Etude numérique avancée d'une pale d'éolienne en matériau composite en vue de l'estimation de fatigue

IFP Energies nouvelles - Direction Physico-chimie et Mécanique appliquées

Stage Sciences des Matériaux Hauts-de-Seine entre mars et avril 2022 5 mois


IFP Energies nouvelles (IFPEN) est un acteur majeur de la recherche et de la formation dans les domaines de l’énergie, du transport et de l’environnement. De la recherche à l’industrie, l’innovation technologique est au cœur de son action, articulée autour de quatre priorités stratégiques : Mobilité Durable, Energies Nouvelles, Climat / Environnement / Economie circulaire et Hydrocarbures Responsables.

Dans le cadre de la mission d’intérêt général confiée par les pouvoirs publics, IFPEN concentre ses efforts sur :

  • l’apport de solutions aux défis sociétaux de l’énergie et du climat, en favorisant la transition vers une mobilité durable et l’émergence d’un mix énergétique plus diversifié ;
  • la création de richesse et d’emplois, en soutenant l’activité économique française et européenne et la compétitivité des filières industrielles associées.

Partie intégrante d’IFPEN, l’école d’ingénieurs IFP School prépare les générations futures à relever ces défis.

Etude numérique avancée d'une pale d'éolienne en matériau composite en vue de l'estimation de fatigue

En raison de la double contrainte poids-résistance et des impératifs de performance aérodynamique, les pales des éoliennes récentes ont des géométries complexes (courbées à la fois en flexion et en torsion) et une structure mécanique généralement en matériaux composites. Ces matériaux permettent d’obtenir les meilleures performances mécaniques en termes de raideur et/ou résistance pour un poids donné. Une fois en opération, les pales subissent des chargements cycliques liés à la rotation de la turbine, qui engendrent un endommagement des composites menant à une dégradation progressive des propriétés mécaniques.

La question de l’estimation de la durée de vie en fatigue des composants est fondamentale, car elle fixe l’horizon temporel au bout duquel l’éolienne devra être soit démantelée, soit rééquipée. Les modes d’endommagement des matériaux composites étant très variés du fait de leur microstructure complexe, cette estimation est néanmoins délicate.

L’objectif du stage est de mettre au point une méthodologie avancée d’estimation de la fatigue des matériaux des pales d’une éolienne, en mettant en oeuvre deux actions complémentaires.

Un premier aspect du stage sera bibliographique. Le/la stagiaire devra mener une revue de la littérature sur l’évaluation de la fatigue des matériaux composites en général, et plus particulièrement dans le domaine de l’éolien. On pourra s’appuyer sur des revues bibliographiques déjà menés à IFPEN dans un contexte différent [1].

Un second aspect du stage consistera en l’application des méthodes identifiées dans la phase bibliographique au cas des pales d’une éolienne de 15 MW [2]. Le code de simulation aéro-servo-élastique DeepLines WindTM [3] sera utilisé pour caractériser les chargements vus par une pale lors de différentes phases de fonctionnement de l’éolienne. Le/la stagiaire utilisera ces résultats de simulation pour générer un chargement qu’il/elle appliquera à un modèle éléments-finis 3D détaillé d’une pale de l’éolienne, déjà construit à IFPEN dans le logiciel ABAQUSTM. Il/elle pourra ainsi caractériser finement le comportement de la pale face à des sollicitations représentatives des conditions rencontrées en opération, et identifier les zones critiques en termes de contraintes.

Enfin, ces résultats seront utilisés pour tester et comparer plusieurs méthodes d’estimation de la fatigue, identifiées dans la phase bibliographique, afin d’en faire une analyse critique. On pourrait donc arriver en fin de stage à une méthodologie complète, appliquée à un cas réaliste, potentiellement utilisable dans un cadre industriel.

Références
[1] G. Gudendorff, Rapport interne IFPEN, 2020
[2] E. Gaertner et al., “Definition of the IEA 15 MW Offshore Reference Wind Turbine,” International Energy Agency, 2020.
[3] http://www.principia-group.com/blog/product/deeplines-wind/

Profil recherché :

Niveau : Master 2

  • Compétences recherchées parmi : Mécanique des solides, méthode des éléments finis, matériaux composites, analyse de fatigue, Abaqus.

Durée du stage : 5 mois à partir de fin mars 2022
Lieu du stage : IFPEN à Rueil-Malmaison (92)
Encadrement : JL. PFISTER, N. GUY, C. CASTRO, Y. POIRETTE.

Envoyer CV et lettre de motivation à Jean-Lou PFISTER.


Advanced numerical study of a composite wind turbine blade for fatigue estimation

Due to the dual constraint of weight-strength and required aerodynamic performance, the blades of recent wind turbines have complex geometries (with initial bending and torsion) and a mechanical structure generally made of composite materials. These materials provide the best mechanical performance in terms of stiffness and/or strength for a given weight. Once in operation, the blades are subjected to cyclic loading due to the rotation of the turbine, which causes damage to the composites, leading to a progressive degradation of the mechanical properties. The question of estimating the fatigue life of components is fundamental, as it sets the time horizon after which the turbine will either have to be dismantled or repowered. Damage modes of composite materials being very diverse due to a complex microstructure, this estimation is nevertheless delicate.

The objective of the internship is to develop an advanced methodology for estimating wind turbine blades fatigue. To this end, two complementary actions will be undertaken.

The first aspect of the internship will focus on the available literature on the subject. The trainee will have to carry out a literature review on the evaluation of the fatigue of composite materials in general, and more specifically in the field of wind energy. The trainee will also be able to build on literature reviews already conducted at IFPEN in a different context [1].

A second aspect of the internship will consist in the application of the methods identified in the bibliographic phase to the case of the blades of a 15 MW wind turbine [2]. The DeepLines WindTM aero-servo-elastic simulation code [3] will be used to characterise the loads seen by a blade during different phases of the wind turbine's operation. The trainee will use these simulation results to generate a loading that he/she will take as an input of a detailed 3D finite element model of a wind turbine blade, already built at IFPEN within the ABAQUSTM software. He/she will thus be able to finely characterise the behaviour of the blade subjected to loads representative of the conditions encountered in operation, and to identify the critical zones in terms of stresses. Finally, these results will be used to test and compare several methods of fatigue estimation, identified in the bibliographic phase. We could therefore arrive at the end of the internship at a complete methodology, applied to a realistic case, potentially usable in an industrial setting.

References
[1] G. Gudendorff, Rapport interne IFPEN, 2020
[2] E. Gaertner et al., “Definition of the IEA 15 MW Offshore Reference Wind Turbine,” International Energy Agency, 2020.
[3] http://www.principia-group.com/blog/product/deeplines-wind/

Your profile : 

2022 Master’s degree internship

  • Desired skills (from among) : Solid mechanics, finite-elements method, composite materials, Abaqus.

Duration of the internship: 5 months, starting end of March 2022
Location: IFPEN, Rueil-Malmaison (92), France
Advisory team: JL. PFISTER, N. GUY, C. CASTRO, Y. POIRETTE

Contact: Send CV and cover letter : Jean-Lou PFISTER


(PDF - Max : 5 Mo)
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