Cette thèse concerne les systèmes de surveillance des turboréacteurs. Le développement de tels systèmes nécessite une phase d’évaluation et d’optimisation des performances, préalablement à la mise en exploitation. Le travail a porté sur cette phase, et plus précisément sur les performances des fonctions de détection et de pronostic de deux systèmes. Des indicateurs de performances associés à chacune de ces fonctions ainsi que leur estimation ont été définis. Les systèmes surveillés sont d’une part la séquence de démarrage pour la fonction de détection et d’autre part la consommation d’huile pour la fonction de pronostic. Les données utilisées venant de vols en exploitation sans dégradations, des simulations ont été nécessaires pour l’évaluation des performances. L’optimisation des performances de détection a été obtenue par réglage du seuil sur la statistique de décision en tenant compte des exigences des compagnies aériennes exprimées en termes de taux de bonne détection et de taux d’alarme fausse. Deux approches ont été considérées et leurs performances ont été comparées pour leurs meilleures configurations. Les performances de pronostic de surconsommations d’huile, simulées à l’aide de processus Gamma, ont été évaluées en fonction de la pertinence de la décision de maintenance induite par le pronostic. Cette thèse a permis de quantifier et d’améliorer les performances des fonctions considérées pour répondre aux exigences. D’autres améliorations possibles sont proposées comme perspectives pour conclure ce mémoire / This thesis deals with monitoring systems of turbojet engines. The development of such systems requires a performance evaluation and optimization phase prior to their introduction in operation. The work has been focused on this phase, and more specifically on the performance of the detection and the prognostic functions of two systems. Performances metrics related to each of these functions as well as their estimate have been defined. The monitored systems are, on the one hand, the start sequence for the detection function and on the other hand, the oil consumption for the prognostic function. The used data come from flights in operation without degradation, simulations of degradation were necessary for the performance assessment. Optimization of detection performance was obtained by tuning a threshold on the decision statistics taking into account the airlines requirements in terms of good detection rate and false alarm rate. Two approaches have been considered and their performances have been compared for their best configurations. Prognostic performances of over oil consumption, simulated using Gamma processes, have been assessed on the basis of the relevance of maintenance decision induced by the prognostic. This thesis has allowed quantifying and improving the performance of the two considered functions to meet the airlines requirements. Other possible improvements are proposed as prospects to conclude this thesis

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.

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.