Projet elements finis et optimisation de structures

Rapport de TN90 – P2016
Etude du dimensionnement de l’anneau
de roulement d’un véhicule blindé
ELC AMX Bis
Département Ergonomie, Design et Ingénierie Mécanique (EDIM)
KALAI TLAMSANI Jabran
HAMANI Zyad
Responsables de l’UV :
Dominique CHAMORET
Morad MAHDJOUB
Jérémy BUCHER

TN90 - Dimensionnement de l’anneau de roulement d’un véhicule blindé
2
TN90 – P16 – HAMANI Zyad – KALAI TLAMSANI Jabran
Remerciements
Nous tenons à remercier l’équipe pédagogique de l’unité de valeur TN90, Jérémy BUCHER et
Dominique CHAMORET pour leur aide et leur support pour ce projet.

3
Introduction
Dans le cadre du projet de TN90, nous avons réalisé l’analyse mécanique d’un assemblage, via la
méthode des éléments finis grâce au logiciel ABAQUS.
L’objet étudié est un char léger (ELC AMX bis), composé de 3 grand ensembles : le canon, la tourelle,
et le bâti. Lors d’un précédent projet, nous avions reconçu une culasse pour améliorer les
performances du véhicule.
L’objectif de cette étude est de valider la tenue mécanique de cette nouvelle culasse.
Par ailleurs, l’autre faiblesse de ce véhicule est l’anneau de roulement, qui à cause du très gros calibre
du canon par rapport à la masse du tank, est très sollicité. Notre étude permettra donc également de
valider la tenue de cet anneau de roulement. Nous nous focaliserons sur la situation de tir d’un
projectile.
Après avoir détailler le produit, nous nous intéresserons aux sollicitations mécaniques sur le char. Les
données obtenues nous donneront les conditions initiales qui nous permettront de débuter la
simulation numérique. Nous comparerons le comportement du produit face à différents cas de charge,
nous donnant ainsi les zones où les concentrations de contrainte sont les plus fortes, et nous
permettant de dimensionner au plus juste notre produit.

4
Table des matières
Histoire du produit .................................................................................................................................. 7
Préparation de l’étude ............................................................................................................................ 8
Contraintes imposées.......................................................................................................................... 8
Objectifs et attentes............................................................................................................................ 8
Condition limites ................................................................................................................................. 8
Matériau............................................................................................................................................ 10
Préparation du modèle CAO : modèle complet et sous modèle....................................................... 11
Création du modèle Abaqus.................................................................................................................. 12
Premier modèle solide ...................................................................................................................... 12
Deuxième modèle surfacique............................................................................................................ 16
Résultats............................................................................................................................................ 24
Conclusion partielle sur l’analyse des résultats ................................................................................ 28
Améliorations et Poursuites de l’étude................................................................................................. 29
Analyse approfondie ......................................................................................................................... 29
Etude thermique ............................................................................................................................... 29
Optimisation topologique ................................................................................................................. 29
Amélioration des capacités défensives............................................................................................. 30
Augmentation du calibre................................................................................................................... 30
Conclusion du Projet ............................................................................................................................. 32
Bibliographie.......................................................................................................................................... 33

