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.

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. / 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.

De nombreux travaux dans la littérature se sont concentrés sur la modélisation vibro-acoustique de coques cylindriques raidies immergées, du fait des nombreuses applications industrielles, en particulier dans le domaine aéronautique ou naval. Cependant, peu d'entre elles prennent en compte des structures internes non-axisymétriques telles que des supports moteurs, des planchers ou des carlingages, qui peuvent avoir une influence importante sur le comportement vibro-acoustique du système. C'est pourquoi une méthode de sous-structuration baptisée CTF est présentée dans cette thèse. Elle est développée dans le cas général de deux structures minces couplées le long d'une ligne. Un ensemble de fonctions orthonormées, baptisées fonctions de condensation, est défini afin d'approximer les forces et déplacements à la jonction entre les sous-systèmes. Des fonctions de transfert condensées sont définies pour chaque sous-système découplé. L'utilisation du principe de superposition, de l'équilibre des forces et de la continuité des déplacements permet de déduire le comportement des sous-systèmes couplés. La méthode est d'abord développée et validée dans le cas de plaques, puis ensuite appliquée au cas d'une coque cylindrique raidie immergée couplée à des structures internes non-axisymétriques. Le système est dans ce cas décomposé en 3 familles de sous-systèmes : la coque cylindrique immergée décrite par une méthode semi-analytique basée sur la résolution des équations de Flügge dans le domaine des nombres d’onde, les structures internes axisymétriques (raidisseurs, cloisons) décrites par éléments finis axisymétriques et les structures non-axisymétriques décrites pas des modèles éléments finis. La méthode CTF est appliquée à différents cas tests afin de montrer l'influence des structures internes non-axisymétriques sur le comportement vibro-acoustique d'une coque cylindrique pour différents types d'excitations pertinents dans le domaine naval : une force ponctuelle, une onde plane acoustique et un champ de pression aléatoire (tel qu'un champ acoustique diffus ou une couche limite turbulente). / Many works can be found in the literature concerning the vibroacoustic modelling of submerged stiffened cylindrical shells, because of high interest in the industrial domain, in particular for aeronautical or naval applications. However, only a few of them take into account non-axisymmetric internal frames, as for instance engine foundations or floor partitions, that can play a role on the vibroacoustic behavior of the system. That is why a substructuring approach called the Condensed Transfer Function (CTF) approach is proposed in the first part of this thesis. The aim is to take advantage of both analytical models and element-based models, in order to be able to deal with the geometrical complexity, and to calculate at higher frequencies than with element-based methods only. The substructuring method is developed in the general case of thin mechanical structures coupled along curves. A set of orthonormal functions called condensation functions, which depend on the curvilinear abscissa along the coupling line, is considered. This set is then used as a basis for approximating and decomposing the displacements and the applied forces at the line junctions. Thanks to the definition and calculation of condensed transfer functions for each uncoupled subsystem and by using the superposition principle for passive linear systems, the behavior of the coupled subsystems can be obtained. The method is first developed and validated for plates and convergence criteria are defined in relation with the size of the basis of condensation functions. The CTF method is then applied to the case of a submerged stiffened cylindrical shell with non-axisymmetric internal frames. The system is partitioned in 3 types of subsystems: the submerged shell, the axisymmetric frames (stiffeners, bulkheads) and the non-axisymmetric frames. The submerged shell is described by a semi-analytical method based on the Flügge equations in the spectral domain. The axisymmetric frames are described by axisymmetric Finite Element models and the non-axisymmetric frames by Finite Element models. The CTF method is applied to different test cases in order to highlight the influence of non-axisymmetric internal frames on the vibroacoustic behavior of a submerged stiffened cylindrical shell, for different excitations particularly relevant in the naval domain: a point force, an acoustic plane wave, and a random pressure field (such as a diffuse sound field or a turbulent boundary layer for instance).

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.