ORCA : la péridynamique, une révolution pour l’industrie ?

ORCA : la péridynamique, une révolution pour l’industrie ?

La recherche d’une meilleure optimisation des structures conduit à une adoption de plus en plus large des composites dans de nombreux domaines industriels.  S’ils apportent de nombreux avantages, ces nouveaux matériaux présentent un défi de taille : l’évolution de leur comportement est complexe à modéliser, en particulier pour anticiper et évaluer leurs endommagements. C’est dans ce contexte et celui du projet ORCA (Optimized modeling of the Rupture of Composite Materials Assemblies) qu’AMETRA Research travaille depuis plusieurs années sur le développement et la validation d’un nouvel outil de calcul numérique appelé ALPS : la péridynamique. Cette méthode innovante, née dans les années 2000 pour gérer les discontinuités dans la structure et en prédire la défaillance, est basée sur une approche dite particulaire. A la différence de la méthode des éléments finis (FEM), la péridynamique fonctionne sans maillage (meshless) pour gagner un maximum de temps sur les opérations de simulation et notamment traiter la propagation des endommagements de matériaux composites. Elle n’est donc pas sujette aux mêmes limites que la FEM et se base sur une approche particulaire. La cellule AMETRA Research est en train de développer un solveur numérique basé sur cette approche, soutenue par des subventions européennes du Fonds Européen de Développement Régional  (FEDER) et la région Ile-de-France. Le défi pour l’industrie :  contrôler et prédire les propagations de fissures Il est essentiel de prendre en compte l’endommagement des pièces fabriquées en CMO (Composite à Matrice Organique) lorsque l’on vise à les dimensionner. Ces dernières, et leurs assemblages en particulier, tendent à s’endommager de manière moins visible que des pièces classiques, ce qui peut conduire plus souvent à une...
La construction navale évolue vers les matériaux composites

La construction navale évolue vers les matériaux composites

Réduire les émissions polluantes et la consommation de carburant, gagner en légèreté et en durabilité sans compromettre les performances… les constructeurs du secteur maritime s’intéressent de plus en plus aux avantages d’une construction à base de matériaux composites (polymères renforcés de fibres de carbone, etc.), à l’heure où l’industrie navale est encore caractérisée par un recours massif à l’acier.   A titre de comparaison, le projet de navire composite RAMSSES, financé par l’UE, vise à atteindre une réduction de “jusqu’à 40 % par rapport à un navire en acier équivalent”. Cette nouvelle génération de navires plus durables concerne aussi bien la navigation de plaisance que les transports maritimes ou la Défense.  Pour rappel, un matériau composite est un assemblage d’au moins deux composants non miscibles (mais ayant une forte capacité de pénétration) dont les propriétés se complètent. Le nouveau matériau ainsi constitué, hétérogène, possède des propriétés que les composants seuls ne possèdent pas. Les matériaux composites hautes performances présentent des propriétés mécaniques spécifiques. Ce sont les plus employés en aéronautique et dans le spatial. La place des matériaux composites dans les constructions navales militaires Si ces matériaux ont essentiellement été utilisés en raison de leurs propriétés naturelles (légèreté, absence de corrosion, amagnétisme), il semble que l’on n’ait pas tiré la quintessence du concept même de composite.  Contrairement à l’aéronautique et l’aérospatial, les exigences souvent modestes des cahiers des charges n’ont pas toujours tiré ces matériaux vers le haut. Nous sommes pourtant à une époque charnière dans l’histoire des composites dans le domaine naval militaire.  Les exigences de vitesse et de mobilité des navires contraignent de plus en plus les concepteurs...
Vers une plus grande efficacité énergétique de l’industrie : quelles solutions pour quels résultats ?

Vers une plus grande efficacité énergétique de l’industrie : quelles solutions pour quels résultats ?

L’industrie apparaît souvent comme un obstacle à la lutte contre le changement climatique. D’un point de vue purement européen, on estime qu’elle est à l’origine de 20% des émissions de gaz à effet de serre du continent, et que l’extraction et la transformation des ressources sont responsables de plus de 90% de la perte de biodiversité et du stress hydrique (chiffres : Commission Européenne). Malgré tout, le virage énergétique est en marche et désormais indissociable de l’industrie du futur, que l’on qualifie déjà de nouvelle révolution industrielle. Il est intéressant de noter que la France est le 4e pays le plus vert au monde au classement mondial Green Future Index, et que les efforts conjoints tant au niveau national qu’européen visent à atteindre des objectifs ambitieux. Et comme nous allons le voir, l’industrie est en mesure d’être une solution à part entière au changement climatique, tout en prenant un temps d’avance en matière de production et d’innovation. Les enjeux de l’industrie durable : une stratégie qui dépasse le seul produit fini Le concept d’industrie durable s’installe de plus en plus, au point d’ailleurs d’avoir ses propres récompenses via les Trophées de l’Industrie Durable, lancés en 2020 par l’Usine Nouvelle (la prochaine édition aura d’ailleurs lieu à la fin du mois de juin). Parmi les lauréats récompensés, on peut citer Gravanches, 1ère usine Michelin zéro émission, Nutergia pour son modèle d’éco-construction, ou encore XPO qui obtient le Prix Création de valeur partagée & Ecosystème en redonnant vie au polystyrène.  La notion d’industrie durable implique non seulement d’optimiser les produits et services mis sur le marché (cycle de vie, recyclage, éco-conception…),...
Quelles technologies pour le stockage de l’hydrogène dans le naval ?

