prend le contrôle du véhicule pour le mettre en
sécurité. Il est alimenté par une source d’énergie différente et
redondée de celle du calculateur principal, lui permettant ainsi
d’être opérationnel en cas de panne électrique du système principal. Il est également relié à une station de supervision distante via
une liaison de communication dédiée indépendante à celle utilisée par le calculateur principal, ce qui permet à un opérateur
d’intervenir en cas de défaillance de la liaison de communication
du système principal.
La technologie de la liaison de communication varie en fonction du milieu environnant le véhicule autonome. Dans le cas
où il évolue en surface, une liaison hyperfréquence est utilisée,
dans le cas où il évolue sous la surface, il s’agira d’une liaison
acoustique. Pour éviter les collisions avec un élément de son
environnement, l’architecture peut être composée de différents capteurs : radar, AIS, laser, caméra ou sonar (seul capteur utilisable sur les véhicules sous-marins). De par leur
technologie, ces éléments sont complémentaires et permettent
d’augmenter la perception de l’environnement du véhicule.
RESEARCH_2
INTELLIGENCE EMBARQUÉE
Interface graphique de la station de supervision. L’opérateur surveille l’évolution du véhicule depuis le module de carte numérique.
L’architecture est actuellement déployée sur un drone de surface (Remorina) et sur une maquette sous-marine libre (MAX).
RESEARCH_2
31
32
RESEARCH_2
MAÎTRISE DE
L’INFORMATION
La multiplication des capteurs électromagnétiques,
optroniques et acoustiques, dans des situations opérationnelles très variées, a pour conséquence l’augmentation massive des données disponibles. La maîtrise
de l’information devient donc essentielle et nécessite
des traitements automatisés pour localiser, identifier,
caractériser, poursuivre… Le but est de mettre à disposition de l’opérateur des informations sûres, pertinentes et en temps réel, lui permettant de prendre la
meilleure décision possible.
RESEARCH_2
33
MAÎTRISE DE L’INFORMATION
De nouvelles solutions
dans les traitements
d’association de données
AUTEURS : Olivier Marceau, Daniel Vanderpooten*, Jean-Michel Vanpeperstraete
Les capteurs de bord d’un bâtiment fournissent des mesures descriptives des objets présents autour de la
plateforme. La fonction d’association de données joue un rôle clé pour obtenir une représentation synthétique de l’environnement du bâtiment à partir de ces mesures. Les travaux de DCNS Research visent à
proposer des solutions de traitement d’association de données qui consomment des informations cinématiques et qualitatives, en s’affranchissant d’hypothèses contraignantes (hypothèse de scan) sur la structure
d’arrivée des mesures des capteurs.
Présentation du problème
La fonction d’association de données d’un système multicapteurs (radar, capteur image infrarouge, etc.) est une composante technique critique de la gestion de la veille. Alors que
chaque capteur fournit des informations élémentaires (positions, angles, informations d’identification) décrivant les cibles
qu’il a détectées, la fonction d’association vise à regrouper les
informations des capteurs qui désignent la même cible.
(
).
décrit l’accumulation de
scans :
(1)
Modélisation mathématique du problème
d’association
Toutes les mesures sont supposées effectuées à des instants
fi xés
Une hypothèse candidate modélise une hypothèse de
regroupement de mesures qui désignent la même cible.
Plus précisément, est défi nie comme un sous-ensemble de
mesures issues de
tel que
avec
(en réalité, les mesures sont généralement asynchrones). À
chaque instant , le capteur fournit un ensemble de mesures
appelé « scan ».
où
la -ème
est le nombre de mesures reçues dans le scan et
mesure reçue dans le scan . La constitution d’une mesure
dépend du capteur : par exemple, un radar 2D mesure la distance
et l’angle d’azimut de chaque cible potentielle
34
pour tout
.
(2)
(3)
(2) indique que chaque hypothèse candidate ne peut pas
contenir plus d’une mesure de chaque scan.
(3) précise qu’une hypothèse candidate contient au moins
une mesure.
RESEARCH_2
La qualité d’une partition est évaluée au travers de la qualité
des hypothèses candidates
qui la constituent.
Chaque hypothèse candidate de la partition décrit un
regroupement de mesures cinématiques
d’autant plus
pertinent que celles-ci sont cohérentes d’un comportement
cinématique des cibles recherchées. Cette cohérence cinématique est évaluée via une probabilité notée
.
Ainsi, la partition optimale est celle qui maximise un critère
de cohérence cinématique de la forme suivante ([9]) :
(7)
Figure 1. Exemples d’hypothèses candidates.
avec qui désigne l’ensemble des partitions
et (6).
Le traitement d’association de données produit en sortie un
ensemble constitué de
hypothèses candidates.
(4)
doivent former une
Les hypothèses candidates
partition de
. Autrement dit, chaque mesure de
appartient à une et une seule hypothèse candidate constituant
pour tout
(5)
(6)
vérifiant (4), (5)
Le problème (7) est un problème d’optimisation discrète dont
la résolution exacte en temps polynomial ne peut pas être
garantie pour toutes les instances dès que
est strictement
supérieur à 2 ([9]). Ce problème d’optimisation appartient en
fait à la catégorie des problèmes dits « NP-complets » ([4]).
La résolution du problème d’association
Les équations (1) à (7) constituent la modélisation mathématique standard du problème d’association de données. Quand
le nombre de dimension vaut 2, le problème d’association de
données correspond au problème classique d’affectation pour
lequel existent des algorithmes exacts polynomiaux très
efficaces ([1,2]…). De nombreuses publications ([3,5,8,9]…)
proposent des algorithmes sous-optimaux mais efficaces en
temps de calcul quand le nombre de dimension est strictement
supérieur à 2.
Malgré le grand nombre de solutions disponibles, DCNS
Research développe des solutions innovantes pour associer les
données principalement pour les raisons suivantes :
• la contrainte de la structure de scan ;
• l’exploitation des données qualitatives.
Figure 2. Exemple de partition
RESEARCH_2
La contrainte de la structure de scan
La notion de scan est centrale dans la modélisation du problème d’association, et la plupart des algorithmes exploitent de
façon critique cette notion. Le scan modélise la manière dont
les mesures des senseurs sont présentées au traitement d’association de données. Dans le cas d’un capteur radar tournant, le
scan est l’ensemble des mesures collectées pendant une rotation complète de l’antenne. Mais aujourd’hui apparaissent des
problèmes opérationnels où l’asynchronisme des mesures rend
problématique la contrainte de modélisation imposée par la
35
structure de scan. Pour faire face à ce problème, DCNS
Research a développé des méthodes d’association de données innovantes et particulièrement efficaces qui s’affranchissent de la notion de scan.
L’exploitation des données qualitatives
La plupart des publications décrivent des solutions qui
exploitent automatiquement les mesures cinématiques (distance, azimut) dont les erreurs sont caractérisées par un
modèle statistique. Peu de publications ([6]) en revanche
décrivent des solutions pour exploiter des informations
qualitatives, non caractérisées d’un point de vue statistique. Les informations d’identification sont un exemple
d’informations qualitatives. Or les données qualitatives
peuvent être une source d’information supplémentaire
essentielle pour améliorer les traitements d’association de
don nées. Grâce à un partenariat avec le laboratoire
Lamsade, DCNS Research a obtenu des premiers résultats
prometteurs pour exploiter les données qualitatives ([7]).
DCNS Research continue ses travaux de R&D avec le
Lamsade pour mettre à disposition à moyen terme des solutions techniques d’association de données aptes à exploiter
les informations qualitatives disponibles.
(1) PSL, université Paris-Dauphine, Lamsade, place du Maréchal-deLattre-de-Tassigny, 75775 Paris Cedex 16.
_RÉFÉRENCES
[1] D. P. BERTSEKAS. « The auction algorithm : a distributed
relaxation method for the assignment problem ». Annals of Operations
Research. Vol. 14, p. 105-123, 1988.
[2] R. BURKARD, M. DELL’AMICO, S. MARTELLO. Assignment Problems,
SIAM 2009.
[3] A. CAPONI. « Polynomial time algorithm for data association
problem in multitarget tracking ». AES IEEE, p. 1398-1410, 2004.
[4] M. GAREY, D. S. JOHNSON. Computers and Intractability.
A Guide to the Theory of NP-Completeness, Ed Freeman.
[5] H. GAUVRIT. « Extraction multipistes : approches probabiliste
et combinatoires ». Thèse, université de Rennes, 1997.
[6] H. HUGOT, D. VANDERPOOTEN, J. M. VANPEPERSTRAETE.
« A bi-criteria approach for the data association problem ».
Annals of Operations Research. Vol. 147, n° 1, p. 217-234, 2006.
[7] O. MARCEAU, J. M. VANPEPERSTRAETE. « Automatisation
des traitements et Aides à la décision ». Rapport d’étude, 2013.
[8] K. R PATTIPATI, S. DEB, Y. BAR-SHALOM, R. B. WASHBURN.
« A new relaxation algorithm and passive sensor data association ».
IEEE Transactions on Automatic Control. Vol. AC-37, no 2, p. 198-213,
février 1992.
[9] A. POORE. « Multidimensional assignment formulation of data
association problems arising from multitarget and multisensor
tracking ». Computational Optimization and Applications, p. 27-57, 1994.
36
RESEARCH_2
Poursuite de
cibles manœuvrantes
en 3D
AUTEUR : Dann Laneuville
Les systèmes de surveillance, dont le but est d’établir la situation tactique dans une zone étendue couverte par des senseurs de veille, ainsi que les systèmes de poursuite focalisés sur un objet particulier sont
parfois confrontés à des situations particulières où certains objets de la scène sont très manœuvrants.
Il peut s’agir d’un jet-ski ou d’un zodiac dans le cadre de la LCMA (Lutte Contre la Menace Asymétrique),
ou d’un missile balistique type ASBM (Anti Ship Balistic Missile) dans le cadre de la DAMB (Défense AntiMissile Balistique) par exemple.
