Eclatement des disques de turbomachines.

Accueil || Parcours || Recherche || S'enregistrer || Mon Compte || Contacts || Aide || Langues

Mazière, Matthieu (2007) Eclatement des disques de turbomachines. Doctorat Sciences et génie des matériaux, Centre des Matériaux P.M. Fourt, ENSMP p.159.

Plein texte disponible en tant que : - Maziere.pdf ( 15127 Kb ) - Videos_Maziere.zip ( 30838 Kb )

Licence: Copyright

Résumé

Lors du dimensionnement des turbomachines, les motoristes sont tenus par la r´eglementation de démontrer l’intégrité des pièces tournantes (disques et compresseurs) par un essai de survitesse : la pièce ne doit pas éclater sous l’effet du chargement mécanique et thermique avant la vitesse imposée par la réglementation. Cette exigence permet de garantir une marge de sécurité d’au moins 20 % entre

la vitesse d’éclatement et les conditions normales de fonctionnement.

L’évolution réglementaire permettra à terme d’utiliser des prévisions numériques préalablement validées par des essais. Les simulations, réalisées à l’aide de calculs élastoplastiques par éléments finis en grandes déformations, surestiment à l’heure actuelle la vitesse d’éclatement pour des pièces réalisées en Udimet 720, un superalliage à base de Nickel.

Une prévision plus fiable de la vitesse d’éclatement nécessite une connaissance détaillée du comportement elasto-visco-plastique et du type de rupture du matériau. La prévision de la vitesse d’éclatement d’un disque en rotation est obtenue par analyse limite. Les paramètres du matériau

influents sur cette vitesse limite sont dégagés dans cette étude.

En conditions normales de fonctionnement, la température moyenne des disques est proche de 500°C. A cette température, l’effet Portevin Le Chatelier (PLC) apparait lors d’essais de traction sur des éprouvettes en Udimet 720. La simulation de cet effet nécessite l’utilisation d’un modèle de

comportement tenant compte du vieillissement dynamique. Ce modèle entraine généralement une localisation de la vitesse de déformation sous forme de bandes. Une analyse de localisation a été effectuée dans le but d’utiliser ce modèle pour des disques en rotation.

Il est démontré dans cette thèse deux résultats principaux au sujet de la simulation de l’éclatement des disques en Udimet 720 : (i) à la température ambiante, la vitesse d’éclatement est principalement influencée par le choix du critère de plasticité et par la contrainte limite à la rupture. (ii) à haute

température (500°C), l’effet PLC change la réponse globale des disques sans pour autant modifier significativement leur vitesse d’éclatement.

Cette thèse constitue le thème 3 du projet de recherche concerté entre Turboméca, l’Onéra, Snecma et le Centre des Matériaux - Mines Paris - ParisTech intitulé ”Durée De Vie”. Ce projet est supporté financièrement par la DGA et la DPAC.

Table des Matières

I Introduction 1

I.1 Aims

I.2 Outline

I.3 Notations



II Stability of elastoviscoplastic rotating disks 11

II.1 Introduction

II.2 Stability and uniqueness criteria

II.2.1 Finite strain formulation

II.2.2 Material behavior

II.2.3 Problem formulation

II.2.4 Hill uniqueness and stability conditions

II.2.5 Criteria for rotating disks

II.3 Evaluation of the local critical strain criterion

II.3.1 Simple Tension

II.3.2 Simple Shear

II.3.3 Application

II.4 Simulation of rotating disks

II.4.1 Influence of spin-softening

II.4.2 Influence of yield criterion

II.4.3 Influence of the hardening law

II.4.4 Influence of viscosity

II.5 Conclusion



III Mechanical Behavior of Udimet 720 - 33

III.1 Introduction to Udimet 720

III.1.1 Metallurgy

III.1.2 Processing, heat treatments, and hardening mechanisms

III.2 Mechanical behavior at room temperature

III.2.1 Tensile tests on smooth axisymmetric specimens

III.2.2 Tensile tests on notched axisymmetric specimens

III.2.3 Fractography

III.3 Mechanical behavior at 500°C .

III.3.1 Portevin Le Chatelier effect

III.3.2 Tensile tests on smooth axisymmetric specimens

III.3.3 Tensile tests on notched axisymmetric specimens

III.4 Conclusion



IV Burst prediction of an experimental rotating disk .. 51

IV.1 Introduction

IV.2 Material properties

IV.3 Identification of the Yield parameter n from Notched Tensile test simulation and validation from S-disk residual deformations

IV.4 Numerical modelling of the burst of the B-disk

IV.5 An alternative method to evaluate burst rotation rate of the B-disk



V Identification of material parameters for Udimet 720 at 500°C - 65

V.1 Introduction

V.2 Material model

V.2.1 Constitutive equations

V.2.2 Homogeneous solutions

V.2.3 Material model parameters

V.2.4 Tension of a plate

V.3 Stability analysis

V.3.1 1D linear perturbation

V.3.2 Stability conditions



VI Mesh and time increment sensitivity of localized phenomena for the MacCormick (MC) model 75

VI.1 Introduction

VI.2 Numerical integration of MC constitutive equations

VI.2.1 Runge-Kutta method

VI.2.2 method .

VI.2.3 Control of local time increment and switching method

VI.2.4 Control of global time increment

VI.2.5 Global time increment and method sensitivity

VI.3 Band nomenclature and location indicator

VI.3.1 Band nomenclature

VI.3.2 Numerical detection of bands - The BLI tool

VI.3.3 Evaluation of band width and velocity from the BLI tool

VI.3.4 Application : strain rate sensitivity

VI.4 Mesh sensitivity of localization phenomena

VI.4.1 Qualitative analysis

VI.4.2 Quantitative analysis

VI.5 Conclusion



VII Prediction of critical strain and band orientation. Simulations of axisymmetric specimens 95

VII.1 Introduction

VII.2 Linear perturbation analysis

VII.2.1 Theory

VII.2.2 Prediction of the critical plastic strain

VII.2.3 Estimation of band orientation

VII.3 Simple tension specimens

VII.3.1 Band orientation : symmetry breaking in axisymmetric test samples

VII.3.2 Band type and serration shape

VII.4 Notch tensile specimens

VII.5 Conclusion



VIII Simulation of the Portevin Le Chatelier effect in rotating disks 125

VIII.1 Introduction

VIII.2 Axisymmetric disk simulations

VIII.3 3D disk simulations

VIII.4 Conclusion

Conclusions – Prospects 137

Appendix 143

Statistiques de consultation

Administrateurs de l'archive uniquement : éditer cet enregistrement