Estimation de l'endommagement des tours d'éoliennes terrestres par corrélation d'images numériques

par Jordan Curt

Projet de thèse en Mécanique des matériaux

Sous la direction de Stéphane Roux et de François Hild.

Thèses en préparation à Paris Saclay , dans le cadre de École doctorale Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences (Cachan, Val-de-Marne ; 2015-....) , en partenariat avec LMT - Laboratoire de mécanique et de technologie (laboratoire) et de École normale supérieure Paris-Saclay (Cachan, Val-de-Marne) (établissement de préparation de la thèse) depuis le 11-12-2017 .


  • Résumé

    Le sujet de thèse projetée vise à l'estimation de la durée de vie résiduelle des mats d'éoliennes terrestres. Cet élément représente une large part de l'investissement financier, et, à l'exclusion des pales, le mat est le composant majeur touché par des accidents [1]. A l'issue de la durée contractuelle d'opération d'une éolienne, typiquement atour de 20 ans, il est essentiel de pouvoir estimer la durée de vie résiduelle de l'éolienne et au premier chef de son mat. Cette durée de vie ressort du domaine de la fatigue à grand nombre de cycles. En effet ce composant travaille essentiellement dans une dynamique lente en régime élastique. Cependant, les aspects non- linéaires de la propagation de l'endommagement de fatigue sont fondamentaux pour une prévision fiable de la durée de vie résiduelle. Or une caractéristique majeure de la fatigue est son caractère statistique accompagnée d'une forte variabilité qu'elle soit relative au matériau constitutif du mat, ou aux liaisons. Cette caractéristique se conjugue à l'inhérente variabilité du vent ou encore aux incertitudes liées aux hypothèses des modèles. Une manière fiable pour réduire les incertitudes consiste à recourir aux mesures de champs. Elles ont l'avantage inestimable de traiter de la structure réelle (et non de son idéalisation), et ainsi beaucoup plus fiables, mais au prix de devoir être appliquées à chaque structure concernée. Les techniques les plus utilisées aujourd'hui sur des matériaux métalliques, comme les techniques par ultra-sons ou par courants de Foucault ne sont pas très adaptées au problème. En effet, la zone à cibler pour les CND est très large (plusieurs mètres en hauteur) pour ces techniques. Dans ce contexte, des techniques de type Corrélation d'images numériques (DIC) semblent prometteuses grâce à leur capacité de donner des mesures de champ à une plus grande échelle [2]. L'intérêt scientifique repose sur le fait qu'aujourd'hui ces techniques sont robustes et très utilisées pour des mesures surfaciques en 2D. Récemment, grâce à la stéréo-corrélation, des cas d'études académiques sur des structures 3D commencent à être envisagés. L'application de la stéréocorrélation à une structure imposante en extérieur, représente un challenge scientifique. Le but final du travail est de développer un outil simple permettant d'estimer de manière fiable la durée de vie résiduelle d'un mat. Dans cette perspective, un modèle numérique de mat d'éolienne doit être considéré. Sa fiabilité ne sera avérée que si les mécanismes d'endommagement réels sont représentés dans le modèle et qu'ils sont calibrés par les données expérimentales de terrain, et en particulier des mesures de champs. Le modèle mécanique et les données de terrain à utiliser sont intimement liés. D'une part, à l'échelle mésoscopique, l'initiation de fissures, ou la dégradation localisée d'une liaison, peut être étudiée par corrélation d'images numériques. La référence [3], en particulier, insiste sur la distinction entre endommagement au sens de la perte de raideur et endommagement au sens de la présence de défauts, microfissures et autres). D'autre part, à l'échelle de la structure où les déformations de la tour doivent être appréciées par imagerie optique en stéréo-corrélation pour permettre une estimation des raideurs de flexion le long du mat (dans la zone d'intérêt). Des mesures complémentaires doivent étayer ces analyses comme l'appréciation de la vitesse du vent (par mesures LIDAR disponible sur des parcs éoliens), ou encore comme parfois disponible sur certaines structures, par des mesures de déformation par jauges disposés sur le mat. Soulignons que la mise en œuvre spécifique de la stéréocorrélation (mesure de la cinématique 3D par deux (voire plus) moyens imageurs synchronisés) sera originale. Cette technique exploitant une connaissance a priori (géométrie et cinématique du mat) sera une nouveauté en soi mais le caractère le plus innovant provient de son déploiement sur des structures réelles 3D de 70~m (avec une zone d'intérêt de environ 5 mètres) et dans des conditions de terrain (condition d'éclairement variable, couleurs changeantes selon l'heure ou l'humidité, absence de mouchetis, ...). La corrélation d'image numérique est une technique très robuste et utilisée pour le suivi et la mesure sur éprouvettes ou structures avec une zone de mesure de type surfacique. Néanmoins, en littérature, il est très difficile de trouver des applications sur des structures avec une zone d'observation 3D (la zone d'intérêt du mat à ausculter est cylindrique). Références : [1] Ribrant J., Bertling L. (2007) Survey of failures in wind power systems with focus on Swedish wind power plants during 1997-2005, IEEE Power Engineering Society General Meeting. [2] Hild F., Roux, S., Guerrero, N., Marante, M. E., Florez-Lopez, J. (2011), Calibration of constitutive models of steel beams subject to local buckling by using digital image correlation, European Journal of Mechanics A/Solids, 30, 1-10. [3] F. Hild, S. Roux (2014), Evaluating Damage with Digital Image Correlation: B. From Physical to Mechanical Damage, in ``Handbook of Nano to Macro Damage Mechanics'', G. Z. Voyiadjis ed., Springer, New-York, (2014)

  • Titre traduit

    Damage estimation of wind turbine towers by digital image correlation


  • Résumé

    The PhD project is about the residual life time estimation of the wind turbine towers. This part of the structure is often subjected to accidents [1]. By the end of the exploitation contract, typically 20 years, it is essential to estimate the residual life time estimation of the wind turbine, especially the tower. This life time is driven by the high number of cycles fatigue. This component is submitted to a low dynamic elastic regime. However, non linear aspects of damage propagation lead to high uncertainty about fatigue prediction. Measures on-site, which are very reliable, enable to reduce uncertainty. Classic techniques used on steels like ultra-waves or eddy current are not convenient for this project. Indeed, the target zone is too large. Though, digital image correlation techniques give the possibility to target a wider zone [2]. The scientific interest lies on the fact that theses techniques are used for 2D measures. Recently, thanks to the stereo correlation, studies on 3D structures are now considered. The application of the technique to a large outdoors structure is a scientific challenge. The ultimate goal of this work is to develop a simple tool which would estimate the residual life time of a wind turbine tower. [1] Ribrant J., Bertling L. (2007) Survey of failures in wind power systems with focus on Swedish wind power plants during 1997-2005, IEEE Power Engineering Society General Meeting. [2] Hild F., Roux, S., Guerrero, N., Marante, M. E., Florez-Lopez, J. (2011), Calibration of constitutive models of steel beams subject to local buckling by using digital image correlation, European Journal of Mechanics A/Solids, 30, 1-10.