FABRICATION ET ESSAI DES PRÉPROTOTYPES

FABRICATION ET ESSAI DES PRÉPROTOTYPES

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Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 REVUE DE LA LITTÉRATURE
1.1 Les turbines Francis
1.2 Utilisation des matériaux composites dans le domaine marin
1.2.1 Utilisations navales et fabrication d’hélices
1.2.2 Fabrication de pales d’hydroliennes en matériaux composites
1.2.3 Fabrication d’ailes immergées en acier et en matériaux composites
1.3 Utilisation de matériaux composites dans des projets de GE
1.3.1 Auget de turbine Pelton en matériau composite
1.3.2 Extensions d’aube avant-directrice
1.4 Les joints de collage
1.4.1 Configurations géométriques de joint de collage
1.4.1.1 Joint en recouvrement simple
1.4.1.2 Joints en recouvrement double
1.4.1.3 Joints en biseau
1.4.1.4 Joints en recouvrement échelonné
1.4.2 Caractérisation mécanique de joints collés
1.4.3 Modélisation numérique des joints collés
1.5 Influence de l’immersion en eau sur le comportement mécanique des matériaux
1.5.1 Vieillissement des polymères
1.5.2 Vieillissement des matériaux composites
1.5.3 Influence de l’immersion en eau sur la résistance de joints collés
1.6 Adhésion et traitements de surface
1.6.1 Traitements de surface des aciers
1.6.2 Traitements de surface des résines époxy
CHAPITRE 2 SÉLECTION ET CARACTÉRISATION DES MATÉRIAUX
2.1 Conditions d’utilisation du bord de fuite d’aube
2.1.1 Conditions de chargement mécanique
2.1.1.1 Chargement statique
2.1.1.2 Chargement dynamique
2.1.2 Conditions environnementales
2.1.3 Durée de vie
2.2 Sélection de la configuration géométrique du joint de l’aube
2.3 Sélection des matériaux et traitements de surface
2.3.1 Matériaux composites
2.3.1.1 Nature du renfort
2.3.1.2 Types de structures de renfort
2.3.1.3 Matrices
2.3.1.4 Empilement
2.3.1.5 Méthode de mise en forme
2.3.2 Adhésifs
2.3.3 Cœur
2.3.4 Traitements de surface de l’acier inoxydable
2.3.4.1 Usinage
2.3.4.2 Grenaillage
2.3.4.3 Traitement acide
2.3.4.4 Traitement au primer de Silane
2.3.5 Traitements de surface du matériau composite
2.3.5.1 Arrachement de tissu
2.3.5.2 Ponçage
2.4 Évaluation statistique des données expérimentales
2.4.1 Critère de rejet des valeurs expérimentales aberrantes
2.4.2 Tests d’hypothèse
2.5 Caractérisation de l’absorption d’eau de matériaux composites
2.5.1 Fabrication des éprouvettes
2.5.1.1 Mise en forme de plaques en matériau composite
2.5.1.2 Découpe de plaquettes en matériau composite
2.5.2 Réalisation de l’essai
2.5.3 Analyse des résultats
2.6 Caractérisation des propriétés mécaniques des matériaux composites
2.6.1 Essais mécaniques des matériaux composites après vieillissement en eau 39 2.6.1.1 Essai de traction
2.6.1.2 Analyse des résultats
2.6.2 Essais mécaniques du matériau composite retenu
2.6.2.1 Fabrication des éprouvettes
2.6.2.2 Conditionnement des éprouvettes