5
Table des figures
Figure 1 : ELC AMX 1er
prototype ............................................................................................................ 7
Figure 2 ELC AMX bis............................................................................................................................... 7
Figure 3 : Schéma cinématique ............................................................................................................... 8
Figure 4:Culasse d'un canon antichar de 45mm ..................................................................................... 9
Figure 5:Modèle CAO ELC AMX bis........................................................................................................ 11
Figure 6: Modèle CAO simplifié............................................................................................................. 11
Figure 7: Tableau d'importation............................................................................................................ 12
Figure 8: Problèmes géométrie............................................................................................................. 12
Figure 9: Propriétés matériau ............................................................................................................... 12
Figure 10: Application section............................................................................................................... 13
Figure 11:Assign Section........................................................................................................................ 13
Figure 12: Création Assemblage............................................................................................................ 13
Figure 13: Creation Step........................................................................................................................ 13
Figure 14: Application CL....................................................................................................................... 14
Figure 15: Erreur maillage ..................................................................................................................... 14
Figure 16: Modèle CAO Surfacique ....................................................................................................... 16
Figure 17: Epaisseurs sections............................................................................................................... 16
Figure 18: Assemblage........................................................................................................................... 17
Figure 19: Interactions .......................................................................................................................... 17
Figure 20: Coupe d'Assemblage ............................................................................................................ 17
Figure 21: Interaction............................................................................................................................ 18
Figure 22: Création interaction ............................................................................................................. 18
Figure 23: Application CL....................................................................................................................... 19
Figure 24: Zones du mantelet où s’appliquent les efforts, en vert....................................................... 19
Figure 25: 1er maillage triangulaire ...................................................................................................... 19
Figure 26: maillage quadratique ........................................................................................................... 20
Figure 27: Verify Mesh .......................................................................................................................... 20
Figure 28: Combine Faces...................................................................................................................... 20
Figure 29: réparation maillage .............................................................................................................. 21
Figure 30: maillage corrigé.................................................................................................................... 21
Figure 31: surface améliorée................................................................................................................. 22
Figure 32: maillage de la zone du Load ................................................................................................. 22
Figure 33: les 3 cas de chargement....................................................................................................... 22
Figure 34: Von Mises Anneau HE .......................................................................................................... 24
Figure 35: Von Mises mantelet HE........................................................................................................ 24
Figure 36: Von Mises global HE............................................................................................................. 24
Figure 37: Von Mises global HEAT......................................................................................................... 25
Figure 38: Von Mises Anneau HEAT...................................................................................................... 25
Figure 39: Von Mises Mantelet HEAT.................................................................................................... 25
Figure 40: Von Mises Mantelet APFSDS................................................................................................ 26
Figure 41: Von Mises Anneau APFSDS .................................................................................................. 26
Figure 42: Déplacement Exagéré de la tourelle .................................................................................... 27
Figure 43: Valeur des déplacements..................................................................................................... 27
Figure 44: ELC AMX 105 ........................................................................................................................ 30
Figure 45: ELC AMX bis avec obusier de 105 mm ................................................................................. 31

6
Abréviations et Termes techniques
- ELC AMX bis : Engin Léger de Combat Atelier d’Issy-Les-MoulineauX.
- BHL : Blindage Homogène Laminé.
- Culasse : Organe à la base du canon recevant l’obus.
- Mantelet : Organe de liaison entre le canon et la tourelle.
- Frein de bouche : Organe à la bouche du canon qui sert à compenser une partie du recul.
- Compensateur de recul : Organe à la base du canon, sous le mantelet, qui sert à compenser
une partie du recul.
- HE : Haute Explosivité. Obus explosif
- HEAT : Haute Explosivité Anti Tank. Obus à charge creuse
- APFSDS : Armour-Piercing Fin-Stabilized Discarding. Obus flèche.

7
Figure 2 ELC AMX bis
Histoire du produit
L’ELC AMX bis est un chasseur de char léger (environ 6.7 tonne au combat, soit l’équivalent du célèbre
Renault FT) développé par la société AMX (Ateliers d’Issy Les Moulineaux) dès 1955.
AMX étaient à la base des ateliers appartenant à Renault au début du XXème siècle, puis furent
nationalisés sous le nom de « AMX » dans les années 30. La société perdurera jusqu’aux années 90, et
sera le plus performant développeur de blindés français. On lui doit notamment les célèbres AMX 13
75, AMX 30 ou encore le projet AMX 50 120, qui donnera naissance par la suite au char Leclerc.
Aujourd’hui les ateliers ont été intégrés au groupe NEXTER, qui d’ailleurs produira ce fameux char
Leclerc.
L’ELC AMX a connu différentes phases de
développement : en 1955, un premier
prototype est proposé : il s’agit d’un char
intégrant un canon de 90 mm D914, monté
sur une tourelle AMX, elle-même monté sur
un châssis dérivé de différentes chenillettes
Hotchkiss, et le tout pour moins de 7 tonnes.
Un char léger proposant un tel armement séduisit le gouvernement français, notamment car les chars
de faible tonnage étaient tout désignés pour les guerres coloniales, qui demandèrent à poursuivre les
essais. Ce prototype de 1955 sera appelé ELC AMX, ELC désignant Engin Léger de Combat.
La société AMX continua donc le développement du blindé, et, en 1961, elle présenta l’ELC AMX bis,
avec un châssis conçu par AMX (et non plus Hotchkiss), un moteur SOFAM de 280 chevaux (soit 30
chevaux de plus que la version précédente) et un canon modernisé de 90mm D915. Ce petit bolide
pouvait donc atteindre les 60 km/h sur route, ce qui était un atout de poids pour l’époque.
Malgré ses atouts, le gouvernement préféra
suspendre le programme ELC, et moderniser l’AMX 13
vieillissant, cette dernière solution étant moins
coûteuse. L’ELC AMX restera cependant un concept
intéressant, ce pourquoi nous l’avons choisi comme
sujet d’étude. Nous nous intéresserons à l’ELC AMX
bis, soit le prototype de 1961.
Figure 1 : ELC AMX 1er prototype

