Thèse en cours

Modélisation et validation expérimentale de la tenue d'une chambre de combustion sous sollicitations thermomécaniques
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Auteur / Autrice : Nicolas Leost
Direction : Vincent Maurel
Type : Projet de thèse
Discipline(s) : Mécanique
Date : Inscription en doctorat le 05/05/2020
Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique
Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Centre des Matériaux
Equipe de recherche : MEM - Mécanique Expérimentale et Matériaux - MAT
établissement opérateur d'inscription : Mines Paris-PSL

Résumé

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Contexte Les chambres de combustion des turbomachines aéronautiques, situées entre le compresseur haute pression et la turbine haute pression, sont soumises à de fortes contraintes thermiques et mécaniques. Ces sollicitations extrêmes peuvent endommager la chambre et provoquer l'apparition de criques. La compétitivité, enjeu majeur des motoristes, passe notamment par la satisfaction des compagnies aériennes en termes de fiabilité et de coûts de possession (en particulier augmentation de la disponibilité du matériel et meilleure prévision des intervalles de maintenance). Les durées de vie revendiquées par les motoristes forment ainsi un enjeu crucial dans le choix des clients en supplément des performances de bruit, de consommation spécifique et de rendement. L'enjeu de la thèse pour Safran est d'améliorer les méthodologies de prévision des calculs de durée de vie à l'amorçage des chambres de combustion. Enjeux scientifiques Les pièces visées sont des pièces soumises à de forts gradients de sollicitation mécanique et thermique associées à d'importantes variations temporelles typique des chargements de fatigue thermo-mécanique. Cette complexité de chargement et de structure pose la question des mécanismes conduisant à l'amorçage de fissure et à leur propagation éventuels. L'enjeu est donc de mettre au point à la fois des techniques expérimentales et numériques permettant de reproduire les endommagements observés sur structure. La sensibilité aux paramètres de chargement (gradients, vitesse d'évolution, température) est un point clé de l'étude. Pour parvenir à cette compréhension, des essais complexes permettront de simuler des conditions de gradient spatiaux et temporels cohérents avec ceux connus sur pièce. La mesure des champs de température et de déplacement permettra d'affiner la connaissance de ces chargements. Une analyse systématique par microscopie électronique permettra de préciser les mécanismes d'endommagement dans ces conditions. La modélisation des conditions expérimentales permettra d'établir des modèles d'endommagement tenant compte des paramètres mentionnés ci-dessus en recourant notamment à des méthodes aux éléments finis et des critères non-locaux. Ces méthodes seront évaluées en utilisant des modélisations basées sur l'amorçage ou la micro-propagation de fissure afin de comparer la qualité de ces modèles. Enfin, des cas de complexité croissante permettront d'estimer la robustesse des modèles ainsi établis. Déroulement de l'étude Le travail de la thèse est prévu de la manière suivante : - La première partie consiste à s'approprier l'existant (données et analyses expérimentales sur éprouvettes et chambres de combustion, modèles de comportement et d'endommagement ainsi que leur mise en œuvre dans le cadre des calculs de structures). - La seconde phase est de proposer, concevoir et réaliser des essais technologiques représentatifs des sollicitations thermomécaniques cycliques observées sur les chambres. Ces essais sont d'une complexité intermédiaire entre ceux menés sur éprouvettes simples où le chargement est bien maitrisé mais qui ne représentent pas la complexité de la structure et un essai moteur présentant des incertitudes pouvant être importantes sur le chargement thermomécanique. - La troisième étape sera de proposer des évolutions des méthodologies de modélisation (endommagement en particulier) en se basant sur les résultats d'essais (données thermiques et mécaniques ainsi que l'analyse des endommagements). - Une mise en œuvre dans l'environnement industriel pour validation des modèles développés et comparaison aux modèles préexistants sur des cas de complexité croissante allant jusqu'au calcul de chambre constituera la dernière étape.