2.6.2.3 Essais de traction.
2.6.2.4 Analyse des résultats
2.7 Absorption d’eau d’époxys de coulée
2.7.1 Fabrication des éprouvettes
2.7.2 Essai expérimental
2.7.3 Analyse des résultats
2.8 Caractérisation des propriétés mécaniques d’époxy de coulée

2.8.1 Essai mécanique
2.8.2 Analyse des résultats
2.9 Caractérisation du retrait thermique de la résine L
2.9.1 Essai expérimental
2.9.2 Analyse des résultats
2.10 Caractérisation de la résistance de joints collés
2.10.1 Fabrication des éprouvettes de joints collés
2.10.1.1 Fabrication des plaquettes d’acier inoxydable
2.10.1.2 Traitements de surface des plaquettes d’acier inoxydable
2.10.1.3 Fabrication des plaquettes en matériau composite
XV
2.10.1.4 Traitements de surface des plaquettes en matériau composite
2.10.1.5 Assemblage des éprouvettes
2.10.2 Conditionnement des éprouvettes
2.10.3 Essais mécaniques
2.10.4 Analyse des résultats
2.10.4.1 Résultats des séries 1 et 2
2.10.4.2 Résultats de la série 3
2.10.4.3 Résultats des séries 4 et 7
2.10.4.4 Résultats de la série 5
2.10.4.5 Résultats de la série 6
2.10.4.6 Résultats de la série 8
2.10.5 Recommandations
2.11 Caractérisation physique et chimique des surfaces de collage
2.12 Résumé des matériaux retenus
CHAPITRE 3 CONCEPTION ET ANALYSE NUMÉRIQUE DE LA ROUE À BORD DE FUITE MINCE EN MATÉRIAU COMPOSITE
3.1 Évaluation du facteur de concentration de contrainte dans les joints collés .79 3.2 Tracé d’aube
3.3 Modélisation et analyse numérique de la roue avec ABFM en acier
3.3.1 Modélisation géométrique
3.3.2 Définition du matériau
3.3.3 Conditions aux frontières
3.3.4 Conditions de chargement
3.3.4.1 Conditions normales d’opération
3.3.4.2 Conditions d’emballement
3.3.5 Analyse des résultats
3.3.6 Validation de la méthode d’analyse numérique
3.4 Conception et analyse numérique de la roue avec aube sans bord de fuite 3.4.1 Modélisation géométrique de roues avec aube sans bord de fuite
3.4.2 Analyse numérique
3.5 Analyse numérique de la roue à ABFM en matériau composite
3.5.1 Modélisation géométrique
3.5.2 Modélisation du cœur d’époxy
3.5.3 Modélisation de la coque
3.5.4 Conditions du modèle
3.5.5 Analyse des résultats
3.6 Analyse numérique du bord de fuite de l’aube à coque quasi isotrope
3.6.1 Modélisation géométrique du bord de fuite
3.6.2 Conditions de chargement et conditions aux frontières
3.6.3 Analyse des résultats
3.7 Analyse numérique du bord de fuite de l’aube à coque isotrope
3.7.1 Description du modèle
3.7.2 Analyse numérique
3.8 Analyse numérique du bord de fuite de l’aube avec un chargement ponctuel
3.8.1 Évaluation d’un chargement ponctuel équivalent
3.8.2 Évaluation de la charge à la rupture du modèle
3.9 Recommandation
CHAPITRE 4 FABRICATION ET ESSAI DES PRÉPROTOTYPES
4.1 Conception des préprototypes
4.2 Fabrication des préprototypes
4.2.1 Fabrication de la portion en acier
4.2.2 Fabrication de la coque en matériau composite
4.2.2.1 Fabrication du moule pour préprototypes
4.2.2.2 Mise en forme de la coque en matériau composite
4.2.3 Assemblage de la coque à la portion en acier
4.2.3.1 Préparation des surfaces de collage
4.2.3.2 Collage
4.2.4 Coulée du cœur de résine époxy
4.3 Essai des préprototypes
4.3.1 Banc d’essai
4.3.2 Essai de flexion
4.4 Analyse des résultats
4.5 Recommandations
CHAPITRE 5 FABRICATION DU PROTOTYPE