Ces manœuvres, combinées à la présence potentielle de
fausses alarmes, représentent une difficulté réelle pour l’algorithme de pistage, qui dans ce cas peut « traîner », c’est-à-dire
présenter un biais d’estimation (perte de précision), voire
décrocher, c’est-à-dire perdre la piste de l’objet poursuivi, ce
qui oblige le système à recréer cette piste après une éventuelle
phase de recherche en cas de poursuite.
virage est constant). Ce filtre a été récemment revu pour
prendre rigoureusement en compte le cas de fi ltres de dimensions différentes dans chaque mode ([7]), comme cela sera
notre cas, et amélioré dans son approche par rapport au fi ltre
optimal ([5]) avec le GMIMM (Gaussian Mixture based IMM)
qui conserve les r hypothèses les plus probables dans chaque
mode alors que l’IMM les fusionne toutes en une seule.
Dans les deux cas, cette perte de performance peut s’avérer
fatale en cas de nécessité d’engagement sur une cible menaçante. Ainsi, la disposition d’un algorithme de poursuite de
cibles manœuvrantes robuste et performant apparaît comme
une composante essentielle des systèmes de surveillance et de
poursuite. Le but de ce travail est d’étudier un nouvel algorithme de poursuite de cible manœuvrante qui peut manœuvrer fortement en deux ou trois dimensions.
Aujourd’hui, les deux modèles les plus utilisés dans un fi ltre
ty pe IMM sont le modèle dit « NCV » (Nearly Constant
Velocity), qui décrit les phases de mouvement uniforme ([1])
avec comme vecteur d’état X(t) = [x y z vx vy vy]’, et le modèle
dit « NCT » (Nearly Coordinated Turn) pour les virages coordonnés dans le plan horizontal ([1]) avec comme vecteur d’état
X(t) = [x y z vx vy ω]’ où ω représente le taux de virage dans le
plan. Jusqu’à [3], les virages appréhendés par le filtre IMM
étaient dans le plan horizontal.
État de l’art
L’état de l’art en matière d’algorithme de poursuite de cible
manœuvrante est représenté par le filtre IMM (Interacting
Multiple Model) introduit dans les années 1990 ([2]). C’est un
algorithme récursif qui utilise plusieurs fi ltres de Kalman en
parallèle, chacun d’eux étant dédié à une phase particulière de
la trajectoire, par exemple un fi ltre pour les phases de mouvement uniforme (vitesse constante = pas de manœuvre) et un
fi ltre pour les phases de manœuvres comme, par exemple, les
virages uniformes (où la vitesse ne varie pas et où le taux de
RESEARCH_2
L’approche récente développée dans [3] permet aussi d’appréhender des manœuvres dans un plan vertical, mais aucun fi ltre
aujourd’hui ne traite de manière satisfaisante les manœuvres
qui se font simultanément dans les deux plans (manœuvres
réellement 3D). C’est le but de notre approche.
Nouvelle approche
Les deux modèles précédents sont actuellement décrits en
coordonnées cartésiennes (CC) dans la littérature et nous
37
Figure 2. Scénario 1.
38
RESEARCH_2
proposons une nouvelle représentation mixte : cartésienne
pour la position et sphérique pour la vitesse.
Ainsi, nous avons comme vecteur d’état X(t) = [x y z s ψ θ]’
pour notre premier modèle où s représente le module de la
vitesse, ψ et θ les deux angles qui défi nissent la direction du
vecteur vitesse (voir figure 1 ci-dessous) et X(t) = [x y z s ψ θ ω1 ω2]’
pour le second modèle où ω1 correspond au taux de virage
dans le plan horizontal et où ω2 correspond au taux de virage
vertical.
dont la discrétisation, au second ordre, est donnée par ([6]) :
x1D = x 01 + tx 04 sin(x5) cos(x 06)
dx1 = x 4 sin(x5) cos(x6)dt
t x x cos(x ) cos(x )
+—
05
06
2 04 07
2
t
– — x x sin(x ) sin(x )
2
dx2 = x 4 cos(x5) cos(x6)dt
dx 3 = x 4 sin(x6)dt
2
dx 4 = σ 1 dW1
08
05
06
x2 D = x 02 + tx04 cos(x 05) cos(x 06)
dx5 = x 7 dt
t x x sin(x ) cos(x )
–—
05
06
2 04 07
t2 x x cos(x ) sin(x )
–—
2
dx6 = x 8 dt
dx 7 = σ 2 dW2
04
et
dx 8 = σ 3 dW3
2
04
08
05
06
(3)
t2 x x cos(x )
x3D = x 03 + tx 04 sin(x 06) + —
06
2 04 08
x 4D = x 04
x5D = x 05 + tx07
x6D = x06 + tx08
x 7D = x07
x8D = x 08
Pour plus de détails sur la discrétisation de (1), et notamment
la partie stochastique, voir la référence [4], dont est issu ce
résumé.
Figure 1. Vitesse en coordonnées sphériques.
Ainsi, les modèles d’évolution correspondant en temps continu
sont donnés par les équations différentielles stochastiques
suivantes :
dx 4 = σ1 dW1
dx5 = σ2 dW2
dx 4 = σ1 dW1
et
dx6 = σ 3 dW3
dx5 = x 7 dt
dx6 = x 8 dt
dx 8 = σ 3 dW3
Ces modèles sont de la forme générale d’une équation différentielle stochastique :
RESEARCH_2
Nous comparons les résultats de deux fi ltres IMM dont chacun utilise les deux modèles NCV/NCT en coordonnées cartésiennes pour le premier (IMM1) et en coordonnées mixtes
pour le second (IMM2, nouvelle approche). Un radar, symbolisé par un triangle bleu sur les courbes de scénarios, fournit
à la cadence de 1 s des mesures en distance avec σr = 20 m,
a i nsi que des a n g les de ci rcu la i re et d’élévation avec
σang = 10 mrad.
(1)
dx 7 = σ 2 dW2
dXt = a(Xt) dt + b(Xt) dWt
Exemples de résultats
(2)
Le premier scénario est un scénario où la cible effectue une
manœuvre dans le plan horizontal avec un taux de virage de
0.2 rads-1 avec une vitesse de 250 ms-1, ce qui correspond à un
facteur de charge de 5 g. La courbe de gauche illustre la performance des deux fi ltres IMM. On constate que la nouvelle
approche améliore significativement la performance par rapport à ce qui représente aujourd’hui le meilleur fi ltre (IMM1)
pour des manœuvres dans le plan horizontal.
Le second scénario est un scénario où la cible effectue une
manœuvre dans un plan vertical avec un taux de virage identique de 0.2 rads-1 avec une vitesse de 250 ms-1, ce qui correspond également à un facteur de charge de 5 g. On constate
toujours que la nouvelle approche améliore significativement
la performance.
39
Enfi n, le dernier scénario est un scénario où la cible effectue
une manœuvre en 3D, c’est-à-dire à la fois dans le plan horizontal et vertical avec un taux de virage de 0.2 rads-1 dans les
deux plans et avec une vitesse de 250 ms-1, ce qui correspond
à un facteur de charge de 7 g. On constate encore que la nouvelle approche se comporte aussi bien que précédemment
(manœuvre dans un seul des deux plans) et améliore significativement la performance.
Conclusions et perspectives
Nous avons présenté une nouvelle approche de modélisation
des manœuvres d’un mobile qui permet non seulement d’améliorer les performances sur des manœuvres type virage coordonné dans le plan, qu’il soit horizontal ou vertical, mais qui
permet aussi de maintenir le même niveau de performance
sur des manœuvres réellement 3D. Cette approche, plus naturelle et plus physique que les coordonnées cartésiennes pour
modéliser les manœuvres d’un mobile, semble donc être très
prometteuse pour les applications de poursuite de cibles
manœuvrantes. La suite des travaux consiste à l’intégrer dans
un algorithme de pistage pour la tester en environnement
multicible avec de fausses alarmes et des trous de détection.
_RÉFÉRENCES
[1] Y. BAR-SHALOM, P. WILLETT and X. TIAN, Tracking and Data
Fusion. A Handbook of Algorithms. YBS Publishing, 2011.
[2] H. A. P. BLOM, Y. BAR-SHALOM. « The interacting multiple
model algorithm for systems with Markovian switching
coefficients ». IEEE Transactions on Automatic Control.
33, p. 780-783, août 1988.
[3] J. GLASS, W.D. BLAIR, Y. BAR-SHALOM. « IMM Estimators
with Unbiased Mixing for Tracking Targets Performing
Coordinated Turns ». Proceedings of IEEE Aerospace Conference.
Big Sky, États-Unis, mars 2013.
[4] D. LANEUVILLE. « New Models for 3D Maneuvering Target
Tracking, Proc. of IEEE Aerospace Conference ». Proceedings
of IEEE Aerospace Conference. Big Sky, États-Unis, mars 2014.
[5] D. LANEUVILLE, Y. BAR-SHALOM. « Maneuvering Target
Tracking : A Gaussian Mixture Based IMM Estimator ».
Proceedings of IEEE Aerospace Conference. Big Sky, États-Unis,
mars 2012.
[6] A. TOCINO and J. VIGO-AGUIAR. « New Itô-Taylor
expansion ». Journal of Computational and Applied
Mathematics. 158, p. 169-185, 2003.
[7] T. YUAN, Y. BAR-SHALOM, P. WILLETT, E. MOZESON,
S. POLLAK AND D. HARDIMAN. « A multiple IMM approach with
unbiased mixing for thrusting projectiles ». IEEE Transactions on
Aerospace and Electronic Sytems. 48(4):3250-3267, octobre 2012.
40
RESEARCH_2
Innovation
et facteurs humains
AUTEUR : Chantal Maïs
La prise en compte de l’homme dans la conception des systèmes complexes est nécessaire pour en garantir une
exploitation optimale. Pour les navires militaires, systèmes hautement technologiques, d’exploitation très
complexe faisant intervenir la performance individuelle et collective, en environnement sévère, en situation
de stress, c’est un enjeu majeur : l’efficacité de l’ensemble équipage-navire dans la réalisation de ses missions.
Dans cette optique, les i n novations
doivent permettre d’améliorer, d’augmenter les capacités des navires.
