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Présentation Projet de Fin d’Etudes : Modélisation et optimisation d’une tour en treillis

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Présentation Projet de Fin d’Etudes : Modélisation et optimisation d’une tour en treillis - PowerPoint PPT Presentation


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Le Moigne Julien (5GMD). Année 2007-2008. Présentation Projet de Fin d’Etudes : Modélisation et optimisation d’une tour en treillis. Tuteur pédagogique : Preumont André (ULB, INSA de Lyon) Tuteur industriel : Jean-Laurent Dournaux (GEPI, Observatoire de Paris).

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Presentation Transcript
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Le Moigne Julien (5GMD)

Année 2007-2008

Présentation Projet de Fin d’Etudes :

Modélisation et optimisation d’une tour en treillis

Tuteur pédagogique : Preumont André (ULB, INSA de Lyon)

Tuteur industriel : Jean-Laurent Dournaux (GEPI, Observatoire de Paris)

mod lisation et optimisation d une tour en treillis
Modélisation et optimisation d’une tour en treillis
  • Introduction au projet
  • Vérification du code de calcul NASTRAN
  • Design des tours
  • Choix des modélisations
  • Etude paramétrique
  • Conclusion et suite du stage
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Modélisation et optimisation d’une tour en treillis

Introduction NASTRAN Design Modélisations Etude paramétrique Conclusion et suite

  • Introduction au projet :

• Observatoire de Paris :

  • Fondé en 1677
  • Le plus grand pôle de recherche français en astronomie
  • 3 unités de recherche (Paris, Meudon, Nançay)

• GEPI :

  • Pôle instrumental du site de Meudon
  • Définition, conception, réalisation de grands projets instrumentaux de l’astronomie au sol
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Modélisation et optimisation d’une tour en treillis

Introduction NASTRAN Design Modélisations Etude paramétrique Conclusion et suite

  • Introduction au projet :

• Projet Antarctique :

  • Intérêt scientifique grandissant
  • Plusieurs stations de recherche (ex : Concordia au Dôme C)

• Dôme C :

  • Positions géographique et conditions naturelles apportent des avantages pour les observations pour les observations astronomiques
  • Influence du vent amoindrie (Vmax 5-6m/s à 30m de hauteur)
  • Températures : - 30°C en été

- 80°C en hiver

(1st ARENA conference on astronomy at CONCORDIA, 2007)

  • Conditions optimales de visibilité à 30m de hauteur
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Modélisation et optimisation d’une tour en treillis

Introduction NASTRAN Design Modélisations Etude paramétrique Conclusion et suite

  • Introduction au projet :

• Projet MASTER/PFE :

  • Concevoir et optimiser le design d’une tour de 30m
  • Tour supporte un télescope nouvelle génération
  • Etude dynamique :

=> 1ère fréquence propre de la tour > 10Hz

(énergie créée par les variations du vent décroît rapidement entre 1 et 10Hz; Hammerschlag et al., 2006)

=> Limiter les mouvements de la plateforme de support aux mouvements plans (pas de flexion), parallèles au sol

  • Optimiser le poids de la tour
  • Prévoir le contrôle de la tour (passif?actif?)
mod lisation et optimisation d une tour en treillis1
Modélisation et optimisation d’une tour en treillis

Introduction NASTRANDesign Modélisations Etude paramétrique Conclusion et suite

  • Vérification de la première fréquence propre :

• Approximation analytique de la première pulsation propre

Modélisation de la poutre :

  • Type d’éléments : 20 éléments bar2
  • Conditions limites : encastrée-libre
  • L = 4m
  • E = 2,1E5MPa
  • R = 0,1m
  • Densité = 0
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Modélisation et optimisation d’une tour en treillis

Introduction NASTRAN Design Modélisations Etude paramétrique Conclusion et suite

  • Vérification de la première fréquence propre :

Masse concentrée

(10t)

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Modélisation et optimisation d’une tour en treillis

Introduction NASTRANDesign Modélisations Etude paramétrique Conclusion et suite

  • Vérification du flambage et de la précontrainte :

• Théorie poutre bi-rotulée :

• Calcul NASTRAN :

(Mechanical Vibrations for engineers, Lalanne et al.)