Quelles technologies pour le stockage de l’hydrogène dans le naval ?

En juillet 2020, la Commission Européenne a affirmé sa volonté de promouvoir une économie hydrogène. Combiné avec l’introduction du concept d’avions ZEROe d’Airbus, l’hydrogène a plus que jamais le vent en poupe.  Au-delà des attentes dans le domaine aéronautique, l’hydrogène intéresse d’autres secteurs comme le naval, régulièrement épinglé pour la pollution engendrée par ses plus gros navires.  Dans le domaine naval, l’hydrogène promet également une diminution des émissions de CO2 et une diminution de la pollution née du recours aux carburants fossiles comme le fioul lourd utilisé, entre autres, par les plus gros navires.  L’industrie navale fait actuellement appel à une grande variété de combustibles allant du SP98 au fioul lourd en passant par des « diesels marine léger » (DML)[1]. Le fioul lourd est particulièrement visé car sa combustion engendre des émissions de particules fines et de dioxyde de soufre SO2, responsable de pluies acides et de maladies pulmonaires.  Ces dernières années, les nouvelles régulations essayent de diminuer l’utilisation de ce combustible, tout en ouvrant la voie à d’autres alternatives comme le gaz naturel liquide, le méthanol ou encore l’hydrogène[2]. Comme pour le kérosène des avions, l’hydrogène pourrait ainsi être amené à remplacer une partie des combustibles utilisés dans l’industrie marine dans les décennies à venir.  De même que pour le domaine aéronautique, hormis la production de l’hydrogène, le plus grand verrou technologique sera l’implémentation de systèmes de stockage de l’hydrogène pour assurer une autonomie suffisante à l’utilisation.  Le domaine naval bénéficie de contraintes de masse amoindries par rapport au domaine aéronautique, mais il subit les mêmes limitations technologiques au niveau du stockage. Pour aller plus loin,  nous vous invitons...
L’utilité d’une hybridation 100% électrique pour un système embarqué

L’utilité d’une hybridation 100% électrique pour un système embarqué

Le terme d’hybridation, pour un système embarqué, est le plus souvent employé pour décrire un système utilisant en coopération au moins deux types d’énergie de natures différentes (généralement thermique et électrique). L’hybridation est déjà répandue dans plusieurs secteurs, qu’il s’agisse de l’automobile, du naval ou encore de l’aéronautique.  Dans le cas d’une voiture hybride par exemple, on peut allier une partie thermique (moteur à combustion), pour le fonctionnement en continu, à une partie électrique (batterie et moteur électrique), pour des phases transitoires telles que de fortes accélérations. Mais l’on oublie souvent que l’hybridation n’est pas seulement l’association de 2 types d’énergies différentes : il peut aussi s’agir de différentes sources électriques combinées au sein d’un même système. Pourquoi allier plusieurs sources dans un système embarqué ? L’énergie est l’utilisation d’une puissance (le plus souvent exprimée en watts) pendant une durée (par exemple en une heure). Cette énergie peut s’exprimer en joules ou en watts par heure (Wh). Chaque source électrique a ses spécificités, qu’il s’agisse de piles à combustibles (PAC), de batteries ou encore de super-condensateurs.  Les PAC peuvent fournir de l’énergie sur une durée de l’ordre de la dizaine d’heures à la journée, voire plus (dépendant de la taille du réservoir d’hydrogène), avec une faible puissance, là où les batteries, en fonction de leur type (certaines sont faites pour la puissance, d’autres plus pour l’énergie), vont produire de l’énergie de quelques dizaines de minutes à quelques dizaines d’heures à des puissances plus élevées. De leur côté, les super-condensateurs vont pouvoir fournir de très fortes puissances, mais de l’ordre de la seconde à la minute.  Ci-dessous, un diagramme de Ragone...
Modélisation des dommages dans les matériaux composites

Modélisation des dommages dans les matériaux composites

Modélisation d’un impact sur une coque de dériveur en composite grâce à notre outil interne ALPS. La couleur représente le taux d’endommagement ©Ametra Research La quête d’une meilleure optimisation des structures, souvent liée à des critères écologiques et économiques, pousse à une adoption de plus en plus large des composites dans de nombreux domaines de l’industrie. Réaliser des avions, des trains ou des voitures plus légers permet de réduire leur consommation de carburant de façon significative, optimisant de fait leur coût d’utilisation et leur impact carbone. Ainsi, si cette amélioration incrémentale n’est pas une solution finale au challenge que représente la réponse aux dérèglements climatiques, elle permet de diminuer l’impact carbone des industries du transport le temps de développer une approche permettant de le réduire à zéro (voir ici par exemple). Les composites sont donc de bons candidats car leurs structures hétérogènes (composées de multiple matériaux) permettent de n’inclure des renforts que là où ils sont absolument nécessaires. Ces renforts se présentent en général sous la forme de tissus et/ou de réseaux de fibres hautes performances (Carbone, Verre, Aramide ou autres) enveloppés dans une résine servant de liant. Ainsi, le béton armé est tout autant un composite qu’une pièce en fibre de carbone et résine époxyde.  L’appellation « matériaux composites » classiquement utilisée par le grand public fait en général référence à un sous-ensemble de ces matériaux composites au sens large : les matériaux composites à matrice organique (CMO). Un CMO est un composite dont le liant est une résine polymère. C’est sur ce type de matériaux qu’Ametra Research travaille dans le cadre du projet ORCA. Comme explicité ci-dessus, les CMO présentent...
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