Qu’apporte la prise en compte du « facteur
humain » dans l’innovation ?
Il est nécessaire :
• d’identifier le « niveau » d’innovation :
évolution des systèmes (upgrade) ou
révolution (rupture technologique) ? ;
• de caractériser le type de l’innovation :
innovation technologique, organisationnelle, individuelle (liée à l’individu) ?
Mais quelle que soit sa nature, toute
innovation a un impact sur l’humain.
Celui-ci doit être estimé assez tôt dans la
conception afi n :
• de choisir des types et méthodes d’inDCNS à la pointe de la réalité virtuelle.
tervention facteurs humains adaptés ;
• de conduire les études FH en amont,
lorsque l’impact pressenti est fort, pour
anticiper les nouveaux usages, assurer l’acceptabilité de l’inno- d’informations et de sources d’informations (big data), de
vation, la conduite du changement, en plus des critères plus proposer de nouveaux modes d’interaction (la réalité virtuelle,
classiques d’utilité et d’utilisabilité des IHM.
la réalité augmentée, les objets tangibles, les interfaces gestuelles – écrans tactiles ou leap motion.
Innovations technologiques et innovations « humaines »
Les innovations concernant les grands systèmes complexes
industriels sont le plus souvent technologiques. Elles permettent de développer des systèmes plus automatisés, voire
autonomes (drones, par exemple), d’augmenter la quantité
RESEARCH_2
El les sou lèvent de nouvel les problématiques facteu rs
humains : structuration d’information pour la sélection d’information dans big data, téléopération multisystèmes, interactions multimodales, etc.
41
Cependant, l’innovation peut avoir d’autres origines que la
technologie. De nouvelles approches, de nouvelles solutions
peuvent surgir de la prise en compte des connaissances sur les
humains et sur les organisations, issues de la psychologie, de la
sociologie :
• les différentes dimensions humaines (anthropométrie, physiologie, cognition, conation, sociologie, etc.) ne sont pas indépendantes les unes des autres. Leurs interactions déterminent
en partie le comportement (et potentiellement la performance)
des utilisateurs. Par exemple, la confi ance que l’utilisateur a
dans le système modifie sa façon d’interagir avec le dit système ;
• les individus sont différents les uns des autres dans les différentes dimensions. Cette variabilité interindividuelle génère
des attentes, des besoins, des comportements différents ;
• enfin, les individus évoluent dans le temps dans les différentes dimensions. Au fur et à mesure de leurs expériences, ils
acquièrent de nouvelles connaissances, modifient leurs structures cognitives, etc. Ces différentes données peuvent être
des sources d’innovation dans la conception de systèmes
complexes : IHM adaptatives, évolutives, systèmes intelligents
avec modèle utilisateur, monitoring de l’opérateur, etc. On voit
donc que la prise en compte de l’humain peut avoir un impact
sur la technologie, axe de développement trop souvent négligé.
42
Une approche de type systémique se justifie donc pleinement,
qui analyse le système hommes-machines dans sa globalité, en
prenant en compte les différents éléments pertinents. Elle doit
identifier clairement les futurs utilisateurs dans les différentes
dimensions et intégrer une démarche de validation des solutions en amont, validation basée sur une méthode d’analyse
multicritères (performance, utilité, utilisabilité mais aussi
acceptabilité).
Chez DCNS, entreprise de grande technicité, quand on pense
innovation, le plus souvent on pense technologie. La prise en
compte des facteurs humains est à la fois accompagnatrice de
l’innovation mais aussi source d’innovation !
RESEARCH_2
DISCRÉTION,
FURTIVITÉ ET
INTÉGRATION
D’ANTENNES
Comment être là sans que d’autres ne le sachent ?
Comment ne pas perturber l’environnement dans
lequel on évolue ? Que ce soit dans le domaine de l’électromagnétisme ou dans celui de l’acoustique, de nombreuses solutions technologiques sont proposées. Elles
font appel à des matériaux spéciaux, des formes étudiées, des positionnements et des découplages astucieux. La recherche et l’identification de ces solutions
nécessitent, en amont, de modéliser les phénomènes
en jeu, avec des outils et des méthodologies évoluant
pour s’adapter aux menaces et aux besoins d’analyse.
RESEARCH_2
43
DISCRÉTION, FURTIVITÉ ET INTÉGRATION D’ANTENNES
Rayonnement
vibroacoustique de plaques
en régime transitoire
AUTEURS : Thomas Leissing, Roch Scherrer et Christian Audoly
En mer, l’utilisation des ondes acoustiques pour la détection des forces adverses, grâce aux sonars passifs,
est généralisée depuis des décennies, et la technologie des sonars est en constante évolution. La
modernisation des sonars passifs, aujourd’hui capables d’analyser les bruits transitoires, rend nécessaire
l’optimisation de la discrétion acoustique en régime non stationnaire. DCNS doit ainsi être capable de
spécifier des exigences en discrétion acoustique transitoire sur les matériels équipant les navires et les
structures qui les supportent. Dans cette optique, DCNS Research s’investit dans l’étude des mécanismes de
rayonnement vibroacoustique de structures en régime transitoire, notamment dans le cadre d’une thèse
de doctorat en partenariat avec le laboratoire vibration et acoustique de l’Insa de Lyon. L’objectif de cette
étude est d’améliorer les connaissances pour représenter les mécanismes de rayonnement vibroacoustique
de structures en régime transitoire, au niveau des sources, des transferts et des facteurs de rayonnement.
Méthode de résolution
Afin d’étudier les vibrations et le rayonnement acoustique
d’une structure immergée excitée par une source transitoire,
on considère tout d’abord une structure simple : une plaque
infi nie. Cette plaque est immergée et est soumise à une excitation impulsionnelle ponctuelle. Le mouvement de la plaque est
régi par l’équation de Love-Kirchhoff [1,2] :
où D est la rigidité à la flexion de la plaque, et h sont la densité et l’épaisseur de la plaque, respectivement, ω est la pulsation, ξ est u n ter me d’amortissement structural, w(r,t)
représente le déplacement de la plaque en fonction de la distance à la source d’excitation et du temps, f 0 est l’amplitude de
la force excitatrice située en r0 et p(r,t) est la pression pariétale.
Une attention particulière doit être apportée au modèle
d’amortissement viscoélastique, qui doit respecter le principe
de causalité. La résolution de cette équation de la dynamique
des plaques minces en régime harmonique permet d’obtenir le
mouvement de la plaque dans le domaine fréquentiel. Une
44
transformée de Fourier inverse est ensuite appliquée et permet d’obtenir la réponse impulsionnelle de la plaque et la pression rayonnée dans le fluide dans le domaine temporel. La
fi gure 1 montre une représentation schématique du principe
de résolution.
Application à une plaque infinie immergée
La méthode utilisée est validée par une comparaison avec une
plaque in-vacuo, pour laquelle des solutions analytiques
existent [3]. L’étude des vibrations sur une plaque immergée
met en évidence l’effet du fluide, la dispersion des ondes de
plaque et les ondes d’interface fluide/solide. L’étude de la pression rayonnée met en évidence une directivité du rayonnement
et la propagation des ondes dans la plaque avant d’être
rayonnées.
La fi gure 2 présente un exemple de simulation sur une plaque
d’aluminium immergée. On peut voir les niveaux de pression
dans le fluide à quatre instants différents (de gauche à droite
et de haut en bas : t = 0.23 ms, t = 1.40 ms, t = 2.79 ms et
t = 6.12 ms). La plaque plane est située en z = 0, de sorte que sa
tranche est représentée par le trait pointillé noir. La force
RESEARCH_2
DISCRÉTION, FURTIVITÉ ET INTÉGRATION D’ANTENNES
Figure 1. Représentation schématique de la méthode de résolution.
Figure 2. Simulation de la pression rayonnée dans le fluide par une plaque infinie immergée excitée par une force impulsionnelle.
RESEARCH_2
45
excitatrice consiste en une impulsion en (t = 0, z = 0). La carte
en couleur montre les niveaux de pression dans le fluide. On
peut observer sur ces quatre figures la propagation progressive
des ondes dans le fluide. Quatre hydrophones virtuels sont
placés dans le milieu fluide ; ils sont représentés par les cercles
noirs. On peut observer les signaux temporels reçus en ces
points sur les graphes temps/amplitude. On note que les caractéristiques temporelles des signaux sont très différentes suivant la distance séparant la force excitatrice et le point
d’observation. En effet, le signal reçu sur le récepteur le plus
proche (en bas à gauche) consiste en un signal très bref, quasi
impulsionnel, alors que le signal temporel observé sur le récepteur situé en bas à droite est d’amplitude plus faible, de durée
plus importante et de contenu fréquentiel plus complexe. Cette
simulation permet ainsi d’appréhender, ici sur un cas simple,
différents phénomènes physiques qu’il serait difficile d’identifier
et d’interpréter sur une représentation fréquentielle.
Perspectives
Le cas de la plaque infi nie permet de valider les modèles et les
méthodes numériques développés mais n’est pas suffisamment
représentatif des systèmes mécaniques complexes présents à
bord des navires. Afi n de se rapprocher autant que possible de
structures réelles, le cas des plaques fi nies, des poutres, et de
leur couplage est également traité par des méthodes similaires
à celle présentée ici. De plus, des expérimentations en cuve
acoustique sur une plaque immergée sont en cours ; ces
mesures permettront de valider les modèles de simulation
développés dans cette étude. La mise au point et la validation
expérimentale de ces modèles et outils permettront aux
équipes de DCNS Research de caractériser plus fi nement les
phénomènes de vibrations et de rayonnement des structures
soumises à des excitations impulsionnelles. In fi ne, il sera possible d’appliquer ces méthodes à la conception des navires pour
la discrétion acoustique en régime transitoire.
_RÉFÉRENCES
[1] M. C. JUNGER, D. FIET. Sound, Structures and Their
Interaction, 2nd ed., Cambridge : The MIT Press, (1986)
p. 235-250.
[2] X. L. BAO, H. FRANKLIN, P. K. RAJU, H. UBERALL.
