L’intégration des énergies renouvelables sur le réseau électrique entraîne de nouveaux besoins chez les exploitants de centrales hydroélectriques. Ainsi, les fabricants de turbines hydrauliques doivent garantir des plages de fonctionnement de plus en plus étendues, afin d’assurer une plus grande flexibilité d’utilisation des machines. Pour les turbines Francis, un fonctionnement en-dehors des conditions nominales implique potentiellement une augmentation des sollicitations mécaniques, notamment à faible débit (charge partielle). Cette hausse est due à l’apparition de phénomènes hydrauliques dans l’écoulement, dont notamment les vortex inter-aubes. Pour garantir des plages de fonctionnement étendues à leurs clients, les fabricants se doivent de maîtriser l’impact de telles conditions d’opération sur la durée de vie de leurs machines. Il est donc nécessaire de mieux comprendre l’écoulement complexe dans la turbine et son impact mécanique à charge partielle. Dans ce contexte, cette thèse a une double approche expérimentale et numérique. L’analyse se base sur des mesures et des observations réalisées lors d’essais sur modèles réduits. Elles ont permis de corréler les phénomènes hydrauliques observés et l’évolution des fluctuations de pression et des déformations dynamiques mesurées, pour différents points de fonctionnement. Ces résultats ont notamment été utilisés pour estimer le phénomène de fatigue lors du fonctionnement continu d’une turbine à très faible charge. La simulation numérique des fluides (CFD) a également été utilisée pour mieux comprendre les mécanismes impliqués dans la formation des vortex inter-aubes, et pour prédire le chargement dynamique qui s’exerce sur la roue à charge partielle. La validation des résultats numériques est basée sur la comparaison avec les données expérimentales issues des précédents essais sur modèles réduits. / The integration of renewable energies into the electricity grid brings new needs for hydro power plant operators in terms of how they are operated. Consequently, hydraulic turbine manufacturers are required to extend their machine’s operating range in order to increase their flexibility. In the case of Francis turbines, dynamic stresses could increase in off-design conditions due to several hydraulic phenomena that appear in the flow, especially at partial load. One of them is the development of inter-blade vortices in the runner. In order to guarantee an extended operating range manufacturers have to control the impact of such operating conditions on their turbines lifetime. Therefore, a better understanding of complex partial load flows and their mechanical impact on the turbines is needed. In this context, this thesis uses both experimental and numerical approaches. Reduced scale model turbines were tested in order to correlate hydraulic phenomena observed in the flow and the evolution of pressure and strain fluctuations for different operating points. The results were then used to estimate the turbine fatigue in partial load conditions. Computational Fluid Dynamics was also used to better understand the formation of inter-blade vortices and to predict the dynamic loading on the runner at partial load. These numerical results were validated by comparison with the experimental data from the previous test rig measurements and observation campaigns.

Les aubes de turboréacteurs sont aujourd’hui sujets à de nouvelles technologiques novatrices : les matériaux composites tissées 3D. Ces modifications matériaux permettent des réductions de masse significatives, et conduisent à des performances énergétiques et environnementales accrues. Ces structures tissées possèdent généralement des architectures complexes et requièrent une bonne caractérisation mécanique. Des outils de modélisation textile et d’homogénéisation ont été développés, la géométrie et les propriétés physiques de l’architecture tissée y sont analysées. Toutefois, il est important de prévoir les endommagements engendrés dans ces matériaux au niveau des zones de contact soumises à du fretting. En effet, les pieds d’aubes de turboréacteurs font face à des sollicitations de type fretting. Il en résulte deux types d’endommagements : l’amorçage et propagation de fissures et l’usure des surfaces en contact. Quantifier ces endommagements requiert une analyse fine du contact à partir d’un outil de calcul à la fois robuste et rapide. Pour mener à bien cet objectif, un code semi-analytique permettant aujourd’hui de traiter des problèmes hétérogènes de contacts élasto-plastiques est développé. La méthode d’inclusion équivalente proposée au sens d’Eshelby est utilisée dans le solveur de contact pour décrire l’effet des hétérogénéités (cavités, inclusions, fibres ou torons). L’un des corps en contact peut contenir de multiples hétérogénéités de formes parallélépipédiques, ellipsoïdales, et ses formes dégénérées (ellipsoïde oblate, ellipsoïde prolate, sphère, cylindre, disque plat,...). Cette méthode est modifiée et améliorée afin de prendre en compte les influences mutuelles entre les inclusions hétérogènes voisines, et la décohésion à l’interface hétérogénéité/matrice. Un premier couplage avec un modèle de contact aube/disque Eléments Finis permet de prendre en compte les effets de structures. Cette méthode est analogue à un zoom structural lorsqu’un maillage fin est nécessaire dans des zones de contact à fort gradient de contraintes soumises à un endommagement de type fretting. Un second couplage avec le logiciel WiseTex permet de décrire la géométrie réelle du tissage du composite, les propriétés matériaux des fibres et de la matrice. Une segmentation fine du modèle permet de discrétiser les mèches en de multiples hétérogénéités ellipsoïdales équivalentes et d’appliquer la méthode d’inclusion équivalente modifiée. A partir de cette mise en donnée d’un matériau composite tissé revêtu, des calculs de contact tridimensionnel multiéchelle en situation de fretting sont réalisés avec succès. / New baseline turbofan engines feature advanced blade technology made of 3D woven composites for a significant