Modélisation et validation expérimentale de la tenue d'une chambre de combustion sous sollicitations thermomécaniques

Modelling and experimental validation of the lifetime of a combustion chamber under thermomechanical loadings

• Auteur / Autrice : Nicolas Leost
• Direction : Vincent Maurel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Mécanique
• Date : Soutenance le 25/09/2023
• Etablissement(s) : Université Paris sciences et lettres
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Ingénierie des Systèmes, Matériaux, Mécanique, Énergétique (Paris)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ENSMP MAT. Centre des matériaux (Evry, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation de la thèse : École nationale supérieure des mines (Paris ; 1783-....)
• Jury : Président / Présidente : Éric Charkaluk
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Vincent Maurel, François Hild, Catherine Gardin, Vincent Bonnand, François Comte, Djamel Missoum Benziane
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : François Hild, Catherine Gardin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Éléments finis, Méthode des

Matériaux -- Détérioration

Matériaux -- Fatigue -- Machines d'essai

Fatigue thermique

Mots clés libres

Fatigue thermomécanique

Fatigue haute température

Prévision de durée de vie

Amorçage de fissures

Méthode des éléments finis

Mesure de champs

Thermomechanical fatigue

High temperature fatigue

Lifetime prediction

Crack iniation

Finite element method

Fields measurement

Résumé

Afin de prévoir les opérations de maintenance sur les chambres de combustion des turbomachines aéronautiques, Safran possède une chaîne de calcul de prédiction de durée de vie à l'amorçage. Les pièces visées sont soumises à des sollicitations à forts gradients mécanique et thermique associées à d'importantes variations temporelles typiques des chargements de fatigue thermomécanique. Dans ce cadre, un essai représentatif du chargement des chambres a été développé. Afin de caractériser les conditions de sollicitations locales, des mesures de champs de température par thermographie infrarouge et des mesures de champ de déplacement par corrélation d'images numériques ont été utilisées. La méthodologie présentée offre la possibilité de décrire à la fois la cinétique d'une microfissure de fatigue et la déformation locale qui entraîne cette fissure dans une tôle mince, pour de faibles températures à des températures allant à plus de 900 °C. Ainsi, on montre que les gradients de température pilotent l'amplitude de déformation, qui elle même pilote la vitesse de propagation. En revanche, à l'échelle des microfissures analysées (<SI{300}{micrometer}), aucun effet des gradients n'est observé. Finalement, les essais de fatigue thermomécanique ont été simulés d'une part par un calcul thermique 3D transitoire puis par un calcul thermomécanique 3D élasto-viscoplastique par éléments finis. Cette dernière étape a permis de valider la loi de comportement du Haynes 188. La durée de vie a, quant à elle, été modélisée à la fois par une loi d'interaction fatigue-fluage et une loi de fissuration en énergie précédemment identifiée sur le même matériau. Une analyse complémentaire représentant explicitement les microfissures dans un maillage éléments finis a permis d'évaluer les forces motrices de la propagation de ces microfissures.

In order to plan maintenance operations on the combustion chambers of aeronautical engines, Safran promotes a calculation chain for predicting lifetime based on crack initiation. The components studied are subjected to high mechanical and thermal gradients with significant time variations typical of thermomechanical fatigue. In this context, a test representative of chamber loading has been developed. Temperature field measurements using infrared thermography and displacement field measurements using digital image correlation were used to characterize the local loading conditions. The presented methodology offers the possibility to describe both the kinetics of a fatigue microcrack and the local strain driving this crack in a thin sheet, for low temperatures up to over 900 °C. We show that thermal gradients control the strain amplitude, which in turn controls the fatigue crack growth rate. On the other hand, at the scale of the microcracks analyzed (<300 μm), no effect of gradients is observed. Finally, the thermomechanical fatigue tests were simulated first by a 3D transient thermal calculation and then by a 3D elastoviscoplastic thermomechanical calculation using finite elements. This last step validated the law used to model the behavior of the Haynes 188. Lifetime was modeled using both a fatigue-creep interaction damage law and an energy-based fatigue crack growth rate criterion previously identified for the same material. An additional analysis explicitly representing the microcracks in a finite element mesh was used to evaluate the driving forces for microcrack propagation.