« The splitting of dispersion curves for plates fluid-loaded
on both sides ». Journal of the Acoustical society of America.
102 (2), 1997.
[3] R. SCHERRER, L. MAXIT, J.-L. GUYADER, C. AUDOLY, M. BERTINIER.
Analysis of the Sound Radiated by a Heavy Fluid Loaded
Structure Excited by an Impulsive Force. Internoise 2013,
Innsbruck, Autriche, septembre 2013.
46
RESEARCH_2
PRODUCTIVITÉ
ET COMPÉTITIVITÉ
DES PROCÉDÉS
INDUSTRIELS
Les procédés industriels touchent à l’ensemble des
processus de fabrication des produits et des composants. Ce champ très vaste inclut le choix des matériaux, les procédés de fabrication, les techniques
d’assemblage et les moyens de contrôle adaptés.
Il inclut aussi l’usage extensif de la réalité virtuelle ou
augmentée, autrement dit l’utilisation des moyens de
modélisation et de visualisation pour choisir la meilleure
façon de procéder, bien avant le prototype. Enfin, l’évolution de l’organisation de la chaîne globale de production intégrant les nouvelles technologies de fabrication
et les principes d’organisation complexes font l’objet, au
sein des différentes filières industrielles, des recherches
sur « l’usine du futur » et « l’usine étendue ».
RESEARCH_2
47
PRODUCTIVITÉ ET COMPÉTITIVITÉ DES PROCÉDÉS INDUSTRIELS
Évaluation du Friction Stir
Welding (FSW) sur les aciers à
haute limite élastique utilisés
en construction navale
AUTEURS : Guillaume Rückert, Myriam Chargy, François Cortial et François Jorez
Le procédé FSW a été évalué sur trois types d’acier utilisés en construction navale (aciers DH36, S690QL et
80HLES) avec des soudures bout à bout à pleine pénétration sur des tôles de 8 mm d’épaisseur. Des
contrôles non destructifs ont été réalisés afin de mettre en évidence la présence de défauts intrinsèques au
procédé de soudage (par exemple, contacts sans adhésion ou kissing bond). La méthodologie de contrôles
validée (contrôles de volume et de surface) confirme l’intégrité des soudures et l’absence de défauts
géométriques à partir d’examens et d’essais mécaniques relevant d’une procédure de qualification.
Introduction
Il est nécessaire d’élaborer des conceptions et des conditions de
fabrication plus efficaces afin d’améliorer les performances industrielles et en service, et ainsi faire face à la concurrence au sein du
marché de la construction navale. L’amélioration des conditions de
fabrication et le gain de poids notamment peuvent être obtenus
grâce à des conceptions et des procédés innovants. L’utilisation de
matériaux performants comme l’acier à haute limite élastique
(HLES) en construction navale (coque, superstructure, plancher,
propulseur, etc.) est une solution qui permet un gain de poids substantiel car l’épaisseur des structures s’en trouve réduite. Les procédés de fabrication doivent donc être adaptés aux caractéristiques
de ces natures d’acier. Dans ce contexte, le développement de procédés de soudage innovants doit aussi être conduit de façon à assurer la qualité des assemblages : limitation des défauts de soudage,
limitation des déformations et amélioration de la planéité des structures, amélioration de l’hygiène et de la sécurité au cours des procédés de fabrication, meilleure contrôlabilité, amélioration de la
disponibilité et de la réparation.
Les procédés de soudage par fusion utilisés sur les chantiers
navals peuvent nécessiter un préchauffage et généralement un
métal d’apport, et occasionnent actuellement des défauts (manque
48
de fusion, porosité, inclusions, fissuration à froid), des défauts
géométriques sur la surface (dégagements…) ainsi que des distorsions de la structure. Ces défauts imposent du travail : réparations
et/ou fi nitions. Le soudage par friction-malaxage (FSW) est une
méthode alternative qui s’effectue par un soudage en phase solide
sans métal d’apport, éliminant ainsi les inconvénients associés à la
fusion de métaux. Bien qu’il y ait encore des verrous scientifiques
et technologiques, le FSW est une technologie mature pour l’assemblage d’alliages aluminium [1] homogènes et hétérogènes. Les
principales applications pour la construction navale concernent
l’assemblage de profilés extrudés pour former des planchers
rigides [2]. Des études [3, 4] ont démontré l’importance de ce procédé pour les aciers faiblement alliés d’une épaisseur d’environ 6
à 12 mm et pour l’affinement des grains dans la zone affectée
thermiquement (ZAT), une amélioration de la soudabilité métallurgique par rapport aux procédés de soudage à l’arc, et la nonproduction de fumées de soudage, qui contiennent notamment du
chrome hexavalent. Cependant, les résultats provenant de travaux
en laboratoire sur de petits témoins ne démontrent pas la faisabilité industrielle, qui doit notamment prendre en compte les conditions de fonctionnement générales et l’utilisation d’outils à durée
de vie limitée (base de tungstène-molybdène). Le développement
récent de technologies issues d’outils de perçage (nitrures de bore
RESEARCH_2
polycristallins – PCBN – W-Re dopé), proposées par MegaStir, a
donné lieu à des avancées technologiques [5]. Les études liées à
l’utilisation de ces outils prometteurs sont limitées au travail de
l’équipe à l’origine de l’invention de l’outil en question et par les
matériaux aux performances mécaniques limitées. D’après nos
connaissances sur la soudure HLES, requise tout particulièrement
pour la construction navale, aucune étude n’a encore été publiée.
Tableau 2. Composition chimique des aciers DH36, S690QL et 80HLES
% max
(pds)
DH36
C
Si Mn P
S
0,18 0,50 1,60 0,035 0,035
N
B
–
–
Cr Cu Mo Nb Ti
–
–
–
–
–
V
–
Ni Zr
–
–
S690QL 0,18 0,50 1,60 0,020 0,010 0,015 0,005 0,8 0,50 0,70 0,062 0,05 0,10 2,0 0,15
80HLES 0,15 0,25 0,50 0,01 0,01
–
–
0,5
0,25 0,40
–
–
0,09
4,8
–
Procédé de soudage
Cette étude présente une évaluation de ce procédé de soudure
innovant pour des applications sur construction navale tant civiles
que militaires. L’objectif principal est de démontrer que ce procédé
FSW est conforme aux spécifications techniques et économiques
des chantiers navals. En effet, ce procédé peut être introduit en
atelier seulement si son intérêt en termes de qualité et de coûts de
fabrication, de contrôlabilité, de santé et de sécurité du personnel
traitant des procédés éprouvés et viables économiquement est
démontré. Il est donc nécessaire de vérifier que le procédé est
robuste et reproductible, et qu’il satisfait aux performances
requises des assemblages. Cette étude se concentre sur trois aciers
actuellement utilisés en France pour des applications navales :
deux aciers à haute limite élastique (S690QL et 80HLES, une
nuance d’acier proche du HY100), et un acier DH36, utilisé pour la
coque et les structures. La présentation fournit une caractérisation
des joints soudés pour des paramètres de soudage optimisés ainsi
qu’une analyse complémentaire pour considérer une future industrialisation du procédé FSW sur nos chantiers.
Procédé expérimental
Matériaux
Trois nuances d’acier (deux aciers à haute limite élastique et un
acier de construction), utilisées pour la coque et les structures, ont
été sélectionnées pour cette étude en fonction de leurs propriétés
mécaniques respectives :
• acier DH36, acier de construction utilisé pour la coque conformément à la NR 216 de Bureau Veritas [7] ;
• acier S690QL, acier de construction conformément à la norme
EN 10025-6 [8] ;
• acier 80HLES, une nuance française équivalente à l’acier HY-100
utilisée pour la coque et les structures.
Les tableaux suivants présentent respectivement les valeurs
garanties des propriétés mécaniques et la composition chimique
de chaque nuance.
Tableau 1. Valeurs garanties des propriétés mécaniques des aciers
DH36, S690QL et 80HLES
Nuance\
Propriétés méc.
YS* (MPa
– ksi)
UTS** (MPa – ksi)
El.*** %
DH36
355 – 51,5
490-620/71-90
21
S690QL
690 – 100
770-940/112-136
14
80HLES
700 – 101,5
780-900/113-130
14
* Limite d’élasticité. ** Limite de rupture. *** Allongement.
RESEARCH_2
Les essais sur les soudures bout à bout (avec pleine pénétration)
ont été effectués à l’aide d’une machine portique sur des tôles de
1 500 x 150 x 8 de trois nuances, jonctionnées dans le sens de la
longueur (sens du laminage). L’outil de friction-malaxage à base de
PCBN comprend un épaulement fileté (25 mm de diamètre)
prolongé par un pion conique fileté long de 8 mm.
Contrôles non destructifs (CND) et essais mécaniques
Des essais de caractérisation ont été menés afi n de comparer les
performances du procédé FSW à celles des procédés de soudure à
l’arc, dont les performances attendues sont connues. L’introduction
des procédés de soudure dans la fabrication nécessite une
qualification du mode opératoire de soudage (QMOS). Les
réglementations et spécifications sont régies par des codes et des
normes. Pour les aciers utilisés en naval, la norme ISO 15614-1 [9],
qui spécifie la qualification des procédés de soudage à l’arc,
présente un minimum de spécifications.
Les CND requis dans le cas présent sont deux types de contrôles
complémentaires, soit un contrôle volumique et un contrôle surfacique sur 100 % de la soudure. Ces contrôles sont toujours précédés
d’une inspection visuelle qui, dans le cas du FSW, peut relever des
défauts inacceptables comme une pénétration partielle, ou kissing
bond, des bavures, etc. En ce qui concerne le contrôle volumique,
les contrôles radiographiques numériques (rayons X) sont préférés
aux contrôles ultrasoniques en raison de l’épaisseur soudée. En
effet, la résolution des radiographies est bien meilleure pour les
soudures de 8 mm d’épaisseur. Pour les mesures des surfaces supérieures et inférieures des soudures, des contrôles magnétoscopiques
et par ressuage sont réalisés. La surface de la soudure peut causer
un bruit de fond, surtout pour les contrôles par ressuage. Il est souvent nécessaire de meuler les surfaces avant examen.