8
Figure 3 : Schéma cinématique
Préparation de l’étude
Contraintes imposées
Pour notre étude, nous devons prendre en compte :
- Les différents efforts exercés : détonation de la charge, amortissement de la culasse,
résistance du frein de bouche.
- Les matériaux réellement utilisés : acier de blindage homogène laminé. Les épaisseurs réelles
du blindage
Objectifs et attentes
L’objectif de cette étude est de vérifier si l’anneau de roulement et la culasse peuvent résister à la
charge du canon avec leur nouvelle géométrie.
On attend du modèle une visualisation des contraintes de Von Mises qui afficherait les zones où
apparaissent les concentrations de contrainte maximums. Ces contraintes seront comparées à la limite
élastique du matériau. Nous vérifierons ainsi si la géométrie et les épaisseurs permettent d’assurer un
coefficient de sécurité confortable.
Condition limites
On décide d’étudier les sollicitations mécaniques causées lors de la situation de vie : tir d’un projectile.
Schéma de l’ensemble
On choisit comme configuration initiale :
 Char immobile, fixé au sol ;
 Canon et Tourelle tournés vers l’avant avec une inclinaison du canon de 0°, débattement
angulaire de 0° et dépression de 0°.
x
z
23 1
Fond de la culasse
Anneau de roulement
Frein de bouche

9
Fonctionnement
Lorsque le projectile est percuté, l’obus est projeté vers l’avant dans l’axe du canon (selon x).
Une partie de cet effort est compensé par le compensateur de recul, situé en amont de la culasse. Le
compensateur de recule fonctionne comme un simple amortisseur. Cet amortisseur n’est pas
représenté sur la DFN, Mais apparait dans le calcul de la charge.
De la même manière, une autre partie de cet effort est dispersé par le frein de bouche. Le frein de
bouche est la partie située au bout du canon. Il permet de renvoyer les fumées générées en aval de
l’obus.
En théorie, le tir d’un projectile depuis le canon, entraine une série d’efforts de différentes directions.
A l’issu du tir, le système subit les efforts suivants :
- (1) La détonation de la charge (part du fond du canon jusqu’à l’extérieur) selon l’axe -x ;
- (2) L’effort exercé par l’amortisseur culasse selon l’axe x ;
- (3) L’effort exercé par le frein de bouche selon l’axe x.
La somme de ces efforts aboutit à un effort résultant suivant la direction x, et qui s’applique au niveau
de la liaison canon-tourelle. Cet effort représente notre cas de charge et l’encastrement sera donc
assuré par le bâti.
Compensateur de recul
Canon
Figure 4:Culasse d'un canon antichar de 45mm
Culasse
Frein de bouche
Direction de l’obus
Fumée ré-éjectée
vers l’arrière

10
Calcul du chargement
On décide de réaliser la première étude avec un obus HE F2A de 90 mm. On va se servir de la vitesse
initiale de l’obus pour déterminer notre effort résultant. On prend comme données initiales :
- Vo = 0 m/s (vitesse de l’obus au fond de la culasse)
- Vf = 750 m/s (vitesse de l’obus à la sortie du canon)
- La masse de l’obus HE m = 5.4 kg
- L = 3 m (longueur du canon)
On sait que : 𝑉𝑓= 𝑉𝑖 + 𝑎. ∆𝑡 (avec a l’accélération et t le temps)
𝑎 =
𝑉𝑓− 𝑉𝑖
∆𝑡
∆𝑡 =
𝐿
𝑉𝑓
=
3
750
= 0.004 𝑠 = 4 𝑚𝑠
𝑎 =
750
0.004
= 18750 𝑚. 𝑠−2
D’après la deuxième loi de Newton :
𝐹 = 𝑎 × 𝑚 = 18750 × 5.4 = 1 𝐺𝑁
On en déduit la pression en divisant la Force par la surface du fond de la culasse
𝑃 =
𝐹
𝑆
=
𝐹
𝜋. 𝑟²
=
1012500
𝜋. 45²
= 159 𝑀𝑃𝑎
La résistance du frein de bouche réduit cet effort de 20%, et la résistance de l’amortisseur réduit l’effort
de 10%. On aboutit donc à l’effort que nous allons utiliser dans notre simulation :
𝑃 = 115 𝑀𝑃𝑎
On réitèrera ce calcul pour différents types d’obus, correspondant à nos différentes simulations.
Matériau
Le matériau utilisé sur le vrai char, est de l’acier à Blindage Homogène Laminé (BHL), car il présente les
meilleures performances à la tenue au choc. De plus il a un allongement très élevé par rapport à un
acier classique (Allongement Acier BHL : 22% contre Allongement Acier classique : 15%). Il a également
très peu de porosité (pas de point d’accroche pour les obus, ce qui avoir tendance à les déviées.

