Buckling of thin cylindrical shells under combined loadings : internal pressure, compression, bending and transverse shear

Flambage de coques cylindriques minces sous chargements combinés : pression interne, compression, flexion et cisaillement

André da Silva (1)

1 LGCIE - Laboratoire de Génie Civil et d'Ingénierie Environnementale

The stability of thin cylindrical shells has been studied for decades, but despite the accumulated knowledge on the subject, important questions remain, in particular regarding the design of such structures. The effect of geometrical imperfections is now well understood, but old design recommandations resulting from purely empirical approaches, are still used. The NASA SP8007 recommendation (1968) is one them, and leads to conservative designs. This rule is used in particular for the design of the Ariane 5 launcher. Indeed, the Principal Cryogenic Stage is made of thin cylindrical shells, subjected throughout the structure’s life cycle to a combination of loadings, and hence prone to possibly disastrous structural instabilities. It is is then necessary to better understand those phenomena in order to improve the design methods for relatively long (1 < L/R < 3) and thin (250 < R/t < 1500) shells. Our work is based on both numerical and experimental approaches. Numerical tools are used, through a relevant choice of the critical imperfections, to build a new design recommendation and study the influence of different parameters (geometrical or material). Experiments took an important place in our research, and the large experimental campaign allowed us to validate the numerical results for different configurations, and to better understand the physics of the problem as well. These two aspects of our study also enabled us to clarify the interaction between different loadings (internal pressure, compression, bending and transverse shear), which is today more or less understood, according to the case.

Malgré le cumul de connaissances sur le sujet du flambage des coques minces, des questions essentielles demeurent. En effet, malgré les avancées et une meilleure compréhension de l’effet des défauts, le dimensionnement continue de recourir aux anciennes règles qui découlent d’une démarche empirique et qui s’avèrent souvent trop conservatives comme c’est le cas par exemple pour la NASA SP8007 (1968). Cette règle est utilisée notamment pour le dimensionnement du lanceur Ariane 5. L’Etage Principal Cryogénique est en effet constitué de coques cylindriques minces, qui sont soumises à une combinaison de chargements et donc sujettes au déclenchement d’instabilités pouvant être catastrophiques. Il est ainsi nécessaire d’avoir une meilleure compréhension du phénomène pour pouvoir améliorer ces méthodes de dimensionnement dans le cas de coques moyennement longues (1 < L/R < 3) et minces (250 < R/t <1500). Nous employons pour cela une approche à la fois numérique et expérimentale. L’outil numérique est utilisé, via une modélisation pertinente, afin de construire une nouvelle règle de dimensionnement et d’étudier l’influence des différents paramètres (géométriques, matériau). L’aspect expérimental a pris une place prépondérante, une large campagne nous permettant de valider les résultats simulations pour différentes configurations, mais également d’avoir une bonne compréhension du phénomène. Ces deux aspects de notre recherche nous ont également permis de mieux déterminer l’interaction entre les différents chargements (pression interne, compression, flexion, cisaillement), plus ou moins comprise selon les cas.

Mots clés: Buckling; Shells; Instability; Bending test

Mots clés: Coques cylindriques; Flambage; Instabilités frottement; Dimensionnement; Imperfection; Pressurisation; Interaction; Compression; Flexion; Cisaillement; Lanceur; Mécanique appliquée

Domaines: Autre

André da Silva. Flambage de coques cylindriques minces sous chargements combinés : pression interne, compression, flexion et cisaillement. Autre. INSA de Lyon, 2011. Français. ⟨NNT : 2011ISAL0078⟩. ⟨tel-00782117⟩