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Conception d’arbre de turbomachines à amortissement contrôlé

ABG-108939 Sujet de Thèse
15/11/2022 Autre financement public
ESTIA-Recherche
BIDART - Nouvelle Aquitaine - France
Conception d’arbre de turbomachines à amortissement contrôlé
  • Sciences de l’ingénieur
  • Matériaux
Turbomachines, dynamique, fabrication additive, composites

Description du sujet

La conception des arbres de transmission des turbomachines est fortement contrainte par les comportements dynamiques de la ligne d'arbre en flexion et en torsion. En effet, afin d'éviter l'entrée en résonnance du système, et donc sa détérioration, un des enjeux consiste à dimensionner une ligne d'arbre dont les vitesses critiques et modes propres sont en dehors de la plage de fonctionnement de la machine. Par ailleurs, l'analyse des déformées modales et plus précisément des amplitudes de déformation est cruciale pour la gestion des jeux de fonctionnement. Pour satisfaire ces critères dynamiques, le concepteur ne dispose que d'un nombre limité de degrés de liberté sur la conception de la ligne d'arbre, à savoir principalement la géométrie de l'arbre et la position des paliers. Nous noterons qu'un certain nombre de ces paramètres sont eux-mêmes fortement contraints par le régime de rotation de la machine, comme le choix des roulements par exemple. D'autre part, les matériaux métalliques conventionnels n'augmentent pas non plus le domaine des possibles dans la mesure où les ratios raideur sur la densité sont relativement proches. Ainsi des compromis doivent alors réalisés entre les contraintes aérodynamiques, mécaniques, thermiques et dynamiques, pénalisant ainsi l'architecture finale.

L'objectif de la thèse est d'introduire des degrés de libertés supplémentaires dans la conception de la ligne d'arbre en venant modifier localement les raideurs et coefficients d'amortissement de la structure. Ainsi, par rapport à une structure métallique classique, l'introduction du composite permettrait de faire varier le ratio raideur/densité de la structure et de l'optimiser en fonction des besoins du concepteur. De plus, une variation locale de la raideur pourrait impacter les déformées modales et participer à maitriser les jeux de fonctionnement. Enfin, l'ajout de la colle inhérente dans la construction d'une structure composite pourraient introduire de l'amortissement supplémentaire dans le système.

Ainsi le dimensionnement de ce nouveau type d'arbre hybrides composites/métalliques pose de nombreux enjeux et problématiques qui seront adressés au cours de cette thèse :

- Dimensionnement d'une structure composite composite/métallique en environnement sévère (sollicitation mécanique, régime, thermique)

- Analyse de la dynamique des rotors dans le cas d'un arbre composite (modélisation et simulation)

- Conception des interfaces métal/composite

- Essais partiels et recalage des modèles

- Endommagement et fiabilité

Ainsi, le projet a pour but de proposer un modèle de performance multicritère permettant d’évaluer la performance de deux nouvelles technologies d’arbre de transmission réalisés par des procédés non encore utilisés à ce jour :

- Fabrication d’un arbre à partir d’une âme en composite ;

- Fabrication hybride d’un arbre par fabrication additive et drapage composite.

Les deux approches retenues offrent l’opportunité d’optimiser localement ou par couche la répartition de la matière, vis-à-vis des contraintes mécaniques, de manière à contrôler le comportement vibratoire et l’amortissement. La résolution de ce problème passe par les étapes suivantes :

- Analyse bibliographique des arbres de transmission ;

- Expression de critères de performance et proposition de modèles d’estimation des performances ;

- Proposition de concepts d’architecture d’arbres moteurs ;

- Validation expérimentale des modèles ;

- Optimisation des modèles.

Pour répondre à ces exigences tout en proposant un modèle rapide et efficace, l’idée est de coupler celui-ci avec une validation expérimentale itérative à chaque étape de la conception de l’arbre.

Direction de thèse : Dr Fabien Poulhaon, Pr Pierre Joyot

Nature du financement

Autre financement public

Précisions sur le financement

Communauté d'Agglomération du Pays Basque

Présentation établissement et labo d'accueil

ESTIA-Recherche

Institut Pascal - Accueil (uca.fr) : http://www.institutpascal.uca.fr/index.php/fr

Ecole Supérieure des Technologies Industrielles Avancées - ESTIA : www.estia.fr

Compositadour : www.compositadour.com

Intitulé du doctorat

Doctorat de l'Université Clermont Auvergne

Pays d'obtention du doctorat

France

Etablissement délivrant le doctorat

UNIVERSITE CLERMONT AUVERGNE

Profil du candidat

Formation importante en mécanique :

- Dyamique des solides

- Machines tournantes

- Turbomachines


Ouverture d'esprit.

Français / anglais.

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