Modélisation de la turbulence atmosphérique dans les spectres de fatigue des structures d'avions

Modelling fatigue spectra of aircraft structure under gust loads

• Auteur / Autrice : Thomas Reytier
• Direction : Pierre Maréchal, Christian Bès
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mathématiques appliquées
• Date : Soutenance en 2012
• Etablissement(s) : Toulouse 3

Mots clés

Mots clés contrôlés

Turbulence atmosphérique

Cellules (aéronautique)

Matériaux -- Fatigue

Mots clés libres

Fatigue et tolérance aux dommages

Turbulence atmosphérique

Densité spectrale de puissance

Spectre de fatigue

Résumé

Cette thèse est consacrée à l'analyse de fatigue et de tolérance aux dommages des structures d'avions soumis aux rafales de vent. L'analyse de fatigue et de tolérance aux dommages est un enjeu essentiel dans la conception des structures d'avions. Elle permet de définir un programme d'inspection de la structure afin d'assurer sa sécurité tout au long de la vie de l'avion. La première partie passe en revue l'état de l'art dans les différents domaines impliqués dans le processus global d'analyse de fatigue des structures d'avions soumis aux rafales de vent: la modélisation de la turbulence atmosphérique, le calcul des charges et des contraintes à l'aide d'analyses par éléments finis, la construction du spectre de fatigue et enfin, l'analyse de fatigue et de tolérance aux dommages. La deuxième partie présente le processus complet actuellement implémenté au sein d'Airbus. Les points forts et les points faibles de ce processus sont d'identifiés et permettent de dégager des axes d'amélioration. A partir du modèle de turbulence continue basé sur la densité spectrale de puissance (DSP) de Von Karman, les contraintes calculées sont insérées selon des statistiques établies par des mesures envol dans le spectre de fatigue pour former une séquence de cycles de contraintes. Les données d'entrée pour l'analyse de fatigue et tolérance aux dommages sont obtenues à partir de la définition des différents profils de mission, des valeurs de contraintes unitaires, de la réponse dynamique de la structure et des statistiques de turbulence. Dans la troisième partie, une nouvelle méthodologie est présentée afin d'obtenir des séquences temporelles des contraintes dues à la turbulence de manière précise et efficace. Cette méthode s'appuie sur de nouveaux résultats permettant de générer des signaux temporels corrélés à partir des DSP. Tout d'abord, les DSP des différentes composantes des contraintes sont directement obtenues à l'aide d'une analyse par éléments finis à partir de la DSP de Von Karman. Puis, les séquences temporelles corrélées de ces contraintes sont générées et sont ensuite distribuées dans le spectre de fatigue selon la loi statistique de l'intensité de la turbulence atmosphérique. Ce nouveau processus permet d'améliorer le calcul des contraintes et la génération du spectre de fatigue. Il remplace les statistiques de turbulence par des statistiques de franchissement de niveaux de contraintes raisonnablement conservatives définies par une formule analytique. De plus, le temps de livraison des données d'entrée pour l'analyse de fatigue et tolérance aux dommages est significativement réduit. Les résultats présentés, issus de l'analyse de fatigue et de tolérance aux dommages, permettent de souligner la qualité des améliorations apportées à la fois en termes de précision et de durée du processus.

This thesis is dedicated to the fatigue and damage tolerance analysis of the aircraft structures under gust loads. The fatigue and damage tolerance analysis is a significant issue in the aircraft structure design. It aims at defining the inspection program of the aircraft structure in order to ensure its safety through its entire life. The first part reviews the state-of-the-art in the various involved topics for the global process for fatigue analysis of aircraft structure under gust loads: the atmospheric turbulence modelling, the load and stress computation by a finite element analysis, the generation of the fatigue spectrum and at the end, the fatigue and damage tolerance analysis. The second part presents the whole process currently implemented at Airbus. The main strengths and weaknesses are pointed out and this en-ables the identification of several improvement axes. From the continuous turbulence model based on the Von Karman Power Spectral Density(PSD), the computed stresses are included according to statistics established from in-flight measurements in the fatigue spectrum in order to build a stress cycle sequence. The input data for the fatigue and damage tolerance analysis are obtained from the definition of the various fatigue mission profiles, the unitary stress values, the dynamic response of the structure and the turbulence statistics. In the third part,a new methodology is presented in order to obtaine efficiently and accurately the temporal stress sequences due to the atmospheric turbulence. This method relies on new results enabling the generation of correlated time signals from the PSD functions. First, the PSD of the various stress components are directly obtained from the Von Karman PSD via a finite element analysis. Then, the correlated temporal stress sequences are generated and distributed in the fatigue spectrum according to the turbulence intensity statistical law. This new process enables the improvement of the stress computation and the fatigue spectrum generation. It replaces the turbulence statistics by stress exceedance statistics which are defined by an analytical formula in a reasonably conservative way. In addition, the lead time to build the input data for the fatigue and damage tolerance analysis is significantly reduced. Results from the fatigue and damage tolerance analysis are presented in order to highlight the quality of the improved processes both in terms of accuracy and lead time.