Etude expérimentale et modélisation de l'endommagement du contact aube-disque de soufflante soumis à des chargements de fretting fatigue
Résumé
Optimization of structures design requires a better understanding of their damage process. This study focuses on the characterisation of the blade/disk contact damaging process on aircraft engines. That mechanical structure is subjected to a normal load (centrifugal forces) combined with a tangential force (blade dynamic). Thus the Ti-6Al-4V disk seat sees a complex fretting fatigue loading. This type of solicitation can generate a series of degradations like cracking. Experimental and numerical simulation of this damaging is very difficult considering the present state of arts. The first aim of this work is to develop a new experimental set-up with the appropriate instrumentation in order to conduct a qualitative and a quantitative analysis of the cracking in a Ti-6Al-4V/Ti6-Al-4V contact. The second goal is to build a life prediction numerical model that would be able to use the data obtain with the new experimental tests. The new dual-actuator fretting-fatigue set-up is now operational. It allows to run single contact test under different loading combinations: fretting and fatigue loads can be applied in phase or in a way to simulate the real 'in flight' conditions. New instrumentations have been added in order to follow the crack initiation and propagation: potential-drop technique and acoustic emission. Thanks to this new test procedure, the first fretting Wöhler curve to crack nucleation have been described (fretting load vs number of cycles to crack nucleation) for two contact geometries (cylinder on flat and flat on flat). The separate influences of fatigue and fretting parameters have been determined. The mains parameters are: the contact characteristics, the stress level and the force combination modes ('in phase' cycles or 'in-flight' cycles). Moreover, the very first crack propagation kinetics have been drowned. Also, a major influence of the fretting on the crack propagation has been exposed. The qualitative analysis conducted with the acoustic emission has revealed a three steps crack propagation process. The crack propagation process evolves with the decrease of the contact influence. A model has been developed in order to predict crack initiation and propagation lives. Even if the model suffers from a major limitation due to the difficult considerations of the stress gradient effects, it has shown very good results through its ability to directly include experimental data. This work has led to major breakthroughs in the understanding of the cracking mechanisms and their simulation. This forms solid foundations for future predictions of the blade/disk interface durability.
L'optimisation du dimensionnement des structures passe par une meilleure connaissance de leur mode d'endommagement. Cette étude se focalise donc sur la caractérisation de l'endommagement du contact aube/disque des moteurs aéronautique. Cet assemblage mécanique est soumis a une combinaison d'un effort normal (force centrifuge) et tangentiel (dynamique de l'aube). La portée du disque en Ti-6Al-4V subi donc un chargement complexe de type fretting fatigue. Ce type de sollicitation entraine, entre autre dégradation, de la fissuration dont la modélisation expérimentale et numérique est rendue difficile par les limitations des moyens et des connaissances actuelles. Le premier objectif de ce travail de thèse est de développer un moyen d'essai et une instrumentation associée afin d'étudier de façon qualitative et quantitative la fissuration d'un contact Ti-6Al-4V/Ti-6Al-4V. Le second but est d'utiliser les données issues de ce moyen expérimental afin de proposer un modèle de prédiction des durées de vie de cet assemblage. Un montage inédit de fretting fatigue double vérin mono-contact a été mis en place avec une instrumentation nouvelle pour ce type d'essai : suivi de fissuration par suivi de potentiel et par émission acoustique. Une attention particulière a été apportée aux calibrations et aux méthodologies expérimentales. Ce banc d'essai permet notamment de simuler des efforts de fretting applique en phase ou alors de telle manière a simuler un vrai cycle de vol. Cet outil a permis de décrire quantitativement les premières courbes de Wohler en fretting à amorçage (Effort de fretting vs Nombre de cycles à amorçage) pour deux configurations de contact (cylindre/plan et plan/plan). Les impacts des différents paramètres de fretting sur l'amorcage ont pu être quantifies. Les paramètres influant sont : la configuration du contact, les niveaux des efforts appliques et leur mode de combinaison (cycles en phase ou cycles de type vol). De plus des courbes de cinétique de propagation des fissures ont pu être extraites des différents essais, montrant un fort impact du fretting sur les vitesses de propagation des fissures. Une analyse qualitative via l'émission acoustique a montré un mécanisme d'amorçage et de propagation en 3 étapes suivant la perte d'influence du contact. Un modèle de prédiction de l'amorçage et de simulation de la propagation des fissures a été mis en place. Bien que limite dans la prise en compte des effets gradients (approches non locales), ce modèle se montre très performant surtout dans sa capacité à utiliser les données expérimentales dans l'identification des lois d'amorçage ou de propagation. Ce travail a donc permis d'importantes avancées dans la compréhension des mécanismes de fissuration et dans leur modélisation ouvrant ainsi la porte vers une prédiction fiable de l'endommagement des contacts aube/disque.
Origine : Version validée par le jury (STAR)