11
Figure 5:Modèle CAO ELC AMX bis
Figure 6: Modèle CAO simplifié
Préparation du modèle CAO : modèle complet et sous modèle
Pour l’étude numérique, nous disposions du modèle CAO du char, modélisé précédemment.
Ce modèle est une représentation
détaillée très représentative du vrai
char.
Pour les besoins de l’étude, on sépare
le modèle en 3 parties :
- 1 : le canon
- 2 : la tourelle
- 3 : et le bâti.
On obtient ainsi un premier modèle CAO, comprenant les 3 sous-produits canon, tourelle et bâti. Les
chenilles et les roues ont été retirées pour alléger le système. Voici donc le modèle initial test qui sera
importé dans Abaqus.
1
2
3

12
Figure 7: Tableau d'importation
Figure 9: Propriétés matériau
Création du modèle Abaqus
Premier modèle solide
Pour le premier essai, on importe le fichier en tant
que PART et non en tant qu’ASSEMBLY. Ensuite
parmi les types de PART, on choisit « Combine into
a Single Part » afin d’obtenir toutes les pièces
ensembles, non séparées.
Lors de la première insertion dans Abaqus, le logiciel nous informe qu’il existe des erreurs dans la
géométrie de la pièce.
Figure 8: Problèmes géométrie
Abaqus propose de corriger ces erreurs afin d’augmenter les chances de réussite. On applique la
correction et on met en place la démarche classique qui vise à lancer la simulation. Une fois le modèle
importé, on intègre les propriétés du matériau.
Module Properties
On créer un matériau que l’on applique à tout l’objet. On choisit donc l’acier type Blindage Homogène
Laminé, avec son module d’élasticité et son coefficient de poisson et on applique un coefficient
élastique linéaire au matériau.

13
Figure 11:Assign Section Figure 10: Application section
Figure 13: Creation Step
Par la suite on clique sur l’icône « Create Section » puis « Assign Section » et on assigne la section à
chaque partie du char.
Module Assembly
Dans ce module, on réalise l’assemblage des pièces si ces dernières sont séparées. Dans le cas d’un
Single Part, Il s’agira d’une seule pièce. Une fois le modèle définit, on créer un scénario de simulation.
Figure 12: Création Assemblage
Module Step
C’est dans ce module qu’on peut simuler une situation de vie
particulière d’un mécanisme. Ici, on créer un Step qui correspond à la
situation « Tir de projectile ». Pour commencer, on choisit une étude
en statique générale. On attribue ensuite nos liaisons et nos
encastrements dans le module suivant

14
Figure 14: Application CL
Module Load
Dans ce module on applique le chargement lié au Step « Tir de projectile ». On considère le chargement
« Pressure Homogenous » sur le fond du canon avec un effort F issu de l’étude théorique.
On applique ensuite l’encastrement, sur le bas du bâti. Une fois les CL appliquées, on peut passer au
maillage du modèle.
Module Mesh
Dans ce module, on maille le système avec un maillage classique en carrés afin que celui-ci soit apte à
la simulation. Cependant le premier maillage n’a pas fonctionné.
Figure 15: Erreur maillage
En effet Abaqus ne peut réaliser les calculs s’il y’a des « trous », des discontinuités, ou des surfaces
sans épaisseur dans la CAO. Ceci nous a amené à entamer le nettoyage de la CAO du modèle dans
Catia V5.

15
Malgré les améliorations, le modèle reste toujours complexe. Nous l’avons donc encore simplifié en
supprimant le canon (ce dernier n’était pas nécessaire) et on applique les efforts de détonation
directement dans la liaison canon – tourelle. On avait donc 2 ensembles tourelle + bâti.
On a refait la démarche avec ce nouveau modèle, jusqu’au module Mesh, mais une fois de plus, le
maillage n’a pas fonctionné.
Nous avons réalisé que les erreurs venaient des soucis de géométrie, de l’absence de contraintes
contact entre le bâti et la tourelle, et l’absence d’interactions.
Nous avons également aperçu que la démarche classique (appliquée généralement pour les pièces
seules), n’était pas adéquat à notre modèle, par conséquent nous avons fait varier les paramètres à
chaque étape de la simulation, ce qui nous a amené à creuser dans les options et possibilités offertes
par le logiciel Abaqus.
Selon les conseils appris en cours, lorsque l’épaisseur est faible par rapport aux autres longueurs de la
pièce, il est préférable de ne symboliser qu’une surface afin de réaliser un maillage efficace. On espère
ainsi passer l’étape du maillage avec ce nouveau modèle. L’épaisseur de la matière sera indiquée
directement dans la section. Par conséquent nous avons élaboré un nouveau modèle Abaqus en
surfacique.