Les contrôles destructifs sont réalisés afin de vérifier que la soudure n’engendre pas de changement significatif sur les caractéristiques de l’assemblage. Les essais de traction transversale
(deux témoins), essais de pliage transversal (deux témoins par
face, endroit et envers, angle de pliage de 180°), essais par choc
(entaille en V à –20 °C) et de dureté Vickers (HV5) sont réalisés
conformément à [9] et aux normes associées citées dans cette spécification. Pour les essais par choc, les témoins sont prélevés dans
le noyau et la zone affectée thermo-mécaniquement ou « ZATM »
(trois témoins par lot). Pour les essais de dureté, deux rangées
d’empreintes ont été effectuées à une profondeur de 2 mm maximum sous les surfaces supérieure et inférieure du joint soudé (au
49
moins trois empreintes individuelles pour chaque zone). De plus,
des essais de traction longitudinale complémentaires ont été réalisés sur le noyau afin de caractériser la zone malaxée.
Résultats
CND
Les témoins soudés durant les essais préliminaires consacrés aux
paramétrages de soudage ont été utilisés pour valider la pertinence des contrôles radiographiques dans l’indication des défauts
volumiques qui peuvent apparaître en FSW, tels que des cavités.
Les défauts de type kissing bond, non détectables par inspection
visuelle (figure 1.a) ou contrôle par ressuage, peuvent être détectés par contrôle magnétoscopique. La figure 1.b illustre cette
observation par la présence d’une ligne verticale noire au milieu
de la soudure, correspondant à une discontinuité des lignes de
champ magnétique. Cela pourrait être lié à une incohérence dans
la microstructure entre les deux bords à souder, confi rmée par
des micrographiques sur des échantillons en coupe (figure 1.c).
La méthode ACFM (Alternating Current Field Measurement) est
une méthode alternative aux contrôles magnétoscopiques pour
examiner les kissing bonds. Ce défaut typique du FSW a engendré des développements particuliers de techniques innovantes en
alliages aluminium. Le caractère magnétique des aciers ferritiques permet l’application de méthodes simples et éprouvées
pour vérifier l’absence de kissing bond.
Contrôles destructifs
Dans cette étude, les zones sélectionnées pour les essais mécaniques
sur chaque nuance d’acier sont exemptes de toute indication en
CND. Les essais de traction sur des témoins transversaux conduisent
systématiquement à une rupture du matériau de base (MB). Pour
l’acier DH36, les deux témoins présentent respectivement des
valeurs de résistance à la traction de 512 et 513 MPa (742 et 744 ksi)
à 20 °C. La charge de rupture atteinte sur les témoins de traction
longitudinale dans le noyau est d’environ 700-712 MPa (101-103 ksi).
Cela confirme un intervalle significatif dans la tenue mécanique
entre le matériau de base et le noyau, qui s’explique par un cycle
thermo-mécanique sévère constituant une microstructure de
Widmanstätten, comme illustré par la figure 2.a. Les valeurs d’allongement ne sont pas trop affectées (22 et 24 % dans le noyau) et sont
légèrement plus élevées que les spécifications du support (soit 21%).
Nous pouvons attendre des aciers soudés S690QL et 80HLES la
même tenue : chacun présente une structure martensitique très
dure, comme illustré sur la figure 2 pour l’acier 80HLES et confirmé
par la suite par des essais de dureté (tableau 4) pour les deux aciers.
Les essais de pliage sont suffisamment discriminants pour les
défauts de type kissing bond (lorsque la surface supérieure est
étirée) : aucune indication supérieure à 3 mm au regard de la
norme [9] n’est visible. Les examens macroscopiques sur les trois
aciers soudés ont conclu à un noyau non défectueux. Aucun défaut
interne ou géométrique n’a été constaté sur les zones observées.
Sur le côté recul, un manque d’épaisseur pourrait apparaître mais
50
(a)
(b)
(c)
Figure 1. Défaut de type kissing bond sur acier DH36 ; pas d’indication par
inspection visuelle de la surface inférieure (a), indication (ligne verticale noire
au milieu de la soudure) par contrôle magnétoscopique de la surface envers (b),
observation sur micrographie en coupe (c).
(a)
(b)
Figure 2. Micrographie des zones malaxées ; DH36 (a) et 80HLES (b).
Figure 3. Macrographie de la soudure obtenue par friction-malaxage sur l’acier
80HLES (côté avancé du côté gauche).
bien en dessous du critère d’acceptation (soit 0.1 t d’après [9]),
comme illustré sur la figure 3 de l’acier 80HLES. Des bavures
peuvent apparaître localement (correspondant aux zones présentant un manque d’épaisseur). Si le manque est acceptable, nous
meulons simplement la bavure.
Les résultats des essais par choc pour l’acier DH36 sont présentés
dans le tableau 3. Les valeurs de la ZATM sont légèrement inférieures
sur le côté recul (deux valeurs individuelles d’environ 35 J), probablement liées aux conditions de formation de la liaison à l’arrière de l’outil
de friction. Le support présente des valeurs supérieures à 70 J. Les
valeurs obtenues pour les soudures par friction-malaxage sont systématiquement inférieures à celles du support. Pour les soudures à l’arc,
les valeurs moyennes des énergies absorbées varient entre 40 J et
100 J, selon les procédés et les énergies de soudage. Le procédé FSW
mène à des résultats du même ordre de grandeur que ceux du procédé de soudure à l’arc, conformes aux valeurs d’allongement identifiées préalablement et conformes aux spécifications de Bureau
Veritas (soit 34 J at –20 °C) [7].
Tableau 3. Résultats des essais de choc (entaille en V) (valeurs
individuelles et moyennes) de l’acier DH36 à – 20 °C
Noyau
Côté supérieur
central
79
71
64
42
ZATM
Côté inférieur
central
61
57
65
78
Interface ZATM/noyau Interface ZATM/noyau
Côté avancé
Côté recul
50
45
49
51
35
59
33
42
RESEARCH_2
Les résultats des essais de dureté pour les trois aciers soudés
sont présentés dans le tableau 4. Ces résultats indiquent un
durcissement du noyau et des zones affectées (ZAT/ZATM) lié à
des conditions thermiques et mécaniques imposées durant le
soudage par friction-malaxage, et d’autant plus prononcé que
l’acier est trempant (comme illustré sur la figure 2.b. pour l’acier
80HLES). Cependant, les augmentations importantes de la
dureté des aciers S690QL et 80HLES sont compatibles avec les
spécifications établies dans la norme [7]. Il n’y a pas de différence de résultats significative entre le côté avancé et le côté
recul. La dispersion des résultats au sein du noyau, et en particulier entre les parties supérieures et inférieures, même au sein
de la même filiation (par exemple, l’acier S690QL) peut être
expliquée par la coexistence de différentes macrozones au sein
de la zone malaxée.
Tableau 4. Résultats des essais de dureté (HV5) sur les soudures par friction-malaxage des aciers DH36, S690QL et
80HLES
Côté avancé
Nuance Emplacement
MB
Côté recul
ZAT/ZATM Noyau ZAT/ZATM
MB
Partie
supérieure
178
172
178
187
202
229
214
202
211
220
212
221
192
181
186
Partie
inférieure
172
169
169
188
195
202
202
205
199
207
198
188
174
173
176
Partie
supérieure
279
277
268
374
374
386
393
416
413
399
386
378
277
290
294
Partie
inférieure
279
263
271
391
445
435
395
418
430
430
440
375
268
266
269
Partie
supérieure
277
275
276
410
441
433
421
410
431
440
438
433
275
275
280
Partie
inférieure
279
277
268
374
386
393
416
413
399
386
383
378
277
290
294
DH36
S690QL
80HLES
Valeur
maximale
autorisée [7]
Remerciements
Cette étude s’inscrit dans le cadre du projet SISPAN soutenu par
l’IRT Jules Verne (institut de recherche technologique dédié
aux technologies avancées de production composites, métalliques et structures). Les auteurs souhaitent associer les partenaires industriels et académiques de ce projet, respectivement
DCNS, STX France, Bureau Veritas, l’institut de recherche GeM
(UMR CNRS-ECN-6183 université de Nantes) ; l’institut IMN
(UMR CNRS-6502 université de Nantes). Les auteurs souhaitent également vivement remercier MegaStir (Provo, ÉtatsUnis) pour la réalisation des soudures par friction-malaxage.
380
450
450
Conclusions
Les investigations préliminaires sur les trois aciers soudés par
friction-malaxage ont été réalisées dans le but de confi rmer l’applicabilité de ce procédé innovant FSW pour la construction
navale.
Les principaux résultats de cette étude sont les suivants :
– les CND (contrôles de volume et de surface) sont proposés
pour examiner les témoins de qualification et les assemblages
de fabrication ; en particulier l’application des contrôles magnétoscopiques, qui est une manière usuelle et simple de réaliser
des contrôles précis et pertinents de détection de défauts
comme les défauts de type kissing bond ;
– pour l’acier DH36, une caractérisation complète a été réalisée
et conclut à une bonne tenue des joints soudés, compatible avec
les charges minimales requises en construction navale ;
– les premiers résultats partiels des aciers S690QL et 80HLES
sont encourageants : les soudures peuvent être exemptes de
tout défaut et les rangées soumises aux essais de dureté
RESEARCH_2
présentent des résultats conformes aux spécifications.
Cependant, les observations microscopiques mettent en évidence des structures complexes liées au cycle thermo-mécanique et aux structures initiales de l’acier, pouvant mener dans
le pire des cas à une fragilité excessive de la soudure. Des observations plus poussées sont déjà entamées car nécessaires à la
compréhension des mécanismes de formation des différentes
zones et ainsi à l’optimisation des paramètres de soudage.
_RÉFÉRENCES
[1] R. RAI, A. DE, H. K. D. H. BHADESHIA ET T. DEBROY. « Review :
friction stir welding tools, Science and Technology of Welding
and Joining ». Volume 16, n° 4, p. 325-342, février 2011.