reduction in weight and an increase in energy and environmental performance. Woven structures generally have complex architectures wich require high level of mechanical model. Modeling textile and homogenization tools have been developed to provide precisely the geometry and physical properties of the woven architecture. However, it is important to predict the damage mode under contact zone which are subjected to fretting. Indeed, the blade roots of turbofan engines are damaged by fretting phenomenon. Fretting modes generate two kinds of damage : (i) the initiation and propagation cracks, (ii) wear on contact surfaces. Quantify these two kinds of damage requires a detailed contact analysis from a robust and fast contact solver. In order to reach this goal, a semi-analytical solver allows to solve heterogeneous elasto-plastic contact problems. Equivalent inclusion method in the sense of Eshelby allows to describe accurately the effect of inhomogeneities (cavities, inclusions, fibers or strands). Only one of contact bodies contains multiple heterogeneous of cuboïdal and ellipsoidal shapes, and their degenerated forms (oblate spheroid, prolate ellipsoid, sphere, cylinder, flat disk,...). This method is modified and improved in order to take into account the mutual influence between neighboring heterogeneous inclusions and decohesion at the interface heterogeneity/matrix. A first coupling with a finite element model of blade/disk contact allows to take into account the effects of structure. This method is analogous to a structural zoom when structural fine mesh is necessary within areas of high contact stress gradient subjected to fretting. A second coupling with the software WiseTex allows to describe the geometry of the actual weaving of the composite, the material properties of the fibers and the matrix. A fine segmentation of the numerical model allows to discretize reinforcements to multiple equivalent ellipsoidal heterogeneities and to apply the modified equivalent inclusion method. Three-dimensional simulation of frictional contact model are successfully completed from these data of a coating woven composite.

Ce mémoire de maîtrise présente le résultat de travaux de recherche réalisés pour la compagnie Pratt & Whitney Canada, via Stephen Caulfeild [1], en collaboration avec le CRIAQ [2], le département de Génie mécanique de l'Université Laval, via le Dr. Augustin Gakwaya [3] et le RDDC Valcartier, via le Dr. Dennis Nandlall [4]. Le travail concerne la modélisation et simulation du confinement des débris des pales d'un rotor de moteur d'avion dans un caisson constitué d'une structure en aluminium entourée d'un tissé de Kevlar. Pour réaliser ce projet, on a d'abord établi une procédure de simulation avec un modèle simple ayant une structure métallique. Ensuite, en conservant les mêmes paramètres, on a reproduit cette simulation avec la géométrie réelle. Puis, on a effectué de nombreuses simulations pour valider une nouvelle loi de comportement, implantée par Ali Shahkarami de UBC dans LS-DYNA [5]. Cette loi permet de représenter le comportement en déformation des tissés de Kevlar soumis à l'impact. Une fois cette étape complétée, on a alors modifié la structure métallique du modèle simple en une structure métal/composite et on a validé les paramètres à utiliser. Finalement, on a développé une méthodologie pour simuler le confinement des débris des pales d'un rotor de moteur d'avion dans un caisson hybride (i.e. constitué d'une structure d'aluminium entouré d'un tissé de Kevlar). Tout au long du mémoire, les fondements théoriques des logiciels employés et les hypothèses posées sont décrits. De plus, on a effectué des analyses implicites et explicites afin de bien les différentier et de représenter le phénomène de contraintes initiales induites dans les pales lors de leur mise en rotation. Les résultats obtenus montrent qu'en utilisant de façon judicieuse la simulation numérique, on peut assez fidèlement reproduire la physique des problèmes d'impact à très grande vitesse. Ceci comporte alors de nombreux avantages tels qu'une meilleure compréhension du problème et le remplacement de certains tests physiques par des simulations virtuelles réduisant d'autant les coûts des tests. / This master's thesis presents the research work done for Pratt & Whitney Canada, via Stephen Caulfeild [1], in collaboration with the CRIAQ [2], the Mechanical Engineering Department of Laval University, via Dr. Augustin Gakwaya [3] and DRDC Valcartier via Dr. Dennis Nandlall [4]. This thesis presents the results obtained for the following case study: the simulation of a fan blade containment problem with a hybrid aluminum/Kevlar fan case structure. To accomplish this project, a simulation methodology was first established with a simple metallic structure model. Using the same parameters, simulations with the real geometry were conducted. Then, numerical simulations were done with a new material model implemented by Ali Shahkarami from UBC in LS-DYNA [5]. This model was used to capture the deformation response of the Kevlar wrap under impact. After the successful results obtained with this material model, the metallic structure of the simple model was replaced with a new hybrid metal/composite structure and ail the parameters were validated using it. Finally, a methodology was created to simulate the fan blade containment with a hybrid fan case (aluminum structure with a Kevlar wrap). Throughout the thesis, the software theory and the assumptions made are described. Moreover, it is explained how to perform implicit and explicit analysis in order to be able to differentiate them and to assess fan blade prestressing. Prestressing was needed to accurately represent the deformation pattern and constraints induced in the blades by their rotation. The results show that with judicious use of numerical simulation it is possible to realistically simulate high velocity impact problems that capture the physics of the problem and as a results help in the understanding of the problem while saving tremendously experimental time.

