Modèles mécaniques de poutre enrichis pour la simulation de tubes minces sous pression

Autor: Pascal-Abdellaoui, Youri
Přispěvatelé: Institut des Sciences de la mécanique et Applications industrielles (IMSIA - UMR 9219), Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives (CEA)-École Nationale Supérieure de Techniques Avancées (ENSTA Paris)-Université Paris-Saclay-Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS)-EDF R&D (EDF R&D), EDF (EDF)-EDF (EDF), Université Paris-Saclay, Philippe Lafon, Claude Stolz, Frédéric Daude
Jazyk: francouzština
Rok vydání: 2022
Předmět:
Zdroj: Mécanique des solides [physics.class-ph]. Université Paris-Saclay, 2022. Français. ⟨NNT : 2022UPAST133⟩
Popis: The phenomenon of whipping is one of the potential consequences of the accidental of a high energy ligne break (HELB), it is part of the loading cases taken into account in the framework of internal aggression files of nuclear power plants. Whipping consequences must be evaluated for the safety of industrial installations since it involves large displacements of the severed piping which could, depending on the size, impact the neighbouring structures and components. As these are complex physical phenomena, the characterization of the pipe rupture and the associated whipping is currently based on simplified approaches using conservative assumptions. In some cases, these assumptions make difficulties, which can lead to costly modifications. In order to answer these stakes, it is proposed in this research project to improve the tools and methods currently available for the simulation of the whipping phenomenon in order to make more realistic the modeling of the preponderant physical phenomena and in particular their coupling. The final objective is thus to quantify the displacements of the broken piping as well as its impact on the structures and on the materials implying a potential loss of integrity or operability. For this, it is necessary to take into account in the modeling a large number of phenomena. In particular, it is necessary to model the following events: the rupture of the pipe, the force of the jet initiated at the breach, the displacement of the severed pipe, the impact of the latter with the neighbouring structures, the plastic deformations following this impact and the possible formation of a plastic hinge as well as the interaction between the fluid contained in the pipe and the structure. Numerical studies have been carried out using three-dimensional modeling, which is costly in terms of calculation and simulation time. It is therefore desired to model in a simplified way the dynamics of the ruptured pipe in order to allow a quick evaluation of the safety conditions. In particular, it has been shown that, in the current state of modelling, it is necessary to model the impact zone of the pipe with non-linear shell elements in order to find a correct estimation of the impact force of the pipe on the obstacle. This is why it is first proposed to develop a simplified model of enriched beam type (i.e. one-dimensional wire type), taking into account the ovalization of the pipe according to different loading cases. Thus an enriched beam type finite element taking into account the ovalization of its transverse section is developed, whether it is a straight beam or one with an initial curvature as is the case of an elbow. The kinematics retained is a classical Euler-Bernoulli beam kinematics to which is added a Love-Kirchhoff type shell kinematics, developed to the first order in the thickness of the tube and in Fourier series according to the tangential variable in order to remain in a wire formalism. Moreover, a non-linear coupling, between the beam rotations and the shell displacements of the section, is introduced in order to allow the tube to ovalize even on a straight part. The described model is then discretized and implemented in the industrial dynamic explicit calculation code Europlexus. In order to verify and validate the model, the pipe is subjected to different loading cases such as simple extension, pure bending, the pipe under internal pressure or the application of a localized surface force on the transverse section allowing large deformations of the cross-section. The numerical results obtained are in good agreement with the corresponding analytical or numerical solutions obtained with other simulation codes.; Le phénomène de fouettement est une des conséquences potentielles de la rupture accidentelle d'une tuyauterie haute énergie (RTHE). Le fouettement doit être pris en compte dans les études sur la sûreté des installations industrielles puisqu'il suppose de grands déplacements de la tuyauterie sectionnée qui pourrait, en fonction de l'encombrement, impacter les structures et composants avoisinants. S'agissant de phénomènes physiques complexes, la caractérisation de la rupture de la tuyauterie et du fouettement associé est fondée actuellement sur des approches simplifiées reposant sur des hypothèses conservatives. Ces hypothèses peuvent alors conduire à des difficultés, ce qui est résolu par l'introduction de modifications au niveau de ces installations, modifications qui peuvent s'avérer coûteuses. De façon à répondre à ces enjeux, il est proposé dans ce projet de recherche un travail d'amélioration des outils et méthodes actuellement disponibles pour la simulation du phénomène de fouettement afin de rendre plus réaliste la modélisation des phénomènes physiques prépondérants et en particulier leur couplage. Pour cela, il est nécessaire de prendre en compte dans la modélisation un grand nombre de phénomènes. Il s'agit, en particulier, de modéliser les évènements suivants : la rupture de la tuyauterie, la force du jet initié à la brèche, le déplacement de la tuyauterie sectionnée, l'impact de celle-ci avec les structures avoisinantes, les déformations plastiques suite à cet impact et la formation éventuelle d'une rotule plastique ainsi que l'interaction entre le fluide contenu dans la tuyauterie et la structure. De nombreuses études ont été réalisées en modélisation tridimensionnelle, laquelle s'avère coûteuse en temps de calcul et de simulation. Il est donc souhaité de modéliser de façon simplifiée la dynamique de la tuyauterie rompue afin de permettre une évaluation rapide des conditions de sûreté. Il a en particulier été montré, qu'en l'état actuel des modélisations, il était nécessaire de modéliser la zone d'impact de la tuyauterie en éléments coques non-linéaires pour retrouver une estimation correcte de la force d'impact de la tuyauterie sur l'obstacle. Ainsi un élément fini de type poutre enrichi permettant de prendre en considération l'ovalisation de sa section transverse est développé, que ce soit sur une poutre droite ou sur une poutre ayant une courbure initiale comme dans le cas d'un coude. La cinématique retenue est une cinématique classique de poutre d'Euler-Bernoulli à laquelle s'ajoute une cinématique de coque de type Love-Kirchhoff, développée au premier ordre dans l'épaisseur du tube et en séries de Fourier selon la variable tangentielle afin de rester dans un formalisme filaire. De plus un couplage non linéaire, entre les rotations de type poutre et les déplacements de la section de type coque, est introduit afin de permettre au tube de s'ovaliser même sur une partie droite. Le modèle décrit est alors discrétisé et implémenté dans le code de calcul industriel de dynamique rapide explicite Europlexus. Afin de vérifier et de valider le modèle, la tuyauterie est soumise à différents cas de chargement tels que l'extension simple, la flexion pure, le tube sous pression interne ou encore l'application d'une force surfacique localisée sur la section transverse permettant de grandes déformations de la section. Les résultats numériques obtenus sont en bonne adéquation avec les solutions analytiques ou numériques issues d'autres codes industriels.
Databáze: OpenAIRE
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