Analyse dynamique d'une structure industrielle avec prise en compte du couplage fluide/structure

Dynamic analysis of an industrial structure with fluid-structure interaction

DCN Propulsion, Service Technique et Scientifique, 44620 La Montagne, France

Reçu : 13 Juin 2005
Accepté : 31 Mai 2006

Résumé

Le présent article propose une étude du comportement dynamique d'une structure représentative d'un réacteur nucléaire, soumis à une sollicitation de type choc, avec prise en compte des effets d'interaction fluide/structure. L'étude se place dans le contexte général de l'analyse vibratoire de systèmes linéaires, pour lesquels les méthodes d'analyse sont bien formalisées. L'utilisation de ces méthodes dans le contexte de problèmes couplés fluide/structure est étudiée dans cet article. Du point de vue méthodologique, une formalisation de la prise en compte des notions d'énergie de déformation et de masses modales élasto-acoustiques est prise en compte. Du point de vue industriel, les effets de couplage élasto-acoustique sont évalués et leur influence sur la réponse au choc du système étudié sont mis en évidence. L'analyse dynamique du système est réalisée en mettant en œuvre une approche temporelle, spectrale et statique. Les résultats de calcul pour différents cas d'étude et différentes méthodes sont présentés, analysés et comparés : la méthode de calcul la plus appropriée au problème posé est la méthode spectrale avec recombinaison quadratique. Du point de vue numérique, la méthode de discrétisation utilisée repose sur une approche éléments-finis exploitant le caractère axi-symétrique du problème avec une représentation des inconnues du problème en série de Fourier. La modélisation du problème couplé est réalisée en formulation symétrique écrite en pression/déplacement après élimination des degrés de liberté en potentiel des déplacements fluide. Le code éléments-finis mis en œuvre dans MATLAB pour cette étude spécifique permet de disposer d'un cas de référence pour la validation du développement de la formulation (u, p, φ) dans le code de calcul généraliste Ansys.

Abstract

The present paper deals with the dynamic analysis of a nuclear reactor subjected to a shock loading with fluid-structure interaction modeling. The general framework of the study is that of linear vibrations, which are investigated for coupled fluid-structure problems. From a methodological point of view, energy deformation and modal mass calculation are exposed for elasto-acoustic systems. From an industrial point of view, the influence of elasto-acoustic coupling effects are highlighted for the studied structure. The dynamic analysis of the coupled system is carried out with various procedures (static, spectral and temporal methods), which are exposed and compared. As a general result, the spectral method is proved to be the most effective for the industrial problem. From the numerical point of view, the discretisation procedure is based on a finite element method for the coupled problem, using a displacement and pressure-displacement potential coupled formulation with axi-symmetric representation of the problem unknowns. A finite element code is developed within MATLAB for the specific study, the numerical calculations presented in the paper are used as reference test cases for integration of the (u, p, φ) formulation in the commercial finite element code Ansys.