De nombreuses structures spatiales telles que les lanceurs sont équipées d’une mousse de protection thermique. Cette couche de matériau extrêmement léger présente d’excellentes propriétés d’isolation thermique mais des caractéristiques mécaniques très faibles. Il est ici proposé d’analyser le comportement au flambage de ce type de construction où une fine et légère structure, coque cylindrique en aluminium avec un ratio R/t de 665, est recouverte par une épaisse couche de mousse de faible densité. Afin d'évaluer l'effet du comportement au flambage de ce type de coque multicouche, des essais expérimentaux et numériques sont réalisés sur des cylindres faiblement pressurisés soumis à du cisaillement et de la flexion. Ce cas de charge représente la configuration « cas sol », d’un lanceur sur le pas de tir, dans l’attente du lancement, et soumis à des charges mécaniques extrêmes générées par le vent. / Many space structures such as launchers are equipped with a thermal foam protection barrier. This layer, of extremely light material generally exhibits excellent properties of heat insulation but very weak mechanical characteristics. This study is devoted to the analysis of the buckling behavior of this hybrid wall construction where the skin of a very thin light-weight structure, an aluminum cylindrical shell with an R/t ratio of about 665, is coated with a thick layer of foam with a low material density. To gauge the effect on the buckling behavior of this kind of multilayered shells, experimental and numerical tests are conducted on slightly pressurized cylindrical shells submitted to shear load. This load configuration represents the case of a rocket on the launching pad, waiting to be launched, and submitted to mechanical loads induced by the wind.

Ce travail de recherche répond aux besoins actuels et futurs dans le domaine de l’Aérospatial de faire évoluer les règles de dimensionnement au flambage des réservoirs structuraux de l’Etage Principal Cryogénique (EPC) des lanceurs. Ces réservoirs, composés de coques cylindriques, peuvent être associés à un faible raidissage en termes de masse ajoutée. L’objectif d’alléger le lanceur pour optimiser la charge utile, conduit au choix de coques constitutives de plus en plus minces, le risque de flambage sous diverses sollicitations est donc d’autant plus accru. Le dimensionnement au flambage de l’EPC est basé principalement sur la norme NASA SP8007 qui date de 1968, et qui semble trop conservative, notamment aux basses pressions. Précisons aussi, que l’EPC est équipé d’une couche de protection thermique (PT) qui n’est pas prise en compte dans le design au vue de sa très faible rigidité de membrane. La contribution de cette couche à la capacité de flambage de la coque est cependant un sujet ouvert. / This research work responds to the current and future requirements in Aerospatiale are to improve the design for buckling of the tanks of the Cryogenic Main Stage (EPC) of the launcher. These tanks are composed of cylindrical shells and can be associated with weak stiffening, which are becoming thinner and therefore more susceptible to a risk of buckling. The buckling design of the EPC based mainly on the NASA SP8007 standard, which is ac-cording to many specialists too preservative, especially under low pressure. Moreover, the EPC is equipped with a thermal protection layer (PT), which is extremely light and has an excellent thermal insulation property but very low mechanical properties. The contribution of this layer to the buckling capacity of a lightly pressurized thin cylindrical shell under var-ious solicitations, therefore, appears to be a major subject.

Cette étude vise à analyser la coque qui est en contact avec un matériau qui la confine, et qu’elle subite une pression latérale externe. Les conditions de contact entre les deux corps, frottant ou pas, la rigidité du confinement ainsi que les conditions de chargement, la pression qui peut être directement appliquée à la coque comme elle peut être induite par le matériau de confinement qui par retrait ou retreint ou convergence radiale induit des contraintes, ceux sont là les paramètres qui nous paraissent essentiels à jauger pour la problématique du flambage avec contact d’une coque sous pression externe. Une campagne expérimentale où plusieurs configurations de confinement sont considérées. La nature du milieu extérieur associé au confinement et donc sa rigidité, le type de confinement, discret ou locale au bien total (surface entière de la coque), sont évalués. Une instrumentation adéquate, couplant des mesures ponctuelles et de champ nous a permis de correctement mettre en exergue la phénoménologie. Les simulations numériques par éléments finis à l’aide du code de calcul Abaqus/Standard 6.12-3 intègrent les différentes non linéarité mise en musique dans ce problème, les grands déplacements et rotations du fait du flambage, la non linéarité matériau. Ces travaux montrent que même pour un confinement externe avec une très faible rigidité de membrane, comme pour le sable ou le polystyrène expansé, un gain important de capacité portante est observé, le flambage est retardé. L’augmentation est substantielle dans le cas d’un confinement total, non négligeable et consistante dans le cas d’un confinement local. Nous avons aussi constaté que la charge de flambage et le mode associé dépendent de la configuration de contact, notamment de la rigidité à la flexion du confinement. / Motivated by practical engineering applications, thin-walled cylindrical shells are widely used as structural elements. Because of their low flexural strength, these structures are very sensitive to buckling when exposed to external pressur. Conventional stiffening which makes it possible to improve the bearing capacity is to add stiffening rings connected by axial stiffeners or axial stiffeners. In these configurations the stiffening elements are an integral part of the structure with a continuity of material. One can ask the question of the effect of contiguous but non-continuous adjacent external structures ensuring total or local surface external contact. These are real configurations, such as those of buried pipelines, pipelines, or the case of insulated structures. This study aims to analyze these cases where the shell is in contact with a material which confines it, and that it undergoes an external lateral pressure. The contact conditions between the two bodies, whether rubbing or not, the stiffness of the confinement as well as the loading conditions, the pressure which can be directly applied to the shell as it may be induced by the confinement material which by withdrawal or shrinkage or Radial convergence induces stresses, these are the parameters that we consider essential for gauging the problem of buckling with contact of an external pressure shell. To answer these questions, we conducted an experimental campaign where several configurations of confinement are considered. The nature of the external environment associated with the confinement and therefore its rigidity, the type of confinement, discrete local or the total property (entire surface of the shell), are evaluated. Appropriate instrumentation, coupling point and field measurements, has allowed us to correctly highlight the phenomenology. Numerical modeling is also carried out using finite element method by Abaqus/Standard 6.12-3 code. Numerical simulations integrate the different nonlinearities in this problem, large displacements and rotations due to buckling, nonlinearity material, in some cases the buckling is plastic, but also the nonlinearity induced by an evolutionary contact. The modeling is carried out in 2D and 3D mesh, and in the latter case either by means of shell elements or by massive elements, the first aim being to corroborate the experimental observations more or less precisely. This work shows that even for external confinement with very low membrane rigidity, as for sand or expanded polystyrene, a significant gain in bearing capacity is observed, the buckling is delayed. The increase is substantial in the case of a total confinement which is not negligible and consistent in the case of local confinement. We have also found that the buckling load and the associated mode depend on the contact configuration, in particular the flexural rigidity of the confinement.