Caractérisation et modélisation de la fatigue et de la durabilité de ligne d’ancrages en polyamide pour les éoliennes offshore flottantes

Characterization and modelling of the fatigue and durability of polyamide mooring lines for offshore floating wind turbines

• Auteur / Autrice : Laure Civier
• Direction : Yann Marco, Peter Davies
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique des Solides, des Matériaux, des Structures et des Surfaces
• Date : Soutenance le 28/11/2023
• Etablissement(s) : Brest, École nationale supérieure de techniques avancées Bretagne
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences pour l'ingénieur et le numérique
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de Recherche Dupuy de Lôme
• Partenaire(s) de recherche : Centre de recherches : Institut français de recherche pour l'exploitation de la mer. Unité Physiologie fonctionnelle des organismes marins (Plouzané, Finistère)
• Jury : Président / Présidente : Samuel Forest
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Guilhem Blès, Damien Durville, Alba Marcellan, Guillaume Damblans
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Emmanuelle Vidal-Sallé, Laurent Orgéas

Mots clés

Mots clés contrôlés

Énergie éolienne en mer

Cordes et cordages

Polyamides

Matériaux -- Fatigue

Mots clés libres

Polyamide 6

Cordage toronné

Modèle constitutif

Fatigue

Fluage

Analyse mésoscopique

Loi de comportement hyper-élastique

Polyamide 6

Laid strand rope

Constitutive model

Fatigue

Creep

Mesoscopic analysis

Hyper-elastic behaviour laws

Résumé

Grâce à une résistance équivalente à celle du polyester, et à une élongation à rupture plus importante (20%), les lignes en polyamide 6 se distinguent pour l’ancrage de flotteurs d’éoliennes offshore en eaux peu profondes (< 200 m). Un premier verrou réside dans la complexité de leur comportement mécanique non linéaire. Cette étude propose de valider et d’améliorer un modèle de comportement 1D composé de quatre éléments ressort-rochet-amortisseur qui permet une description précise du comportement d’une ligne en polyamide 6. Cette loi permettrait un premier dimensionnement des lignes d’ancrage. Ces lignes seront sous tension pendant toute leur durée de vie en service. Elles seront soumises àdes sollicitations cycliques dues à la houle et aux mouvements de la plateforme. Un second verrou réside donc dans leur durabilité en fluage et en fatigue. Deux études expérimentales dédiées respectivement, à leur comportement en fluage long terme et à leur durée de vie en fatigue, sont donc présentées. Afin d’améliorer la compréhension des mécanismes de dégradation et de dissipation en fatigue, le développement d’une loi de comportement basée sur l’échelle mésoscopique d’un cordage et son implémentation dans un logiciel d’éléments finis sont présentés. Le modèle 3D final doit permettre une meilleure analyse du comportement non linéaire et, notamment, des phénomènes de dissipation dus aux frictions internes entre composants.

Polyamide 6 fibre ropes are of interest for floating offshore wind turbines mooring lines thanks to their low stiffness, good tensile strength and high strain to failure (20%). The complex visco-elasto-plastic behaviour of polyamide 6 ropes is not fully understood. The development of a reliable model for the mechanical behaviour of polyamide 6 fibres is essential for permanent mooring applications. This study proposes to validate and improve a 1D constitutive law composed of four springratchet and dashpot elements, that aims at completely describing the complex behavior of polyamide 6 fibre elements. The mooring lines will be under tension during all their service life and submitted to cyclic loading due to the waves and the movements of the plateform. Hence, they should show durability in terms of creep and fatigue life. Two experimental studies, respectively on long term creep behaviour and fatigue durability, are presented in this study. Also, to extend our understanding of the dissipation and degradation mechanisms in fatigue, the developement of a behaviour law based on the mesoscopic scale of a rope and its implementation in finite element analysis are presented. The final 3D model should allow a better understanding of the non linear behaviour and help to assess the dissipated energy due to the internal friction between components.