[2] K.J. COLLIGAN, M.T. SMITHERMAN, S.B. HOYLE. « Low-cost friction
stir welding for littoral combat ship applications ». Naval Engineers
Journal, mars 2009.
[3] T.J. LIENERT, W.L. STELLWAG, B.B. GRIMMETT, R. W WARKE.
« Friction stir welding studies on mild steel ». Welding Journal .
Volume 82, n° 1, p. 1-9, janvier 2003.
[4] T. SHINODA, H. TAKEGAMI et al. Development of FSW Process for
Steel Assemble to Shipbuilding and Offshore Structure. Proceedings of
the 15th International Offshore and Polar Engineering Conference,
Séoul, Corée du Sud, 19 au 24 juin 2005.
[5] J. DEFALCO, R. STEEL. « Friction stir process now welds steel pipe ».
Welding Journal. Volume 88, n° 5, p. 44-48, mai 2009.
[6] C. C. TUTUM, J. H. HATTEL. « Numerical optimisation of friction
stir welding : Review of future challenges ». Science and Technology
of Welding and Joining. Volume 16, n° 4, p. 318, 2011.
[7] NR 216 DT R06 E. « Rules on Materials and Welding for the
Classification of Marine Units » publié par Bureau Veritas, février 2013.
[8] Norme EN 10025-6 : Produits laminés à chaud en aciers
de construction – Partie 5 : conditions techniques de livraison
pour les aciers de construction à résistance améliorée à la corrosion
atmosphérique, publié par l’Afnor, mars 2005.
[9] Norme ISO 15614-1 : Descriptif et qualification d’un mode
opératoire de soudage pour les matériaux métalliques – Épreuve de
qualification d’un mode opératoire de soudage – Partie 1 : soudage
à l’arc et aux gaz des aciers et soudage à l’arc des nickels et alliages
de nickel, publié par l’Afnor, février 2005.
51
Le développement
du Time of Flight Diffraction
(TOFD) à DCNS
AUTEUR : Patrick Recolin
Une des missions de DCNS Research est le développement de nouveaux moyens d’examen non destructifs
au sein du laboratoire puis leur déploiement sur les sites de fabrication et de maintenance de Groupe.
L’utilisation croissante de la technique ultrasonore TOFD en est une illustration.
La technique TOFD (Time of Flight Diffraction) est une technique d’échographie ultrasonore utilisant deux capteurs (un
émetteur et un récepteur) placés en vis-à-vis d’une soudure
(figure 1). Associée à une mécanique d’encodage, cette disposition permet d’obtenir rapidement une imagerie de la soudure, que
l’on peut rapprocher d’une vue en section de la soudure (figure 2).
monte un dossier justificatif qui sera fi nalement accepté par le
client en 2012 (figure 5) [2]. Le retour d’expérience est
aujourd’hui jugé positif par les différents acteurs : l’examen
ultrasonore permet une plus grande flexibilité au sein du
process de fabrication tout en garantissant une sensibilité de
détection au moins égale à celle de la radiographie.
Cette technique est apparue dans les années 1980 en GrandeBretagne. Elle fait l’objet d’études à DCNS dès les années 1990 et
conduit aux premières expertises sur chaufferies nucléaires
embarquées à partir de 1995 (figure 3). De nombreux autres développements ont eu lieu depuis et la technique TOFD est aujourd’hui
largement employée lorsque nécessaire dans le cadre du suivi en
service (figure 4).
Une démarche similaire est aujourd’hui lancée pour certains
joints des coques de bâtiments de surface. La difficulté est
dans ce cas de garantir l’examen de l’intégralité du volume
requis sur des joints non arasés de faible épaisseur.
Côté coque, des échanges avec le MoD britannique s’initient en 1995
dans lesquels un des sujets majeurs est le remplacement de la radiographie pour les examens des soudures de coque. Ces échanges
donnent lieu à différents benchmarks permettant de comparer et
d’améliorer les procédures et matériels d’examen. DCNS mène
notamment à l’époque différentes études statistiques [1] démontrant
la grande efficacité de la technique ultrasonore. Ces études,
appuyées par toutes celles réalisées à la même époque dans d’autres
domaines (pétrochimie, offshore, etc.) amènent DCNS à proposer à
la DGA la technique ultrasonore TOFD en alternative à la radiographie pour l’examen des soudures de coques de sous-marins. La
diminution des sources de rayonnement est bien sûr un objectif
majeur, mais le gain de productivité associé à l’augmentation de la
coactivité en phase de construction est l’autre facteur important.
Sous le pilotage de DCNS Research, une équipe associant les
experts ultrasonistes, l’ingénierie et le site de fabrication
52
En parallèle à ces travaux, DCNS Research continue à développer le TOFD en y intégrant notamment la technologie multiéléments [3]. Les capacités de focalisation et de déflexion du
faisceau permettent de s’intéresser à des applications nouvelles comme l’examen de joints austénitiques [4] ou le contrôle
de joints de très forte épaisseur (jusqu’à 200 mm).
_RÉFÉRENCES
[1] P. RECOLIN, S. RIVALIN, Y. LEZIN. Utilisation de TOFD pour
le contrôle des joints de coque, COFREND 2001.
[2] B. MARIE, P. RECOLIN, B. LEYRONAS, A. LEBIEZ. Remplacement
de la gammagraphie par les ultrasons sur des soudures de
coques, COFREND 2011.
[3] S. RIVALIN , P. RECOLIN. Application de la technologie
des capteurs ultrasonores multi-éléments au suivi de soudures
de collecteur vapeur, COFREND 2005.
[4] P. RECOLIN, S. RIVALIN, B. MARIE. Examen partiel en TOFD
d’une soudure austénitique, COFREND 2011.
RESEARCH_2
Figure 1. Configuration typique du TOFD.
Figure 2. Imagerie TOFD d’un joint soudé.
Figure 3. Premières expertises.
Figure 4. Inspection des enceintes du porte-avions.
Figure 6. Utilisation de multi-éléments en TOFD.
Figure 5. Inspection d’un joint de coque.
RESEARCH_2
53
Biofilms et corrosion
d’alliages inoxydables
en eau de mer
AUTEURS : Émilie Malard, Hervé Gueuné, Jean-François Ghiglione, Christelle Caplat,
Valérie Debout, Zakoua Guede et Chantal Compère
Les alliages base nickel (exemple : Inconel 625 – base Ni, 22 % Cr, 9 % Mo, Nb) et les aciers austéno-ferritiques
de type duplex sont utilisés de manière extensive pour des applications en eau de mer depuis les années
1980. Ces alliages sont spécifiquement résistants à toutes les formes de corrosion uniforme. Néanmoins, ils
peuvent être sensibles à la corrosion localisée et particulièrement à la corrosion caverneuse, appelée
également « corrosion par effet de crevasse ».
Le retour d’expérience des utilisateurs, dont DCNS, montre que ce
phénomène se produit dans tous les océans et mers du globe, et à
toute période de l’année. Il se caractérise par une augmentation du
potentiel libre de corrosion et la création d’un courant de corrosion
entre la zone dite de « caverne » (joint, bride, pompe, échangeur,
etc.) et la surface métallique extérieure à cette caverne selon
la figure 1.
Figure 1. Corrosion caverneuse de l’alliage 625 en eau
de mer naturelle sur bride et au contact métal-joint.
La suppression de ces augmentations de potentiel et
de cou ra nt a été obtenue par l’appl ication
de produits biocides. L’implication des biofilms formés
dans les systèmes a été ainsi mise en évidence, ce qui
a conduit à orienter les recherches vers une étude
plus spécifique.
L’objectif de ce projet soutenu par la Direction générale de l’armement (DGA, dispositif REI) était de
comprendre le rôle du biofilm dans les phénomènes
de corrosion caverneuse de l’Inconel 625. Dans ce
but, l’enjeu était de réaliser une caractérisation
pluridisciplinaire de biofilms formés sur l’alliage
Inconel 625 dans des conditions contrôlées conduisant à des biofilms actifs ou non. Non seulement la
diversité des espèces bactériennes présentes est
analysée, mais également la diversité phytoplanctonique de ce biofilm, sa composition chimique
(lipides, glucides, acides am inés, éléments
54
Figure 2. Organisation spatiale selon le plan d’essais.
RESEARCH_2
minéraux et métalliques, molécules oxydantes) et son organisation spatiale selon le plan d’essais en figure 2.
La première étape de l’étude a consisté à conditionner des surfaces par méthode électrochimique dans le but d’obtenir des
biofi lms dits « actifs » sur des échantillons présentant un courant cathodique élevé et des biofi lms dits « non actifs » sur des
échantillons présentant un potentiel d’abandon de 300 mV/ECS
mais un courant cathodique faible.
Près de 700 échantillons ont ainsi été conditionnés en vue
d’analyse. L’ensemble des analyses de caractérisation des biofilms illustré en figure 3 a été réalisé sur des échantillons à
différentes périodes de l’année (de novembre 2011 à fin 2012).
Ainsi, la caractérisation pluridisciplinaire a mis en évidence des
différences entre les biofilms « actifs » et « non actifs »,
notamment :
• une concentration plus importante en microorganismes dans
les biofi lms « actifs » associée à un taux de recouvrement plus
important de la surface de ces échantillons actifs sous forme
d’agrégats ;
• une diversité plus importante des communautés bactériennes
présentes et actives dans les biofi lms « non actifs » ;
• une composition en acides gras dominée par les acides gras
saturés dans les biofilms « non actifs » et dominée par les acides
gras monoïnsaturés dans les biofi lms « actifs » ;
• des concentrations de certains éléments minéraux ou métalliques plus importantes dans les biofi lms « actifs » ;
• une activité enzymatique aminopeptidase systématiquement
plus importante dans les biofi lms « actifs » par rapport aux biofi lms « non actifs ».
Les résultats obtenus pour chaque type d’analyse vont dans le
même sens.
Une analyse statistique a permis de sélectionner les critères
spécifiques des biofi lms « actifs » et « non actifs ».
