Etude de la robustesse de liaisons boulonnées de carters d'un moteur aéronautique sous sollicitations sévères

Study of the robustness of bolted casings of an aeronautical engine under severe stresses

• Auteur / Autrice : Roselane Hammoum
• Direction : Frédéric Lachaud, Alain Daidie, Christian Paleczny
• Type : Projet de thèse
• Discipline(s) : Génie mécanique, mécanique des matériaux
• Date : Inscription en doctorat le 01/10/2021
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mécanique, énergétique, génie civil et procédés
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : ICA - Institut Clément Ader
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : MS2M - Modélisation des Systèmes et Microsystèmes Mécaniques

Mots clés

Mots clés libres

Assemblage boulonnées

Modélisation simplifiée

Méthode des éléments finis

Matériaux composites

Finite element method

Simplified modeling

Bolted assembly

Composite materials

Résumé

Parmi les innovations dans les turboréacteurs de nouvelle génération figurent les structures composites tissées 3D. Dans de nombreuses applications telle que la ligne des carters fan, ces structures sont assemblées à des pièces composites ou métalliques à travers des liaisons boulonnées. L'optimisation de ces interfaces est une des difficultés majeures rencontrées actuellement, car il n'existe pas de méthodes de conception simples pour le calcul de ces assemblages. En effet, leur dimensionnement s'appuie sur des méthodes numériques 3D lourdes à mettre en place et des essais expérimentaux qui s'avèrent très coûteux. L'objectif de ces travaux de thèse est de développer une méthode simplifiée facilitant la conception initiale de l'assemblage dans une approche de pré‐dimensionnement. Un premier modèle a été évalué, mais pour une seule configuration géométrique d'assemblage, pour un cas de charge particulier et avec des hypothèses de comportement simplifiées [1] [2]. Ces travaux devront s'étendre à d'autres configurations géométriques et mécaniques de moteurs. Certaines configurations moteur intègrent des éléments technologiques (entretoise, contreplaque) qui peuvent répondre à des contraintes thermiques, mécaniques et/ou de montage. Afin d'améliorer la précision et la robustesse de la méthode, les travaux initiaux ont montré qu'il est nécessaire de modéliser la plasticité du boulon et le premier endommagement du composite, d'intégrer des chargements combinés (traction, efforts tranchants ou torsion, températures) et d'améliorer les algorithmes de contact. En conséquence, il est nécessaire d'enrichir le modèle en tenant en compte de ces différents éléments. Pour les effets technologiques, cette intégration peut être réalisée de manière explicite, en ajoutant des éléments représentatifs de ces pièces, ou de manière implicite, en intégrant leur comportement mécanique dans la raideur des pièces assemblées et du boulon. La localisation du premier endommagement dans les zones de raccordement doit être également mieux modélisée. Afin de prendre en compte des non‐linéarités matériaux plus représentatives du comportement physique de l'assemblage, il s'agira aussi d'intégrer un comportement endommageable de la partie composite tissé [3], [4], et élastoplastique [5] des pièces métalliques. La sensibilité aux paramètres de ces modèles sera réalisée pour l'étude de la robustesse des modélisations proposées. Enfin, pour les aspects modélisation, les hypothèses sur les conditions aux limites devront être redéfinies afin de pouvoir prendre en compte les phénomènes de glissement et de décollement et la méthode de modélisation des contacts doit être améliorée afin de rendre le modèle plus robuste. Des méthodes comme l'algorithme d'Uzawa [6] seront à étudier afin de vérifier que ce type d'algorithme peut éliminer des problèmes numériques de non convergence. Des études paramétriques faisant intervenir des ratios de dimensions géométriques, des chargements et différentes propriétés matériaux, devront être réalisées, afin de valider la robustesse du nouveau modèle de calcul exploitable en phase de conception préliminaire. Ces travaux de thèse coupleront de la modélisation numérique structurale non‐linéaire et de l'exploitation de plusieurs essais expérimentaux réalisés à différents niveaux d'échelle (caractérisation, essais monofixation et multifixations)

Among the innovations in new generation turbojets are 3D woven composite structures. In many applications such as the line of fan housings, these structures are assembled to composite or metal parts through bolted connections. The optimization of these interfaces is one of the major difficulties encountered today, because there are no simple design methods for the calculation of these assemblies. Indeed, their sizing is based on 3D digital methods that are cumbersome to set up and experimental tests which are proving to be very expensive. The objective of this thesis work is to develop a simplified method facilitating the initial design of the assembly in a pre-dimensioning approach. A first model was evaluated, but for a single geometric assembly configuration, for a particular load case and with simplified behavioral assumptions [1] [2]. This work will have to extend to other geometric and mechanical configurations of engines. Certain engine configurations integrate technological elements (spacer, counterplate) which can meet thermal, mechanical and / or assembly constraints. In order to improve the precision and the robustness of the method, the initial work showed that it is necessary to model the plasticity of the bolt and the first damage of the composite, to integrate combined loadings (traction, shearing forces or torsion, temperatures) and improve contact algorithms. Consequently, it is necessary to enrich the model by taking these different elements into account. For technological effects, this integration can be carried out explicitly, by adding elements representative of these parts, or implicitly, by integrating their mechanical behavior into the stiffness of the assembled parts and the bolt. The location of the first damage in the connection areas must also be better modeled. In order to take into account material non-linearities more representative of the physical behavior of the assembly, it will also be a question of integrating a damaging behavior of the woven composite part [3], [4], and elastoplastic [5] of the metal parts. The sensitivity to the parameters of these models will be carried out for the study of the robustness of the proposed models. Finally, for the modeling aspects, the hypotheses on the boundary conditions will have to be redefined in order to be able to take into account the phenomena of sliding and separation and the method of modeling of the contacts must be improved in order to make the model more robust. Methods like the Uzawa algorithm [6] will be studied in order to verify that this type of algorithm can eliminate numerical problems of nonconvergence. Parametric studies involving ratios of geometric dimensions, loadings and various material properties must be carried out, in order to validate the robustness of the new calculation model which can be used in the preliminary design phase. This thesis work will combine non-linear structural numerical modeling and the exploitation of several experimental tests carried out at different scale levels (characterization, single-fixture and multi-fixture tests)