16
Figure 17: Epaisseurs sections
Deuxième modèle surfacique
Après correction, on obtient le modèle numérique suivant :
Figure 16: Modèle CAO Surfacique
Le modèle a été importé en tant que PART mais avec le choix « Individual Parts ». On a donc 2 pièces
individuelles (tourelle et base) avec chacune leur section et leur maillage respectif.
On applique maintenant une nouvelle démarche, dès le module Properties.
Module Properties
On reprend le même matériau que le modèle précédent. Cette fois ci nous créons 2 sections
différentes, une section pour la tourelle et une section pour le bâti. Dans chaque section, on applique
l’épaisseur respective à chaque pièce (épaisseur de blindage réelle sur le véhicule):
- Bâti/Base : 14 mm
- Tourelle : 10 mm

17
Figure 19: Interactions
Module Assembly
Dans ce module on assemble les pièces, affichées dans des fenêtres de Part différentes. On créer donc
une nouvelle instance à partir des deux pièces :
Figure 18: Assemblage
Une fois l’assemblage obtenu, on introduit les contraintes entre les
deux pièces, à savoir un contact plan-plan et une coaxialité. On
passe ensuite à un nouveau module que nous n’avions pas pris en
compte dans le premier modèle : les interactions.
Module Interaction
On récupère les contraintes du module Assembly, et on leur applique des propriétés. On créer cette
coupe dans les interactions pour pouvoir accéder aux surfaces cachées.
Figure 20: Coupe d'Assemblage

18
Figure 21: Interaction
Après cela, on créer les interactions « plan-plan » et « cylindre-
cylindre ». Ensuite, on applique les « interaction proprieties », ici
nommé « acier acier ». Cette interaction proprieties est créée en
amont et contient les données du contact acier-acier (coefficient
de friction 0.4). On applique la même procédure avec les mêmes
propriétés pour les deux types de contact.
Figure 22: Création interaction
Une fois les propriétés finies, on peut passer au module suivant.
Module Step
Comme dans le modèle précédent, on créer le step correspondant à la situation de tir d’un projectile.
Pour ce step, on intègre une Time Period de 0.2 s, ce qui correspond à la durée moyenne d’un tir de
canon. On peut maintenant passer au module suivant et appliquer les conditions limites et les
chargements.

19
Figure 23: Application CL Figure 24: Zones du mantelet où s’appliquent les efforts, en vert
Figure 25: 1er maillage triangulaire
Module Load
Dans ce module on applique nos efforts et nos conditions limites.
On applique 1 Boundary Condition (CL) et 2 chargements. La CL est l’encastrement, qui est appliquée
sur tout le pourtour de la plaque du bâti. Les 2 chargements sont les efforts situés dans la liaison canon-
tourelle. L’effort se divise en deux, de chaque côté du mantelet. Les efforts vont donc dans la direction
x, comme énoncé dans le schéma de la partie Conditions limites.
On applique comme valeur de Load, l’effort calculé au début de l’étude, qui vaut 115 MPa. Puisqu’il y
a deux points d’appuis symétriques par rapport à la charge, on divise cet effort par deux pour les deux
coins de la tourelle. Cependant, on s’applique un coefficient de sécurité de 2, ce qui revient à appliquer
la totalité de l’effort sur chaque côté.
La nature du Load est une « Body Force », qui permet d’appliquer une pression homogène dans une
direction voulue.
Module Mesh
On commence par cliquer sur l’outil « Mesh Controls » afin de définir la nature des mailles. Ensuite
dans « Global Seeds » on définit la taille globale des mailles de 50, qui est la taille minimale qui permet
de réaliser le calcul. La base est réalisée en quadratique qui offre la meilleure géométrie de maillage.
Concernant la tourelle, on a réalisé un
premier maillage en triangulaire car le
quadratique ne fonctionnait pas pour cette
pièce, à la géométrie trop complexe. Le
premier maillage triangulaire automatique
donne le résultat présent à droite :
Le maillage obtenu n’affichait pas le résultat escompté… On a donc corrigé et peaufiner la CAO à de
nombreuses reprises.