(http://fr.wikipedia.org/wiki/Flambage)

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Modélisation et optimisation d’une tour en treillis

Introduction NASTRAN Design Modélisations Etude paramétrique Conclusion et suite

  • Vérification du flambage et de la précontrainte :

• Remplacement de la force par masse ponctuelle :

=>

=> INSTABILITE

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Modélisation et optimisation d’une tour en treillis

IntroductionNASTRAN Design Modélisations Etude paramétrique Conclusion et suite

  • Propositions de l’Observatoire :

• Tour à 4 pieds :

  • Composée de tubes creux de 6m de type acier carbone
  • Appui sur containers infiniment rigides
  • Hauteur de 30m
  • 5 étages,…
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Modélisation et optimisation d’une tour en treillis

Introduction NASTRAN Design Modélisations Etude paramétrique Conclusion et suite

  • Propositions de l’Observatoire :

• Tour « tabouret » :

  • Composée de tubes creux en acier carbone
  • 3 appuis sur containers infiniment rigides
  • Hauteur de 30m
  • Diamètre supérieur pour les pieds,…

(pas présenté ici)

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Modélisation et optimisation d’une tour en treillis

Introduction NASTRAN Design Modélisations Etude paramétrique Conclusion et suite

  • Designs d’étude choisis :

Choix de l’Observatoire

Inspiré de tour à base carrée

Inspiré de la tour Eiffel

Inspiré de Tabouret et 4 pieds

+ tour EDF

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Modélisation et optimisation d’une tour en treillis

Introduction NASTRAN Design Modélisations Etude paramétrique Conclusion et suite

  • Modélisation des designs sous PATRAN :
  • Tubes creux de 6m max (logistique,…)

=> Diamètre extérieur = 20cm

=> Epaisseur = 1cm

  • Matériau : Acier carbone de construction (-80°C)

=> E = 2,1E5MPa (Propriété des matériaux à basse température,

J-P Thermeau, courbe 6)

=> ρ = 7700Kg/m3

  • Fondations : Glace comme béton

=> Liaisons encastrement, infiniment rigides

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Modélisation et optimisation d’une tour en treillis

IntroductionNASTRAN Design Modélisations Etude paramétrique Conclusion et suite

  • Modélisation des designs sous PATRAN :
  • Modélisation des éléments:

=> Eléments bar2 de 0,45 à 0,55m

=> Liaisons rigides entre les barres de la tour

  • Modélisation de la plateforme de support :

=> Supposée infiniment rigide

=> Liaison rigide de type RBE2 (pas de mode d’ouverture)

  • Modélisation du télescope :

=> Masse concentrée au centre de la liaison rigide

=> 3 masses : 10t, 20t, 100t (cas limite)

= Télescope + Plateforme

  • Calculs sans précontrainte (cf. vérification de la précontrainte) :

=> Masses concentrées < « charge critique » de flambement

=> Erreur non significative

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Modélisation et optimisation d’une tour en treillis

z

z

y

y

x

x

Introduction NASTRAN Design Modélisations Etude paramétrique Conclusion et suite

  • Etude dynamique :

Flexion d’ordre 1 en <-1 -1 0>

Flexion d’ordre 1 en <-1 1 0>

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Modélisation et optimisation d’une tour en treillis

z

z

y

y

x

x

Introduction NASTRAN Design Modélisations Etude paramétrique Conclusion et suite

  • Etude dynamique :

Flexion d’ordre 1 en <1 1 0>

Flexion d’ordre 1 en <1 -1 0>

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Modélisation et optimisation d’une tour en treillis

z

y

x

IntroductionNASTRAN Design Modélisations Etude paramétrique Conclusion et suite

  • Influence du design :

