Modélisation de fatigue et de mécanique de la rupture d'une structure éolienne soumise au chargement dynamique et aléatoire du vent

Fatigue and fracture mechanics analyses on a wind turbine structure under dynamical random loading

• Auteur / Autrice : Edson Haruo Miyaura
• Direction : Eduardo de Cursi Souza, Christian Gout
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique. Mécanique des solides, génie mécanique
• Date : Soutenance le 04/10/2016
• Etablissement(s) : Rouen, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale sciences physiques mathématiques et de l'information pour l'ingénieur (Saint-Etienne-du-Rouvray, Seine-Maritime ; ....-2016)
• Partenaire(s) de recherche : : Normandie Université (2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de mécanique de Normandie (Saint-Etienne-du-Rouvray, Seine-Maritime ; 1993-....)
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Eduardo de Cursi Souza, Christian Gout, Dominique Apprato, Renato Pavanello, Younes Aoues, Élodie Tillier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Dominique Apprato, Renato Pavanello

Mots clés

Mots clés contrôlés

Matériaux -- Fatigue

Transport -- Technique

Éoliennes

Mécanique

Distribution spectrale de l'énergie

Modèles mathématiques

Vents -- Vitesse

Rupture, Mécanique de la

Productique

Énergie éolienne

Mots clés libres

Dynamique structurelle

Chargement à amplitude variable

Fractures mechanics

Wind turbines

Structural dynamics

Variable amplitude loading

Résumé

L'objectif de cette thèse est de démontrer comment faire une analyse théorique de fatigue et de mécanique de la rupture d'une structure éolienne à l'axe horizontal. La chaîne des calculs nécessaires pour atteindre cet objectif s'avère être particulièrement longue pour deux raisons : d'abord, la vitesse du vent varie aléatoirement avec le temps ; deuxièmement, l'amplitude de vibration du mât est amplifié en raison des ses fréquences naturelles de vibration. Un chapitre entier est consacré à la modélisation de la vitesse du vent dans l'espace et dans le temps. Ce même chapitre démontre comment synthétiser un signal aléatoire à partir d'une fonction de densité spectrale de puissance (DSP). La force axiale du rotor est le chargement le plus important sur une structure éolienne à l'axe horizontal. Cette force a un rapport non linéaire avec la vitesse du vent. Cela implique la nécessité de déterminer la DSP de la force axiale à partir de son signal, en se servant d'une technique d'estimation spectrale. La méthode Thomson Multitaper s'est avéré la plus satisfaisante pour cette application. La DSP des déplacements du mât est déterminée en associant la réceptance du système structurel avec la DSP de la force qui représente tous les chargements. Un signal de contrainte peut finalement être synthétisé à partir de sa DSP. La technique de comptage de cycles de chargement connue sous le nom de rainflow est abordée et appliquée. Le fait que le signal de contraintes a une amplitude variable implique la nécessité d'employer une technique plus avancée de simulation de propagation de fissures. La technique choisie pour cette thèse est connue sous le nom de strip-yield (bande d'écoulement).

The objective of this thesis is to demonstrate how to do theoretical analyses of fatigue and fracture mechanics in a structure for horizontal axis wind turbine. The chain of calculations required to reach this objective is particularly long for two reasons : firstly, the wind speed varies randomly with time , secondly, the vibration amplitude of the mast is amplified due to its natural frequencies of vibration. A whole chapter is dedicated to modeling the wind speed in space and time. The same chapter shows how to synthesize a random signal by employing a power spectral density function (PSD). The axial force of the rotor is the most important loading on a structure for horizontal axis wind turbine. This force has a non linear relation with the wind speed. This implies the need to determine the PSD of the axial force from its signal, by employing a spectral estimation method. The Thomson Multitaper method revealed to be the most satisfactory for this application. The PSD of displacement of the mast is determined by associating the receptance of the structural system and the PSD of the force representing all loadings. Finally, a signal of stress can be synthesized from its PSD. The fatigue cycle counting method known as rainflow is discussed and employed. The fact that the signal of stress has a variable amplitude implies the need of a more sophisticated method to simulate a crack propagation. The method chosen in this thesis is called strip-yield.