20
Figure 26: maillage quadratique
Figure 27: Verify Mesh
Figure 28: Combine Faces
Après de très nombreuses et laborieuses tentatives de maillage, nous sommes finalement parvenus à
affecter un modèle quadratique sur la tourelle.
Cependant, le modèle obtenu n’est toujours satisfaisant à cause des irrégularités dans le maillage (ci-
dessus les « tourbillons »). On a tout de même tenté de réaliser le Job à partir de ce maillage, le job a
été avorté à cause de la géométrie du maillage.
On décide donc de changer de méthode et de
retoucher le maillage manuellement. Avec l’icône
« Verify Mesh » , on arrive à afficher les erreurs
de géométrie du maillage.
Retouche manuelle du maillage
Plusieurs outils sont à notre disposition pour retoucher le maillage
manuellement. On utilise tout d’abord l’outil « Combine Faces »,
dans l’onglet Tools qui permet de combiner différentes surfaces afin
de tenter de supprimer des erreurs de géométrie.
Dans l’icône Edit Mesh on a l’outil « Collapse edge », qui supprime
certains bords et donc rassemble des faces pour supprimer les
erreurs de géométrie.

21
Figure 29: réparation maillage
Dans cette même fenêtre, on utilisera les options split edge, combine et celles disponibles dans les
modules Node et Mesh.
Ces réparations manuelles, conjointement avec les itérations de modèles CAO, représentent la partie
qui a pris le plus de temps dans le projet. Ces problèmes viennent du fait que l’on a souhaité garder un
modèle cohérent et représentatif du vrai véhicule, car trop de simplifications auraient nuit à l’intérêt
de notre étude.
Finalement, nous parviendrons à tenir un maillage cohérent et simulable.
Figure 30: maillage corrigé
Le nouveau maillage est propre et homogène sur la majorité du modèle.

22
Figure 33: les 3 cas de chargement
Sur ce côté, « les tourbillons » vus précédemment ont disparu. Bien que le maillage ne semble pas
parfait, il a nettement gagné en qualité, est simulable et offre des résultats cohérents.
Figure 31: surface améliorée
On voit également que l’intérieur du mantelet a un maillage satisfaisant.
Figure 32: maillage de la zone du Load
Maintenant que le maillage nous satisfait, nous pouvons lancer le job en espérant obtenir des résultats
cohérents.
Module Job
Une fois le maillage propre obtenu, nous avons pu passer à l’étape du job.
Dans le cadre de l’étude, il serait intéressant de réaliser plusieurs jobs avec différents cas de figures.
Nous avons donc créé 3 jobs, chacun correspondant au tir d’un obus différent.
Zone de
chargement

23
- 1e
job : APFSDS correspond à l’obus de type flèche
Cet obus appelé « KEP » en anglais (Kinetic Energetic Projectile) est le plus puissant instrument anti-
char. Grâce à sa très forte vitesse initiale et à sa tête en uranium appauvrit, il peut engager des cibles
lourdement blindées (plus de 200 mm de blindage) à plus de 7 km.
- 2ème
job : HE F2A correspond à l’obus à haute explosivité anti-personnel
L’obus Hautement Explosive (HE) est l’obus le plus couramment utilisé. Malgré son faible pouvoir de
pénétration, sa forte charge explosive permet de créer de puissantes ondes de choc, ce qui le rend très
efficace contre l’infanterie et les véhicules légers.
- 3ème
job : HEAT F2A correspond à l’obus à haute explosivité anti-char
L’obus Hautement Explosive Anti Tank (HEAT) est un obus à charge creuse. La charge creuse permet
de pénétrer une grande épaisseur de blindage malgré une relativement faible vitesse initiale. La charge
creuse projette un faisceau de métal en fusion après l’impact, qui se propage dans le blindé visé. Elle
peut être également utilisée contre les bâtiments.

24
Figure 35: Von Mises mantelet HE
Figure 34: Von Mises Anneau HE
Figure 36: Von Mises global HE
A partir des données de chaque obus, on réitère la méthode de calcul présentée dans la partie Donnée
initiale, afin de connaitre les valeurs d’efforts à appliquer.
Une fois les jobs finis, on observe les résultats suivants :
Résultats
Les 3 jobs ont été complétés. Nous pouvons maintenant observer le comportement du produit pour
les 3 cas de charge.
1) Obus HE– Charge appliquée : 115 MPa
On constate que les zones les
plus sollicitées sont le
mantelet (la base du canon) et
l’anneau de roulement de la
tourelle. Les sollicitations
maximales sont situées à
l’arrière de l’anneau, ce qui
est réaliste par rapport à nos
attentes.
La valeur de l’effort max vaut
1.7 GPa, on est donc très en
dessous de la limite élastique
de l’acier BHL qui est de 290
GPa.
On observe une répartition équitable des contraintes, à l’arrière et à l’avant de l’anneau de roulement.
On observe aussi que la culasse est très peu sollicitée Le dimensionnement réaliste de la tourelle est
donc apte au tir de cet obus.

