Calcul de la durée de vie en fretting d’une attache pale/disque de turbomachine soumise à un chargement vibratoire
Résumé
Fretting has been the subject of numerous experimental investigations. It occurs when two surfaces rub against each other at low amplitude (some tens of microns of sliding distance). If the tangential force Q is lower than the product of the friction coefficient μ and the normal force P, two different zones can be observed within the contacting zone. At the center, both surfaces are sticked to each other while they have a relative motion in the annular zone. This is the partial slip regime. The corresponding dominant failure is crack initiation located at the edges of the contact area. Fretting is present in a blade-disc attachment of a turboshaft engine. It is due to the superimposition of two fatigue stresses: a low frequency loading (LCF), induced by the centrifugal force from the rotation of the disc, and a high frequency loading (HCF), which is a sinusoidal force induced by vibrations. It's a difficult phenomenon to model and industries are not capable of predicting it with good accuracy yet. Instead, they are forced to use huge safety factors. Therefore, the prediction of the lifetime of a blade disc assembly under fretting has now become a major issue in the field of turboshaft engineering. A major difficulty of providing such a prediction comes from the complication of determining the stress and strain fields in the vicinity of the contact. A suitable mesh size and quality makes it possible to overcome this problem. A finite element calculation process to compute the stress field under a fretting contact induced by a superimposed LCF + HCF solicitation in a fir-tree root is presented. The combination of this process with the Dang Van fatigue criterion allows the calculation of a criticality parameter related to the life cycle. This modeling process is first applied on a model representing an innovative test device, designed at Safran Helicopter Engines, allowing the superimposition of a static and a vibratory loading on a dovetail test specimen. The model reproduces experimental observations with good accuracy. This modeling process is then applied to the model representing a real fir-tree root geometry.
Le fretting a fait l'objet de nombreuses recherches expérimentales. Il se caractérise par deux surfaces qui frottent l'une contre l'autre à faible amplitude (quelques dizaines de microns de distance de glissement). Si la force tangentielle Q est inférieure au produit du coefficient de frottement μ et de la force normale P, deux zones différentes peuvent être observées dans la zone de contact. Au centre, les deux surfaces sont collées l'une à l'autre alors qu'elles ont un 23 ème Congrès Français de Mécanique Lille, 28 Août au 1 er Septembre 2017 mouvement relatif en bordure de contact. Il s'agit du régime de glissement partiel. L'endommagement dominant associé est l'amorçage de fissures situées aux bords de la zone de contact. Le fretting est présent dans une attache pale/disque d'une turbomachine. Il résulte de la superposition de deux contraintes de fatigue: une charge basse fréquence (LCF), induite par la force centrifuge provenant de la rotation du disque, et une charge haute fréquence (HCF), qui est une force sinusoïdale induite par les vibrations. C'est un phénomène difficile à modéliser et les industriels ne sont pas encore capables de le prédire avec une bonne précision. Ils sont contraints d'utiliser d'importants facteurs de sécurité. Par conséquent, la prédiction de la durée de vie d'un ensemble pale/disque sous sollicitation de fretting est maintenant devenue un problème majeur dans le domaine de l'ingénierie des turbomachines. L'un des principaux obstacles à cette prédiction est la détermination des champs de contrainte et de déformation au voisinage du contact. Une taille et une qualité de maillage appropriées permettent de surmonter ce problème. Un processus de calcul d'éléments finis pour calculer le champ de contrainte sous un contact de fretting induit par une sollicitation LCF + HCF dans une attache pale/disque est présenté. La combinaison de ce procédé avec le critère de fatigue de Dang Van permet de calculer un paramètre de criticité lié à la durée de vie. Ce procédé de modélisation est d'abord appliqué sur un modèle représentant un dispositif d'essai innovant, conçu chez Safran Helicopter Engines, permettant la superposition d'une charge statique et vibratoire sur une éprouvette en queue d'aronde. Le modèle reproduit les observations expérimentales avec une très bonne précision. Ce processus de modélisation est ensuite appliqué au modèle représentant une véritable géométrie de l'attache pale/disque.
Origine : Fichiers produits par l'(les) auteur(s)
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