5.1 Fabrication de la portion en acier
5.1.1 Analyse dimensionnelle de l’aube originale
5.1.2 Découpe du bord de fuite de l’aube
5.1.3 Adaptation de la géométrie aux contraintes de fabrications
5.1.3.1 Adaptation à l’absence de congés de raccordement
5.1.3.2 Adaptation aux contraintes d’usinage
5.1.4 Usinage de l’aube
5.1.4.1 Usinage à la géométrie théorique
5.1.4.2 Usinage d’adaptation à la déformation de l’aube
5.1.5 Meulage de l’aube
5.2 Fabrication de la coque en matériau composite
5.2.1 Adaptation de la géométrie à celle de la portion en acier
5.2.2 Sélection de la méthode de mise en forme
5.2.3 Fabrication du moule
5.2.4 Mise en forme de la coque en matériau composite
5.2.4.1 Traitement de surface du moule
5.2.4.2 Découpe de renfort
5.2.4.3 Laminage de la peau
5.2.4.4 Mise en forme de la coque par moulage pressé
5.2.4.5 Ébavurage et découpe de la coque
5.2.5 Recommandations
5.3 Assemblage de la coque à la portion en acier de l’aube
5.3.1 Préparation des surfaces de collage
5.3.2 Collage
5.3.2.1 Préparation au collage
5.3.2.2 Collage sous vide
5.4 Injection du cœur d’époxy
5.4.1 Scellement des ouvertures
5.4.2 Première étape d’injection
5.4.3 Deuxième étape d’injection
5.5 Résultat final
5.6 Recommandation
CONCLUSION
RECOMMANDATIONS
ANNEXE I CONFIGURATION GÉOMÉTRIQUE DE JOINTS ASSEMBLÉS PAR COLLAGE
ANNEXE II CONGÉ DE RACCORDEMENT DE L’AUBE LA ROUE À ABFM EN ACIER À LA JONCTION DU PLAFOND
ANNEXE III SIMULATION NUMÉRIQUE DE L’ESSAI PRÉLIMINAIRE DE JOINTS COLLÉS
ANNEXE IV DÉTAILS DU MODÈLE DE ROUE À ABFM EN ACIER 179 ANNEXE V ANALYSE DE CONVERGENCE DU MODÈLE DE ROUE AVEC ABFM EN ACIER 183 ANNEXE VI PROGRAMME MATLAB DE TEST D’HYPOTHÈSE SUR DEUX MOYENNES
ANNEXE VII ÉVALUATION DU COUPLE DE SERRAGE DES BOULONS DES SERRE-JOINTS DES JOINTS COLLÉS
ANNEXE VIII FABRICATION DU MOULE DE LA COQUE DU PROTOTYPE ANNEXE IX PROCÉDURE D’ASSEMBLAGE ET DE REMPLISSAGE DU PROTOTYPE D’AUBE
ANNEXE X MISE EN FORME DES COQUES DE PRÉPROTOTYPES 207 ANNEXE XI RÉSULTATS SUPPLÉMENTAIRES DES ESSAIS DE TRACTION D’ÉPOXY DE COULÉE
ANNEXE XII TRAITEMENTS DE SURFACE CHIMIQUES DES PLAQUETTES D’ACIER INOXYDABLE DES ÉPROUVETTES DE JOINT COLLÉ EN RECOUVREMENT SIMPLE
XVIII
ANNEXE XIII RECOMMANDATIONS RELATIVES À LA FABRICATION DE LA COQUE DU PROTOTYPE ANNEXE XIV PHOTOS SUPPLÉMENTAIRES DU PROTOTYPE
ANNEXE XV RÉSULTATS DES ESSAIS DE TRACTION LONGITUDINAL DES MATÉRIAUX COMPOSITES
ANNEXE XVI CARACTÉRISATION PHYSIQUE ET CHIMIQUE DES SURFACES DE COLLAGE
ANNEXE XVII DESCRIPTION DU MODÈLE NUMÉRIQUE DE JOINT COLLÉ
ANNEXE XVIII ANALYSE DE CONVERGENCE DES MODÈLES DE ROUE AVEC AUBES SANS BORD DE FUITE239 ANNEXE XIX DÉTAILS SUPPLÉMENTAIRES SUR L’ANALYSE NUMÉRIQUE DU MODÈLE D’AUBE COMPLÈTE À BORD DE FUITE EN MATÉRIAU COMPOSITE
ANNEXE XX DÉTAILS SUPPLÉMENTAIRES SUR L’ANALYSE NUMÉRIQUE DU MODÈLE DE BORD DE FUITE À COQUE QUASI ISOTROPE
ANNEXE XXI ÉVALUATION DES PROPRIÉTÉS ÉLASTIQUES ISOTROPES ÉQUIVALENTES DU STRATIFIÉ249 ANNEXE XXII ESSAI DE TRACTION SUPPLÉMENTAIRE DE L’ÉPOXY H
ANNEXE XXIII ESSAIS MÉCANIQUES DU MATÉRIAU COMPOSITE D
ANNEXE XXIV DÉTAILS SUPPLÉMENTAIRES SUR LES ESSAIS MÉCANIQUES DE JOINTS COLLÉS255 APPENDICE A DESSIN TECHNIQUE DE LA PORTION D’ACIER DES PRÉPROTOTYPES .257 APPENDICE B DESSINS TECHNIQUES DU MOULE DES COQUES DE PRÉPROTOTYPES .259 LISTE DE RÉFÉRENCES BIBLIOGRAPHIQUES.261