Mai 2001
Etude des chargements dynamiques
Par Paolo Manganelli - Department of Ship Science - University
of Southampton
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Depuis
deux ans nous menons une étude sur les chargements dynamiques auxquels
sont soumis les bateaux de course au large pendant la navigation. Nous cherchons
en particulier à mieux déterminer :
- Les chargements hydrodynamiques sur la coque dus au tossage
- Les chargements inertiels sur le mât et la quille dus aux accélérations
du bateau.
Dans le cadre de cette étude, nous avons mis au point
un système de mesure qui, pendant le dernier Vendée Globe, était embarqué
à bord de EBP-Gartmore et de Voilà.fr. Le système se compose d’une centrale
d’acquisition autonome et d’une série d’accéléromètres répartis le long du
bateau (voir schéma ci-contre). Cette configuration nous permet d’enregistrer
les accélérations de la structure dans les six degrés de 
liberté. A partir de là,
nous pouvons :
- Estimer les chargements hydrodynamiques sur la coque lors des impacts
dans les vagues, sachant que les accélérations au centre de gravité du bateau
dépendent de son déplacement, des pressions hydrodynamiques et de leur surface
d’application
- Evaluer les forces inertielles agissant sur les différentes parties de
la structure
- Reconstituer les mouvements du bateau dans la mer (par double intégration
des accélérations dans le temps). Voir animation.
Le système a été réalisé en tenant compte des contraintes imposées par le type de bateau et par les conditions dans lesquelles se déroulent les campagnes de mesure. Ainsi le poids (~2kg) et la consommation d’énergie électrique ont été réduits au minimum pour ne pas affecter les performances du bateau. De plus, le système est entièrement autonome et ne demande aucune intervention de la part du skipper pendant toute la durée de la navigation.
Typiquement la centrale d’acquisition est programmée avant le départ de la course pour accomplir les tâches suivantes :
- Enregistrement d’un « cahier de bord »
Les données telles que vitesse du bateau, force et angle de vent, cap et position GPS sont enregistrées à des intervalles de 20 secondes pendant toute la course. Ceci permet d’avoir des renseignements sur les conditions de navigation du bateau et sur ses performances.
-
Enregistrement d’histoires temporelles
Lorsque l’accélération à l’étrave ou au centre de gravité dépasse des valeurs prédéfinies suite à l’impact de la coque dans une vague, une histoire temporelle des signaux de tous les accéléromètres est sauvegardée. En général, les cinq secondes précédant l’impact et les 5 suivantes sont enregistrées ; ainsi, on peut établir de manière précise l’attitude du bateau au moment du choc, la « force » du choc (en termes d’accélération linéaire et angulaire qu’elle engendre) et la réponse de la structure[1]. Pendant le Vendée Globe nous avons accumulé un peu plus de 4500 de ces enregistrements sur les deux bateaux, correspondant à autant d’impacts « significatifs ».
- Enregistrement de données statistiques
Les valeurs maximales des accélérations à chaque passage de vague sont continuellement enregistrées dans des histogrammes qui incluent également la vitesse du bateau et l’angle du vent réel. Ces données sont utiles pour l’analyse de problèmes de fatigue : elles permettent d’avoir un cadre complet des sollicitations pendant toute la durée de la navigation.
Afin de pouvoir évaluer les caractéristiques de tenue à la mer des bateaux et de pouvoir établir des modèles analytiques qui en reproduisent le comportement, il est important de connaître les conditions de mer au moment des mesures (hauteur significative des vagues, période moyenne et direction principale de propagation[2]). Celles-ci ne peuvent pas être mesurées à partir du bateau (il existe actuellement des systèmes capables d’effectuer ce genre de mesure, mais ils restent totalement inadaptés pour une utilisation à bord d’un 60’ Open). Nous utilisons donc des mesures effectuées à partir des satellites Topex Poseidon et ERS-2, mises à notre disposition par le « Southampton Oceanographic Centre », ainsi que des prévisions de modèles numériques produites par le « Ocean Modelling Branch » du NOAA. Ces dernières, en particulier, se sont avérées suffisamment précises dans la majeure partie des cas et extrêmement utiles de par leur niveau de détail.
A présent, nous avons effectué cinq campagnes de mesures : trois pendant des traversées de l’Atlantique (dont une pendant la transat « Europe1 NewMan Star ») et deux pendant le Vendée Globe. Cela représente au total 297 jours de mesures sur approximativement 65000 miles de navigation.
Pour plus de détails concernant cette étude, vous pouvez lire l’article « An experimental investigation of slamming on ocean racing yachts » publié au 15ème Chesapeake Sailing Yacht Symposium (disponible en format PDF).