Ce mémoire présente les travaux de recherche effectués au sein du département de Génie Mécanique de l’Université Laval dans le cadre du projet « Impact modeling of Composite Aircraft Structure », IMCAS du Consortium de Recherche et d’Innovation en Aérospatiale (CRIAQ). Le but de ces travaux était de créer une loi de comportement pour les composites tissés sec mous et de les implanter dans un élément coque reproduisant le comportement dynamique d’un croisement de fibres dans un pli typique sous impact balistique et en fonction de certains paramètres géométriques propres au tissé. La création d’une loi de comportement de l’usager dans le logiciel d’analyse par éléments finis Abaqus a été nécessaire pour mener à bien ce projet. La méthodologie de développement de la sous-routine de l’usager, qui définit le matériau tissé et est utilisée en conjonction avec l’élément shell S4R, est basée sur les récents travaux de Grujicic et al (1) et Shahkarami et al (2). La validation de ce modèle a été réalisée en vérifiant la validité de sa réponse à certaines sollicitations rencontrées dans des études simples d’impact. Le résultat final de ces tests numériques d’impact a permis de démontrer que nous obtenons des résultats similaires à ceux de Shahkarami pour les mêmes paramètres d’expérimentation. Enfin, après cette dernière validation, nous avons appliqué l’outil développé à l’étude, en dynamique explicite, de l’impact d’une pale de soufflante sur un caisson de confinement hybride. Ce caisson est composé d’une première couche intérieure en coque métallique et sur laquelle s’empilent plusieurs couches de kevlar. Tout au long de ce mémoire, nous avons détaillé toutes les hypothèses, les démarches et les outils utilisés pour réaliser ce travail. Nos résultats montrent finalement qu’il est possible de reproduire les phénomènes physiques à une échelle méso-mécanique lors d’un impact haute vitesse sur un matériau composite tissé multicouche tout en minimisant le temps de calcul nécessaire. / This thesis presents the work that has been carried out inside the Mechanical Engineering Department of Laval University within a CRIAQ project related to Impact Modeling of Composite Aircraft Structure (IMCAS). The main goal of this work was to develop a dry fabric model for ballistic impact application and to implement it into a shell element capable of reproducing the dynamic behavior of a yarn crossover point with due account of some specific geometric and material parameters. The development of a material user subroutine (VUMAT user subroutine) was necessary to carry out this project. The methodology employed for the development of the user subroutine to be used with the S4R shell element available in Abaqus is based upon the works of Grujicic et al (1) and Shahkarami et al (2). The validity of the mesomechanical model created was carried out in order to assess the accuracy of its behavior under elementary loadings. Subsequently, using the same parameters to set up the analysis, the developed model has been applied in simple impact problems in Abaqus to demonstrate that we are able to obtain the same results as in the work of Shahkarami (2) used as a reference. Finally, after this last validation, the model is used in the impact study of an aeronautical engine’s fan blade containment problem using a hybrid casing. In our problem the casing’s inner shell is metallic and multiple Kevlar fabric layers are wrapped around it to contribute to the energy absorption and containment of the fan blade debris released outward at high speed. In this thesis all the assumptions, process and tools necessary to carry out every analysis have been described in details. Our results demonstrate that it is possible to capture the physical phenomenon happening at the yarn’s mesoscopic level during a high-velocity impact on a dry fabric while minimizing the computation time.