1er mode: flexion d’ordre 1

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Modélisation et optimisation d’une tour en treillis

IntroductionNASTRAN Design Modélisations Etude paramétrique Conclusion et suite

  • Influence des renforts :

PEU INFLUENTS

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Modélisation et optimisation d’une tour en treillis

25,6m

+ containers

Introduction NASTRAN Design Modélisations Etude paramétrique Conclusion et suite

  • Influence de la hauteur :

30,7m

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Modélisation et optimisation d’une tour en treillis

Introduction NASTRAN Design Modélisations Etude paramétrique Conclusion et suite

  • Influence du diamètre/étages des poutres :
  • 3 diamètres utilisés :

- D1 = 219,1mm ; ep1 = 5mm

- D2 = 356mm ; ep2 = 6mm

- D3 = 508mm ; ep3 = 6mm

  • 4 études/tour :

- étude 1 : influence du nombre d’étages à D3 (tubes horizontaux et verticaux)

- étude 2 : influence du nombre d’étages à D3 (tubes horizontaux uniquement, tubes verticaux = cte = D1)

- études 3 et 4 : même chose avec D3 et D2

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Modélisation et optimisation d’une tour en treillis

Introduction NASTRAN Design Modélisations Etude paramétrique Conclusion et suite

  • Influence de la conicité de la tour :
  • 3 modèles utilisés :
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Modélisation et optimisation d’une tour en treillis

Introduction NASTRAN Design Modélisations Etude paramétrique Conclusion et suite

  • Conclusion de l’étude paramétrique :
  • A propriétés équivalente, tour hexagonale plus performante
  • Renforts utilisés peu influents sur comportement dynamique
  • « Tour sur container » = meilleure performance
  • Augmentation du diamètre des trois premiers étages
  • Conicité dégrade les performances (pour Lmax = 6m)
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Modélisation et optimisation d’une tour en treillis

Introduction NASTRAN Design Modélisations Etude paramétrique Conclusion et suite

  • Modèle provisoire « optimisé » :

=> Tour à base hexagonale :

• Dimension barre

=>

=> Dext = 508mm; Ep = 6mm

=> Dext = 219mm; Ep = 5mm

• Renforts 3 sur fondations et 1er étage

=> Très légère amélioration

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Modélisation et optimisation d’une tour en treillis

Introduction NASTRAN Design Modélisations Etude paramétrique Conclusion et suite

  • Influence du diamètre et épaisseur sur 3 premiers étages :

=> Tour à base hexagonale :

• Epaisseur :

• Diamètre extérieur :

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Modélisation et optimisation d’une tour en treillis

Introduction NASTRAN Design Modélisations Etude paramétrique Conclusion et suite

Influence de la section poutre

  • Influence du diamètre et épaisseur sur 3 premiers étages :

=> Tour à base hexagonale :

• Epaisseur :

• Diamètre extérieur :

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Modélisation et optimisation d’une tour en treillis

Introduction NASTRAN Design Modélisations Etude paramétrique Conclusion et suite

Influence de la masse de la tour

  • Influence du diamètre et épaisseur sur 3 premiers étages :

=> Tour à base hexagonale :

• Epaisseur :

• Diamètre extérieur :

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Modélisation et optimisation d’une tour en treillis

IntroductionNASTRAN Design Modélisations Etude paramétrique Conclusion et suite

  • Conclusion sur étude paramétrique :

=>Augmenter la première fréquence propre

=> Tour à base hexagonale

=> Pour L = 6m : conicité inutile

=> Augmentation de la section de barre

  • Suite du stage :

=> Optimisations envisageables

=> Estimer le coût de la tour (+logistique, transport, construction…)

=> Réponse fréquentielle au vent

=> Contrôle (passif?, actif?...)

=> Maquette et tests