Introduction
La conception des structures offshore et nearshore nécessite une évaluation précise des efforts hydrodynamiques dus aux vagues et aux courants. ANSYS Mechanical propose un module dédié, appelé Offshore Module, qui permet aux ingénieurs de simuler ces effets directement dans l’environnement d’analyse structurelle.
Le module Offshore, basé sur la bibliothèque de commandes OCEAN APDL, est accessible depuis le ruban Add-ons dans ANSYS Mechanical (Figure 1). Il prend en charge des théories de vagues linéaires et non linéaires, permettant la simulation des interactions vagues–courants sur des géométries 3D complexes sans recourir à des logiciels CFD spécialisés.
Figure 1 : Module Offshore dans ANSYS Mechanical
Dans cette étude, les capacités du module Offshore sont démontrées à travers une analyse de chargement par vagues sur une structure de type treillis (jacket) immergée dans le lac Léman, le plan d’eau significatif le plus proche des bureaux de DAES.
Remarque : l’effet du Jet d’Eau n’a pas été pris en compte !
Figure 2 : Modèle considéré pour le calcul des vagues
Mise en place de l’étude de cas
Description du site
Le lac Léman constitue un cas d’étude intéressant en raison de sa géométrie, de son exposition au vent et de sa bathymétrie. Sa profondeur maximale atteint environ 307 m dans la zone centrale. Le vent dominant provient du nord-est, aligné avec l’axe principal du lac, ce qui canalise les vagues vers la baie plus étroite et moins profonde de Genève, favorisant leur amplification (voir Figure 3).
Figure 3 : Bathymétrie du lac Léman et zoom près de Genève
Pour cet exemple, on considère que la structure est située dans cette baie, à l’endroit où le lac se jette dans le Rhône, ce qui ajoute un courant significatif.
Description de la structure
Comme illustré en Figure 2, la structure étudiée est un jacket à quatre pieds, mesurant :
- 7 m de hauteur (dont 2 m au-dessus du niveau moyen de l’eau)
- 4 m de largeur
Hypothèses de modélisation :
- Type d’élément : BEAM188
- Profondeur d’eau : 5 m
- Axe vertical global : axe z
- Conditions aux limites : encastrement complet à la base des pieds (pas d’interaction sol–pieu pour simplifier)
Bien qu’ANSYS permette de modéliser l’interaction pieu–sol (utile pour des fondations profondes), cette fonctionnalité n’a pas été utilisée ici pour simplifier l’étude.
Définition des conditions de vagues
Le module Offshore est ajouté dans la branche Solution du modèle (voir Figure 6). Certains paramètres sont définis automatiquement, mais le choix de la théorie des vagues et des conditions environnementales doit être effectué avec soin par l’utilisateur.
Deux approches principales sont possibles :
- Vague régulière (unique) : pour des analyses à l’état limite ultime (ULS)
- Spectre de vagues : pour représenter des états de mer aléatoires (fatigue)
Dans cette analyse, les conditions extrêmes ont été extraites de la base de données Swisslake.net pour une période de retour de 50 ans dans la baie de Genève :
- Hauteur maximale de vague : Hmax = 1,25 m
- Période de vague : T = 4,4 s
Figure 4 : Conditions extrêmes dans la baie de Genève
Compte tenu de l
a profondeur et des paramètres de vague, le régime de profondeur intermédiaire s’applique. Les théories adaptées sont :
- Fonction de courant d’ordre 5
- Stokes d’ordre 3
Figure 5 : Domaine de validité des théories de vagues
La simulation est donc réalisée avec la théorie de la fonction de courant, avec un déphasage de 180° pour capturer complètement la crête de la vague (cycle complet creux–crête–creux).
Il est également important de vérifier que la longueur d’onde dépasse la largeur de la structure afin que celle-ci soit entièrement soumise au mouvement de la vague.
Figure 6 : Définition des paramètres de vague
Courant
En l’absence de mesures locales, une vitesse de courant de surface de 1 m/s est supposée, représentant les effets combinés du vent et de l’écoulement du Rhône.
Le courant est supposé aligné avec la vague (orientation NE), mais un désalignement pourrait être facilement modélisé.
Des paramètres avancés (coefficients hydrodynamiques, masses ajoutées, etc.) existent mais ne sont pas traités ici.
Une analyse transitoire est effectuée sur une période complète de vague (4,4 s).
Résultats et post-traitement
Le module Offshore fournit plusieurs grandeurs hydrodynamiques via des sorties personnalisées :
- vitesse du fluide
- accélération
- pression dynamique
- amplitude de vague
- forces hydrodynamiques
(Tableau 1 : variables disponibles — conservé tel quel)
Élévation de la vague
La Figure 7 montre l’évolution de la surface libre dans le temps.
La vague non linéaire présente :
- une crête à +720 mm
- un creux à −530 mm
La hauteur totale correspond bien à :
H = 720 − (−530) = 1250 mm = 1,25 m
La vague est donc correctement reproduite.
Profils de vitesse
La Figure 8 montre la distribution des vitesses des particules d’eau :
- Profil « courant seul » : de 1 m/s en surface à 0 m/s au fond
- Profil « vague + courant » : vitesse maximale ≈ 2,2 m/s à la crête → interaction constructive entre vague et courant
Forces hydrodynamiques et réponse structurelle
Les forces hydrodynamiques tangentielles (Fx) sur les éléments poutres sont présentées en Figure 9.
Résultats :
- variation périodique conforme au chargement de vague
- valeurs maximales et minimales tracées sur un cycle
Déplacement de la structure
La Figure 10 montre le déplacement total (amplifié ×4,3 pour visualisation).
Le mode de déformation correspond au comportement attendu en flexion sous chargement combiné vague + courant.
Contraintes
La Figure 11 présente les contraintes combinées dans les poutres.
Résultat :
- contrainte maximale ≈ 250 MPa à la base encastrée
→ La structure résiste à l’événement extrême si elle est réalisée dans un acier de limite supérieure à 250 MPa.
Conclusions
Cette étude démontre l’utilisation du module Offshore d’ANSYS Mechanical pour simuler les efforts hydrodynamiques dus aux vagues sur une structure de type offshore immergée dans le lac Léman.
Points clés :
- La théorie de la fonction de courant modélise efficacement les vagues non linéaires en milieu lacustre
- Le module Offshore fournit des résultats détaillés (vitesses, accélérations, pressions, forces) sans recourir à la CFD
- L’interaction vague–courant génère une vitesse de surface maximale d’environ 2,2 m/s, influençant fortement la réponse structurelle
Ce workflow peut être étendu à :
- l’interaction pieu–sol
- l’analyse de fatigue
- l’optimisation de conception offshore et nearshore
