Towards the fracture prediction of turbomachinery disks : a contribution of the digital image correlation

par Dominik Lindner

Thèse de doctorat en Mécanique des solides

Sous la direction de Olivier Allix.

Soutenue le 01-07-2016

à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences (Cachan, Val-de-Marne) , en partenariat avec Laboratoire de mécanique et technologie (Cachan, Val-de-Marne) (laboratoire) , École normale supérieure Paris-Saclay (Cachan, Val-de-Marne) (établissement opérateur d'inscription) et de Laboratoire de Mécanique et Technologie / LMT (laboratoire) .

Le président du jury était Khémais Saanouni.

Le jury était composé de Olivier Allix, François Hild, Olivier Paulien-Camy, Hervé Chalons, Cuong Ha-Minh.

Les rapporteurs étaient Pierre-Olivier Bouchard, Jean-Charles Passieux.

  • Titre traduit

    Vers la prévision de la rupture de disque de turbomachine : apport de la corrélation d'image numérique


  • Résumé

    Cette thèse s'intéresse à l'amélioration de la prévision de l'éclatement des pièces tournantes des turbomachines. L'axe de recherche principal a été celui de l'identification du comportement du matériau jusqu'à rupture pour des sollicitations multi-axiales représentatives et l'identification des conditions de rupture locale elles mêmes. Pour cela une approche basée sur la corrélation d'image numérique intégrée a été suivie. L'autre axe abordé dans cette thèse a été celui de la prévision objective et robuste de la rupture par la mécanique de l'endommagement dans le cadre de simulations explicites utilisant des techniques de scaling pour diminuer les temps de calcul. Deux matériaux ont été étudiés, un alliage titane TA6V et un alliage nickel Udimet 500. Des éprouvettes ont été définies pour permettre d'avoir des sollicitations proches de celles en service et pour permettre d'utiliser des techniques de mesure de champs. Un code commercial (ABAQUS) est utilisé dans une approche intégrée de la corrélation des images numériques (CIN). Le principe de ces méthodes est d'optimiser la corrélation directement à partir des paramètres du modèle sans passer par une procédure intermédiaire demandant de reconstruire préalablement les champs de déformations. Cette technique, qui peut-être vu comme très régularisante, confère à la méthode une grande robustesse, ce qui permet d'obtenir des informations même en présence de mouchetis dégradés lors des phases ultimes de chargement. L'ensemble des paramètres constitutifs des modèles peut alors être identifié avec un seul essai hétérogène. Dans l'étude un accent particulier a été mis sur l'analyse des champs de triaxialité, dont l'importance sur les conditions de rupture est suspectée, en utilisant des éprouvettes fines et des éprouvettes épaisses. Des lois de comportement ont pu être identifié pour des niveaux de déformations plastiques jusqu'à 3 fois supérieurs à ceux atteints dans des essais de traction uni-axiaux et ceci en présence d'adoucissement global. L'intégration étroite des essais et des simulations a également permis d'analyser l'état de déformation et contraintes des éléments proches de la surface de rupture juste avant celle-ci et ainsi de tester des critères de rupture potentiels avec un grand nombre de données. Pour la seconde partie de la thèse, plus exploratoire faute de temps, une étude préliminaire a porté sur la possibilité d'utiliser des modèles à taux d'endommagement limités combinés avec des techniques de scaling pour utiliser des simulations explicites dans le cadre de sollicitations centrifuges quasi-statiques. Les premiers résultats montrent qu'une accélération est possible avec des niveaux d'erreurs relativement bas sur les vitesses de rotation conduisant à la rupture et ceci dans des temps comparables avec des simulations implicites quasi-statique, l'avantage étant la robustesse des analyses en dynamique explicite.


  • Résumé

    This thesis addresses the amelioration of the burst prediction of turbo-engines rotating parts.The principal axis of this study was the identification of the material behaviour up fracture under multi-axial loading and the identification of the local condition at failure. To accomplish this, an integrated digital image correlation approach was employed.The other thematic axis of this thesis was the objective and robust prediction of rupture using the damage mechanics in the framework of explicit simulations and the study of the influence, on the prediction, of various scaling techniques used to decrease the computation time.Two materials were studied, the titanium alloy TA6V and the nickel alloy Udimet 500. The samples were defined to guarantee similar loading conditions as those in the disks in service and to allow the use of field measurement techniques.A commercial code (ABAQUS) is used in an integrated approach to Digital Image Correlation (DIC). The principle of this method is to optimize the correlation of the test directly with the model parameters without passing by an intermediate procedure requiring the reconstruction of the deformation field beforehand. This technique, which can be seen as highly regularising, grants a considerable robustness to the method, which allows obtaining information from degraded speckle patterns encountered at the end of the test. The entire set of constitutive parameters can be identified with only one heterogeneous test. Within this study, a particular accent was laid on the analysis of triaxiality fields by using thin and thick samples. The importance of these fields for the fracture conditions is suspected.Constitutive models were identified for plastic strains that were about three times higher than the ones achievable in uniaxial tensile test on smooth sample.The close integration of the experiments and simulations allowed the analysis of deformation and stresses of the elements near the failure surface at the instant just before failure. This allowed the testing of different criteria with a large amount of data.For the second axis of the thesis, preliminary studies examined the possibility to use limited damage rate models combined with scaling techniques. These latter allow performing explicit simulations in context of a centrifugal quasi-static loading. The results show that acceleration is possible. The errors of the rotational speeds, which lead to disk fracture, are relatively low. The simulation times are comparable to implicit quasi-static simulations, while the main advantage is the maintained robustness in explicit simulations.


Il est disponible au sein de la bibliothèque de l'établissement de soutenance.

Consulter en bibliothèque

La version de soutenance existe

Où se trouve cette thèse ?

  • Bibliothèque : École normale supérieure. Bibliothèque.
Voir dans le Sudoc, catalogue collectif des bibliothèques de l'enseignement supérieur et de la recherche.