25
Figure 39: Von Mises Mantelet HEAT
Figure 38: Von Mises Anneau HEAT
Figure 37: Von Mises global HEAT
2) Obus HEAT – Charge appliquée : 180 MPa
On retrouve dans ce job les mêmes
zones de concentration de
contrainte que pour l’obus
précédent.
Les sollicitations maximales sont
également situées sur le bas du
mantelet et à l’arrière de l’anneau
de roulement.
La contrainte maximale de
l’anneau de roulement vaut 2.6
GPa. Le dimensionnement prévu
convient donc à un tir d’obus HEAT.

26
3) Obus APFSDS – Charge appliquée : 322 MPa
Figure 40: Von Mises Mantelet APFSDS
Dans ce job, on constate que l’on a toujours la même contrainte sur le bas du mantelet.
Cependant, la répartition des contraintes a changé au niveau de l’anneau de roulement. Là où on avait
l’habitude de constater une répartition équitable des efforts entre l’avant et l’arrière, on constate ici
que l’arrière est plus sollicité que l’avant.
Figure 41: Von Mises Anneau APFSDS
En effet, on trouve entre l’avant et l’arrière de l’anneau de roulement une différence de 2 GPa.
Cette simulation nous montre une contrainte max de 10 GPa, ce qui est la contrainte la plus élevée
parmi les 3 obus.

27
Concernant les déplacements de la tourelle, les 3 cas de chargement ont le même comportement : la
tourelle pivote vers l’arrière et rentre dans le bâti. Ce comportement est cohérent vis-à-vis de nos
attentes.
Pour l’obus APFSDS, qui a le cas de charge le plus élevé, le déplacement maximal vaut 0.6 mm. Ce
déplacement max, en rouge sur la figure 43 est bien trop faible pour pouvoir provoquer une collision.
Nous n’avons donc pas de problème d’interférence sur nos modèles.
Figure 42: Déplacement Exagéré de la tourelle
Figure 43: Valeur des déplacements

28
Conclusion partielle sur l’analyse des résultats
L’étude montre que l’augmentation de la charge augmente la contrainte et a un impact sur leur
répartition. Pour chaque cas, la résistance de notre acier BHL est largement supérieure à cette
contrainte. Les déplacements sont également minimes avec les épaisseurs actuelles.
Le dimensionnement est donc validé mécaniquement pour le tir de ces types d’obus.

29
Améliorations et Poursuites de l’étude
Avec d’avantage de temps, il est possible de renforcer notre étude selon différents aspects :
Analyse approfondie
Perfectionner notre analyse mécanique statique avec une analyse dynamique permettra d’observer
plus précisément les efforts dus à l’explosion de la charge. Nous pourrions aussi affiner notre
géométrie, bien que celle-ci soit déjà complexe, en y ajoutant les éléments standards (roulements,
vis…).
Etude thermique
De la même façon, nous pourrions réaliser une étude thermique du système. On s’éloigne alors de
notre sujet initial, puisque cette étude ne concernera plus l’anneau de roulement mais uniquement la
culasse. Il faudra alors appliquer une chaleur de 1700°C au fond de la culasse pendant 4ms, puis
observer le refroidissement du système.
C’est ce temps de refroidissement qui déterminera le moment où le système est suffisamment
« froid » pour insérer un nouvel obus.
Cette étude nous permettra donc de définir la cadence de tir du canon, un aspect essentiel pour un
blindé.
Optimisation topologique
Notre étude a montré que le système encaisse très bien les efforts dus au tir du canon. Il serait donc
envisageable de réitérer cette étude avec des matériaux moins résistants (aluminium, carbone…) et
avec des épaisseurs plus faibles. Bien sûr, remplacer le Blindage Homogène Laminé en acier par un
matériau moins résistant réduira drastiquement les capacités défensives du char.
Mais rappelons que le blindage maximum actuel de l’ELC AMX bis est de 14mm, ce qui est à peine
suffisant pour stopper des balles de 7.62 (Kalachnikov AK47) à courte portée, le blindé est donc déjà
inefficace défensivement.