L’ensemble des résultats obtenus suggère la sélection de populations bactériennes, métaboliquement actives, semblant liées au
caractère actif des échantillons et/ou conduisant à une activation de ces échantillons. L’analyse préliminaire des résultats de
pyroséquençage 454 ont permis d’identifier les populations
bactériennes dominantes des biofi lms actifs comme étant affiliées aux espèces Halomonas venusta et Halomonas sp.
(classe des Gammaproteobacteria, ordre des Oceanospirillales,
famille des Halomonadaceae).
RESEARCH_2
Figure 3. Illustration des résultats d’essais.
55
Ingénierie numérique
et usine digitale
AUTEUR : Alain Bovis
L’accélération de la compétition mondiale, tant dans le domaine naval que dans le secteur émergent des
énergies marines renouvelables, nécessite, comme l’a souligné dans sa feuille de route le CORICAN
(Conseil d’orientation de la recherche et de l’innovation des constructions et activités navales), de
développer de nouvelles méthodes de conception et de production destinées à accroître la compétitivité
de ce secteur industriel. DCNS Research est fortement impliqué dans ce développement dans un cadre
collaboratif très large, en particulier avec l’IRT Jules verne, les Pôles de compétitivité EMC2 et Sytematic,
des partenaires académiques et industriels de tous secteurs d’activité.
Ingénierie numérique
DCNS conçoit, sur une base scientifique, et construit depuis
près de trois siècles dans des installations industrielles remarquables des navires de guerre reconnus, à chaque époque,
comme parmi les systèmes les plus complexes réalisés par
l’homme. Complexes, ils le sont par les technologies utilisées
et les outils scientifiques nécessaires à leur calcul, complexes
par le nombre de spéci fications au xquel les i ls doivent
répondre, aujourd’hui de l’ordre de 150 000 pour un navire de
premier rang, par le nombre d’équipements et de composants
élémentaires (1 000 000), complexes encore par la variété de
métiers et le nombre des contributeurs à leur réalisation (le
« systémier-intégrateur » ne représente que 20 % à 40 % de la
valeur ajoutée du navire), enfin complexité opérationnelle
dans un environnement difficile, l’océan, et dans un cadre de
coopération élargie et de plus en plus intégrée (notion de système de systèmes).
L’architecture navale s’inscrit donc en précurseur de ce que
l’on appelle aujourd’hui« ingénierie des systèmes ». Un navire
de guerre est un ensemble de sous-systèmes et équipements,
mais tout architecte naval sait d’expérience qu’il ne se limite
pas à la somme de ces sous-systèmes et équipements. Le
navire intégré, qui comprend à la fois la composante « porteuse », la plateforme propulsée et la « charge utile », le système de combat, possède des propriétés majeures, dites
« performances transverses », qui ne peuvent pas s’obtenir ou
s’analyser à partir des briques de base : il en est ainsi des perfor mances hydrody nam iques globales, des d i fférentes
56
signatures, acoustique, électromagnétique, infrarouge, et, de
manière plus générale, des capacités opérationnelles d’ensemble qui confèrent la supériorité tactique.
La conception d’un navire complexe est un processus séquentiel itératif constitué de phases successives au cours desquelles la définition du navire, de ses dimensions, de ses
constituants, de leur emménagement se précise jusqu’à aboutir
aux plans de réalisation détaillés. La conception défi nitive et
détaillée doit répondre à l’ensemble des exigences du maître
d’ouvrage. Le processus de conception s’étend sur plusieurs
années et ne s’achève qu’après vérification à la mer des performances sur le premier de série, qui est toujours également le
prototype. Pourtant, il est nécessaire, très tôt dans le processus, de conclure entre maître d’ouvrage et maître d’œuvre un
engagement contractuel sur un prix et un délai. Cet engagement intervient généralement à l’issue de la première phase,
encore appelée « phase d’étude de faisabilité » qui permet
d’établir les caractéristiques principales du navire, d’identifier
les points durs techniques et les besoins de développements
spécifiques, d’évaluer les risques, d’estimer les coûts et la
durée du projet. Si de façon idéale, on pourrait espérer avoir
connaissance à ce stade de 80 % des éléments déterminants de
la défi nition du navire, laissant 20 % à une estimation forfaitaire, dans la réalité guère plus de 50 % de ces éléments sont
connus à ce stade avec une précision suffi sante, en raison tant
de l’évolutivité des exigences que des anticipations technologiques ouvrant une large plage de risques pour le maître
d’œuvre.
RESEARCH_2
fonctionnelle des systèmes (propulsion, systèmes d’armes,
etc.), simulations comportementales (facteurs humains), simulations statistiques (fatigue, vieillissement, obsolescence, etc.).
DCNS Research est engagé dans plusieurs programmes de
développement de tels outils, comme le « bassin numérique »,
de nouveaux modèles de vibro-acoustique, les simulations
fonctionnelles de systèmes énergiques ou propulsifs.
Le recours étendu à l’ingénierie numérique permet de raccourcir significativement la phase d’étude de faisabilité, permettant
ce faisant d’explorer un espace beaucoup plus vaste du champ
des confi gurations possibles. Il permet de mettre à disposition
de l’architecte, du client et des principaux futurs coopérants
une plateforme d’échanges collaboratifs et d’accélérer la transition vers la « maquette numérique pour les études de défi nition détaillée ».
La convergence de simulations de natures mathématiques différentes, nécessitant des représentations différentes du même
navire est en soi un problème complexe. Une des solutions est
de reproduire ces différentes simulations dans un modèle
unique de substitution (surrogate model) à un très grand
nombre de paramètres. L’objectif est d’être en mesure d’explorer le plus grand nombre de configurations possibles afin
d’identifier la solution optimale au vu de l’ensemble des
exigences et de leurs priorités. Il s’agit là d’une démarche
d’optimisation multiphysique, multiobjectifs.
Au niveau de complexité rencontré, la gestion, commune avec
le client, des innombrables exigences nécessite de développer
ce que l’on appelle des métamodèles, ou modèles d’architecture, du type développés par le Département de la Défense
américain et adoptés par l’Otan dans le domaine des systèmes logiciels (DoDAF, NAF). Ces modèles permettent de
délimiter l’espace de variations possibles des paramètres
de conception.
La conception elle-même, fondée sur la défi nition numérique
d’une confi guration, suppose de développer les outils de simulation, simulation physique des performances transverses
(hydrodynamique, acoustique, CEM, comportement aux chocs
et aux impacts, comportement vibratoire, etc.), simulation
C’est au développement de moyens informatiques et algorithmiques aboutissant à un outil de conception par optimisation
que s’attache aujourd’hui, avec ses partenaires académiques et
industriels, DCNS Research.
Meta-model
NATO Architecture
Framework
Technical Requests Rules
& Standards Environment
Budget Technology
Ship Concept Cost
Estimate Technology Plan
Models
Functional
Physical
(Digital
Mock Up)
Behavioral
Probabilistic
NDMS
ASRU
EHCLS*
EHCLS*
Decoy launcher
DECOY'S
LAUNCHERS
Design Space
Mutli-Physics
Simulation
Optimization
Strategy
Visualization
Multi-Objectives
Analysis
RESEARCH_2
57
Chantier naval du futur
La construction d’un navire est une activité de type « grands
travaux » dans le sens où l’objet construit est unique, ou au
mieux fera l’objet d’une réplication à quelques exemplaires.
Encore, dans ce dernier cas, l’étalement dans le temps des différentes unités ou les exigences particulières de clients différents
conduisent généralement à des modifications significatives
entre unités d’une même série. Cependant, la construction des
navires, contrairement aux grands ouvrages de travaux publics,
se fait dans une enceinte industrielle dédiée, le chantier naval.
Dédiée, mais non spécifique, car le même outil, lourd et à forte
valeur capitalistique, doit permettre la construction de navires,
parfois de types et de configurations très différents.
Différemment d’autres domaines industriels, où l’effet de série
est déterminant et chaque ligne de production est spécifique, en
construction navale, le processus de production est principalement lié à l’infrastructure. Les évolutions technologiques (l’utilisation d’alliages à hautes performances ou l’introduction de
composites, par exemple) et la concurrence internationale
nécessitent de faire évoluer ce processus. L’objectif recherché
est alors principalement d’améliorer les conditions de réalisation
des opérations afi n d’accroître la productivité et de réduire le
taux de reprise. Ainsi, le passage à la construction par blocs, ou
par sections, prééquipés a marqué dans les années 1980 une
évolution majeure du processus industriel de la construction
navale. L’émergence de nouveaux axes de développement pour
les industries navales, comme les énergies marines renouvelables, oblige également à mettre au point de nouvelles logiques
industrielles.
soudage ou la manutention des pièces pour mieux les maîtriser,
anticiper les séquences, et en utilisant la réalité virtuelle haptique (qui reproduit les efforts) pour les optimiser et entraîner
les opérateurs.
Le chantier naval du futur sera « informé ». Le traçage et la
localisation en temps réel de chaque pièce ou équipement, grâce
aux technologies de « l’Internet des objets » (IoT), permet de
tirer les flux, réduire les stocks, livrer au bon instant et au bon
endroit, tout en optimisant l’enclenchement des tâches. Cette
connaissance instantanée de l’état de la production s’étend à
l’ensemble des coopérants (chantier étendu). Les opérateurs
disposent de ces informations et ont accès in situ aux données
de défi nition et d’industrialisation grâce à des tablettes tactiles.
La réalité augmentée permettra à l’opérateur de contrôler en
temps réel la position et les paramètres de son outil.
Une part significative des coûts de construction est liée aux
marges de réalisation (raidissages, surépaisseurs), aux reprises
de travaux, aux interruptions dues à la coactivité ou aux aléas
d’approvisionnement. Tout en augmentant de façon significative
la productivité, les technologies nouvelles de production
permettront également de sécuriser les opérations. Le développement de ces technologies innovantes est un des objectifs
majeurs de DCNS Research.
