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réseau et à l'aide des bibliothèques standards proposées dans les logiciels du type
Matlab/Simulink [Mat 17]. Il s'agit d'une
plateforme de simulation multi-domaines et
d'une démarche globale permettant d'étudier
le comportement d'un système mécanique
complexe en vue d'obtenir des solutions optimales à moindre coût. Des simulations par
éléments finis multi-physiques permettent
ensuite d'affiner la conception si nécessaire.
Il convient de rappeler les travaux de R&D
du CETIM dans la mise en place de moyens
d'essais et de modélisation des systèmes de
transmission de puissance (cf. Figures II-4).
III- LA REALISATION
Le paragraphe précédent a montré que la
modélisation et la simulation des systèmes
mécaniques permettent des innovations et
de meilleures performances de ces derniers,
souvent au travers d'optimisations. L'étape
suivante est liée aux possibilités de réalisation : choix des matériaux et comportements
de ces derniers en fonctionnement (rigidité,
résistance à la fatigue et à la rupture, résistance à la corrosion...), choix des procédés
de fabrication des systèmes mécaniques,
aspects économiques et coûts, aspects environnementaux et nuisances. Nous allons
illustrer ces propos sur quelques exemples
de systèmes de production d'énergie.
III-1 Les turbines
Figure II-4 : Essais d'endurance sur banc éolien,
détection des défauts de roulement d'arbre lent
[Bed 15].
Un autre axe de développement dans les
dernières années concerne la simulation des
procédés de mise en œuvre en particulier
pour les matériaux composites. Parmi les
procédés, nous pouvons citer les techniques
de mise en œuvre LCM (Liquid Composites
Molding) ou thermoformage des composites
thermoplastiques, cf. figure II-5.
La turbine, système bien connu, est un dispositif rotatif destiné à utiliser l'énergie
cinétique d'un fluide liquide (eau) ou gazeux (vapeur d'eau, air, gaz de combustion)
afin de produire de l'électricité. Ce système
mécanique va engendrer des problèmes de
frottement liés aux paliers, des problèmes
d'usinage et de liaison des aubes à l'arbre
(force centrifuge), des problèmes de corrosion et de fatigue thermique et mécanique.
Les turbines à vapeur de centrales nucléaires
par exemple fonctionnent avec de la vapeur
d'eau saturée sèche aux environs de 60 bars
à une température de 275°C (étage haute
pression). La réalisation de ces turbines nécessite le recours à des matériaux spéciaux
tels que les aciers fortement alliés (Cr-Ni-V)
ou des alliages de titane spéciaux voire des
superalliages pour résister aux contraintes
thermiques, mécaniques, chimiques, à l'érosion et à la cavitation dues aux gouttelettes
Figure II-5 : Simulation du procédé de fabrication
LCM, ESI group [Esi 18]
La technique LCM, développée par ESI Group
[Esi 18], est utilisée pour fabriquer des
pièces complexes de grandes dimensions
(aujourd'hui SciLab) telles que les pales
d'éolienne. Il s'agit de modéliser le procédé
d'infusion de résines à travers des renforts
fibreux et de simuler le remplissage de la
résine dans le moule. Ces simulations sont
également utilisées pour la détermination
des contraintes résiduelles nécessaires au
dimensionnement des structures, notamment dans le calcul de la durée de vie en
fatigue.
20
Figure III- 1 : Vue d'une turbine à vapeur [Tur 18]
d'eau qui viennent frapper les aubages à
1500km/h environ. Les outils récents de
conception et de simulation (cf. paragraphe
précédent) permettent une optimisation de
la forme des aubes et de leur disposition.
La taille de ces turbo-alternateurs (cf. figure
III-1) génère également des nuisances sonores que l'on peut atténuer par différents
types d'amortisseurs ou étouffeurs spéciaux.
- Frottement des paliers
Les équipements mis en œuvre pour générer
des énergies renouvelables font intervenir
des composants qui sont soumis à des sollicitations mécaniques ou environnementales
complexes, impliquant une attention particulière, en particulier dans les organes de
liaison tels que les paliers, butées, couronnes
d'orientation ou de transmission d'énergie, réducteurs ou multiplicateurs. En plus
des sollicitations prises en compte par les
solutions mécaniques classiques, ces équipements sont soumis à des régimes vibratoires intenses, y compris dans les phases
quasi-statiques qui peuvent engendrer des
phénomènes de fretting : fretting-fatigue,
fretting- corrosion. Les couronnes d'orientation des éoliennes en particulier sont sensibles à ces phénomènes qui sont fortement
destructeurs et réduisent leur durée de vie.
- Matériaux
Depuis les 30 dernières années l'utilisation
de matériaux spéciaux permet d'augmenter la taille des turbines ainsi que la température de fonctionnement. Ceci a permis
d'améliorer le rendement de ces appareils et
d'augmenter la puissance fournie. Ces augmentations de température et de taille engendrent des efforts plus importants (force
centrifuge par exemple) et supposent une
maîtrise de la résistance à la fatigue et à
la rupture des matériaux. Cette maîtrise
passe au niveau de la conception par une
meilleure prise en compte des paramètres
d'état de surface des aubes (voir ci-après
« usinage des aubes ») grâce à l'estimation
de la rugosité, de l'état d'écrouissage et du
champ de contraintes résiduelles engendré
par l'usinage et permet ainsi une amélioration de la durée de vie de la structure. Elle
nécessite aussi la prise en compte de l'environnement vibratoire (effet de survitesse,
surcharges aléatoires) et du milieu corrosif,
subis en service. Des améliorations de la tenue en service peuvent être proposées, par
exemple en introduisant un état initial de
contraintes résiduelles de traction par gre-
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