30
Par ailleurs, utiliser d’autres matériaux sur de plus faibles épaisseurs permettra d’alléger le véhicule,
et donc de le rendre plus rapide, plus maniable et d’augmenter ses capacités opérationnelles. Par
exemple, il pourra franchir les ponts plus facilement, consommera moins de carburant et sera plus
facilement héli-portable, contrairement aux blindés lourds. Poursuivre l’étude en allégeant le char
offrirait donc une réelle plus-value.
Amélioration des capacités défensives
Si on applique un résonnement inverse, on pourrait envisager de renforcer les capacités défensives du
char. On sacrifierait alors ses capacités opérationnelles pour lui donner une meilleure résistance aux
armes d’assaut et, si possible, aux armes antichars.
Il faudra alors simuler différents impacts de projectiles sur le blindage, en commençant par les
munitions les plus faibles jusqu’aux plus fortes : 22LR, cal38, 9mm parabellum, 7.62X39, 5.56 OTAN
pour les armes d’assaut et 12.7mm pour les mitrailleuses. L’épaisseur et l’inclinaison du blindage
seront les paramètres qui nous permettrons de réussir ou non ces tests.
Après cela, nous pourrions simuler des attaques au lance-roquette (charge creuse). Il ne s’agira alors
plus de jouer sur les épaisseurs/inclinaison du blindage, mais d’équiper sur le blindé des briques de
blindage réactif, des filets de blindage cage ou du blindage électrique. Les simulations seront alors très
complexes, mais offriront une meilleure survivabilité du blindé sur le champ de bataille.
Augmentation du calibre
Par ailleurs, puisque notre système résiste très bien aux efforts d’un canon de 90mm, nous pourrions
envisager de le remplacer par un obusier de 105mm. L’avantage d’un obusier de 105mm est que ses
munitions HE sont très lourdes mais possèdent une faible vitesse initiale. Cette faiblesse les rend très
efficaces contre l’infanterie et les fortifications. Cela permettra donc de diversifier les capacités de
l’ELC AMX bis, en lui donnant des missions qu’un canon de 90mm me pourrait effectuer.

31
Nous avons d’ailleurs déjà modélisé une version avec un obusier de 105mm, il faudrait donc modéliser
à nouveau le maillage sous Abaqus (ce qui est déjà un exercice difficile).
Voici la version de l’ELC AMX bis avec un canon de 105mm. Ici, nous avons préférés modéliser un
extracteur de fumée plutôt qu’un frein de bouche au bout du canon (comme sur le canon de 90mm),
car cette solution est plus adaptée sur un obusier. On note aussi l’ajout d’une mitrailleuse FM 24/29 sur
pivot, afin d’améliorer les capacités anti personnelles.
Figure 45: ELC AMX bis avec obusier de 105 mm

32
Conclusion du Projet
L’objectif de ce projet était de vérifier la tenue mécanique de la culasse reconçue, aux cas de charges
de tir d’obus. Nous avons ainsi pu conclure que le dimensionnement actuel tenait à ces cas de charges
en déformation et en déplacement, avec un coefficient de sécurité confortable (>2).
L’étude Abaqus que nous avons menée a donc été un succès. Malgré les difficultés qu’ont entrainé
l’étude d’un modèle complexe qui se veut réaliste, nous avons réussi à réaliser le maillage et la
simulation du produit. La complexité et le temps que nous avons investi dans ce projet nous ont
rapproché d’un véritable problème industriel. Au final, nous avons pu valider le dimensionnement de
notre produit selon différents cas de charges. Des études supplémentaires avec de nouveaux cas de
charges pourront être effectués pour valider ce dimensionnement. Ce projet pourra être poursuivi,
cette fois-ci en thermique dans le cadre de TN91.
Ce projet a été une introduction complète à l’étude de pièces mécaniques sur Abaqus. Nous avons pu
concrétiser nos connaissances, et les approfondir grâce aux nouvelles fonctionnalités acquises à l’issu
du projet. Nous pourrons réutiliser ces acquis pour notre ST50 et pour notre future vie professionnelle.

33
Bibliographie
- http://www.nexter-group.fr/nexter/Flipping_Book/Export_FR/files/assets/basic-
html/page90.html
- http://www.chars-francais.net/
- https://inldigitallibrary.inl.gov/sti/5901287.pdf
- http://www.copybook.com/military/companies

Projet elements finis et optimisation de structures

Contenu connexe

Plus de Zyad Hamani

Projet elements finis et optimisation de structures