Les réflexions menées aujourd’hui dans différents secteurs,
sous le concept d’« usine du futur », axées sur la robotisation,
l’introduction massive des technologies de l’information, la transition énergétique, ouvrent également de nouvelle perspectives
d’évolution pour les industries navales. DCNS Research, avec
l’IRT Jules Verne, est engagé dans les diverses initiatives nationales et européennes destinée à développer les futurs outils de
production (advanced manufacturing).
Le chantier naval du futur sera économe, avec un recours développé aux énergies renouvelables, optimisant sa consommation
dans le cadre de son bassin de distribution énergétique. Il sera
propre, réduisant sa consommation de matières, grâce à l’allégement des structures, en réduisant les quantités nécessaires de
produits d’apport pour les assemblages, les revêtements et en
recyclant ses propres sous-produits et déchets. Il sera plus sûr
en automatisant et en déportant sur terre-plein ou en atelier
toutes les opérations difficiles à réaliser à bord.
Le chantier naval du futur sera « numérisé », c’est-à-dire qu’il
fera appel à toute la puissance des moyens informatiques pour
préparer les opérations : simuler les déformations induites par le
58
_RÉFÉRENCES
A. BOVIS. The Virtual Ship. 4 th Conference on Complex Systems
Design and Management, Paris, 4 au 6 décembre 2013.
RESEARCH_2
RESEARCH_2
59
NOS COMMUNICATIONS SCIENTIFIQUES
CONFÉRENCES – COMMUNICATIONS
_ « DYPIC project »
Artic Technology Conference 2014, Houston (États-Unis), Kerkeni et al.
_ N. Kamkar, F. Bridier, P. Bocher, P. Jedrzejowski
« Water droplet erosion mechanisms in rolled Ti-6Al-4V »
Int. Conference on Wear of Materials, Portland (États-Unis),
14-18 avril 2013
_ « Automatic heading control for DP in ice »
MTS DP Conference 2013, Houston (États-Unis), Kerkeni et al.
_ « Capability plots of dynamic positioning in ice »
ASME OMAE Conference 2013, Nantes (France), Kerkeni et al.
_ P. Bocher, D. Mingardi, B. Larregain, F. Bridier, F. Dughiero
« Simulation of fast induction surface heating and
comparison with experimental full-field surface
temperature measurements »
Int. Conference on Heating by Electromagnetic Sources,
Padoue (Italie), 21-24 mai 2013
_ « Experimental and numerical investigation of dynamic
positioning in level ice »
ASME OMAE Conference 2013, Nantes (France), Metrikin et al.
_ « Comparison of control laws in open water and ice »
ASME OMAE Conference 2013, Nantes (France), Kerkeni et al.
_ F. Bridier, J.-C. Stinville, N. Vanderesse, P. Villechaise, P. Bocher
« Measurement of microscopic strain localization and
crystal rotation within metallurgical grains »
Materials Structure & Micromechanics of Fracture,
Brno (République tchèque), 1er-3 juillet 2013
_ F. Bridier, J.-C. Stinville, N. Vanderesse, M. Lagacé, P. Bocher
« Measuring and comparing local strain field and crystal
rotation at the microscopic scale »
Microscopy & Microanalysis, Indianapolis (États-Unis),
4-8 août 2013
_ Contribution J.-C. Poirier, DCNS Research/SIREHNA®
« Tank testing of a new concept of floating offshore wind
turbine »
Proceedings of the ASME 2013 32nd International Conference
on Ocean, Offshore and Arctic Engineering, OMAE 2013,
Nantes (France), 9-14 juin 2013
_ « Comités scientifiques : modélisation et simulation
numérique du soudage »
11e colloque de l’AFM
_ M. Andriamisandrata, F. Bridier
« Insight on the mechanical behavior of copper bi-crystal
using crystal plasticity »
_ Conférence THERMEC 2013
Materials Science & Technology Conference, Montréal (Canada),
27-31 octobre 2013
_ M. Allart, G. Rückert, P. Paillard
« Étude métallurgique du soudage par friction malaxage
sur un acier à haute limite élastique destiné à la
construction navale : le 80 HLES »
_ E. Liberge, M. Pomarède, E. Longatte, C. Leblond
« Réduction de modèle en interaction fluide structure
via une formulation POD multiphasique pour les
écoulements en faisceaux de tubes »
11e Congrès de mécanique, Agadir (Maroc), 23-26 avril 2013
_ R. Fargère, P. Velex
« Some experimental and simulation results on
the dynamic behaviour of spur and helical geared
transmissions with hydrodynamic journal bearings »
5th VDI Wissensforum, Munich (Allemagne), 7-9 octobre 2013
_ C. Allery, A. Ammar, A. Dumon, A. Hamdouni, C. Leblond
« Proper generalized decomposition for the resolution
of incompressible flow »
Eccomas – 2nd International Workshop on Reduced Basis,
POD and PGD Model, Blois Castle (France), 3-6 novembre 2013
Las Vegas (États-Unis), 2-6 décembre 2013
Journées annuelles de la SF2M, Lille (France), 29-31 octobre 2013
_ G. Rückert, M. Chargy, F. Cortial, F. Jorez
« Evaluation of FSW on high yield strength steels
for shipbuilding »
Conférence THERMEC, Las Vegas (États-Unis), 2-6 décembre 2013
_ G. Rückert, N. Perry, S. Sire, S. Marya
« Enhanced weld penetrations in GTA welding with
activating fluxes – Case studies: plain carbon & stainless
steels, titanium and aluminum »
_ M. Allart, A. Benoit, P. Paillard, G. Rückert, M. Chargy
« Metallurgical Study of Friction Stir Welded High Strength
Steels for Shipbuilding »
_ S. Iakovlev, J.-F. Sigrist, C. Leblond, H. Santos,
C. T. Seaton, K. Williston
« Efficient semi-analytical methodology for the pre-design
analysis of the shock response of marine structures »
_ « DCNS experience about metal/composite assemblies
on board of navy ships »
ASME 2013, 32 nd International Conference on Ocean, Offshore
and Arctic Engineering, Nantes (France), 9-14 juin 2013
_ The 13th Euro-Japanese Symposium on Composite Materials
Nantes (France), 4-6 novembre 2013
NOS COMMUNICATIONS SCIENTIFIQUES
_ « DCNS experience about composite patch onboard
of navy ships »
FP7-SST-2008-RTD-1 Sustainable Surface Transport,
European CO-PATCH project (Composite Patch Repair
for Marine and Civil Engineering Infrastructure Applications),
Stakeholder Workshop, Londres (Royaume-Uni), 17 avril 2013
_ « Soudage par faisceau d’électrons de l’acier
inoxydable austénitique stabilisé au niobium
X6CrNiMoNb 17.12.2 »
Revue générale nucléaire, Ed. SFEN, année 2013, no 2, mars-avril,
p. 70-75, F. Cortial, T. Giraud, P. Recolin, S. Drobysz
_ « Evaluation of FSW on high yield strength steels
for shipbuilding »
_ J.-C. Petiteau, E. Verron, R. Othman, P. Guéguan,
H. Le Sourne, J.-F. Sigrist, G. Barras
« Dynamic uniaxial extension of elastomers at constant
true strain rate »
Polymer Testing, vol. 32, p. 394-401, 2013
_ S. Iakovlev, C. Seaton, J.-F. Sigrist
« Submerged circular cylindrical shell subjected to two
consecutive shock waves: resonance-like phenomena »
Journal of Fluids and Structures, vol. 42, p. 70-87, 2013
_ « Numerical simulation of dynamic positioning in ice »
MTS Journal, vol. 47, n° 2, mars-avril 2013, p. 14-30(17),
Metrikin et al.
Conférence THERMEC, Las Vegas (États-Unis), 2-6 décembre 2013,
Materials Science Forum, vol. 783-786, p. 1776-1781,
G. Rückert, M. Chargy, F. Cortial, F. Jorez
_ A. Pagès, J.-J. Maisonneuve, X. Dal Santo,
DCNS Research/SIREHNA®
« Étude et modélisation des petits navires de pêche pour
l’amélioration de leur comportement par mer forte »
_ « Kinetics of sigma phase precipitation in niobiumstabilized austenitic stainless steel and effect on the
mechanical properties »
ATMA 2014
Conférence THERMEC, Las Vegas (États-Unis), 2-6 décembre 2013,
Materials Science Forum, vol. 783-786, p. 848-853,
X. Ledoux, F. Buy, A. Perron, E. Suzon, J. Farré, B. Marini,
T. Guilbert, P. Wident, G. Texier, V. Vignal, F. Cortial, P. Petit
_ J. Raymond (DCNS Research/SIREHNA®),
P.-M. Guillouet (DCNS)
« Bassin numérique et modèle libre générique :
DCNS fait évoluer son processus de conception
hydrodynamique des sous-marins »
ATMA 2014
_ « Polar versus cartesian velocity models
for maneuvering target tracking with IMM »
IEEE Aerospace Conference 2013, D. Laneuville
_ C. Drouet, N. Cellier, J. Raymond, D. Martigny
OMAE 2013 – « Sea state estimation based on ship
motions measurements and data fusion »
_ « Titanium in renewable energies DCNS’s OTECH issues »
ITA 2013, International Titanium Association, Hambourg
(Allemagne) , T. Millot
_ S. Kerkeni, X. Dal Santo, L. Vilain
DP Asia Conference – « Improved cost efficiency of
DP operations by enhanced thrust allocation strategy »
PUBLICATIONS
Wear, vol. 301, p. 442-448, 2013
_ B. Chassignole (EDF R&D), P. Recolin (DCNS),
N. Leymarie (CEA), D. Elbaz (Extende), P. Guy (INSA Lyon),
G. Corneloup et C. Gueudre (universités Aix-Marseille)
BINDT – « 3D modelling of ultrasonic testing
of austenitic welds »
_ B. Larregain, N. Vanderesse, F. Bridier, P. Bocher
« Method for accurate surface temperature
measurements during fast induction heating »
_ L. Rouleau, J.-F. Deü, A. Legay, F. Le Lay
« Application of Kramers-Kronig relations to timetemperature superposition for viscoelastic materials »
Journal of Materials Engineering and Performance, vol. 22,
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