Modélisation plastique bi-linéaire de l’usure de matériaux abradables : application aux turbo-machines

Mathias Legrand,Christophe Pierre

doi:10.1051/meca/2010030

Abstract

Une prise en compte simplifiée et macroscopique de l’usure des matériaux abradables dans les moteurs d’avion est proposée. Ces revêtements sont positionnés sur les carters au niveau des sommets d’aubes. Plus spécifiquement, il s’agit d’inclure, au sein d’une procédure d’intégration en temps explicite dédiée à l’étude de l’interaction aube-carter par contact mécanique, la prise en compte de l’évolution du profil d’usure en temps réel. Ce profil est mis à jour grâce à une loi de comportement plastique de l’abradable. Afin de maintenir des temps de calcul adaptés à des analyses paramétriques, les équations du mouvement de l’aube étudiée sont projetées sur un espace réduit construit selon la procédure de synthèse modale de Craig-Bampton. Ce choix est motivé par la possibilité de traiter les contraintes de contact et les conditions d’usure directement dans l’espace réduit. Il est montré que le comportement de ce matériau est à l’origine de zones d’interaction dangereuses vis-à-vis de la stabilité de l’aube. Sous certaines conditions, l’utilisation de revêtements abradables semble très défavorable.

Highlights

La nécessité constante de réduire les coûts d’achat et de fonctionnement des moteurs d’avion pousse les constructeurs à développer des stratégies innovantes comme, par exemple, l’intégration de matériaux composites légers capables de résister à des températures élevées ou la mise en œuvre de méthodes d’optimisation dédiées à une meilleure efficacité aérodynamique des aubages
La présente étude se limite à la configuration d’une aube, légèrement plus longue que ses voisines, qui vient en contact avec un carter structurellement insensible à l’interaction du fait de ses propriétés mécaniques
Du fait des hypothèses de travail concernant le matériau abradable, la plasticité est ici rappelée dans sa forme uni-axiale avec compression uniquement

Summary

Introduction

La nécessité constante de réduire les coûts d’achat et de fonctionnement des moteurs d’avion pousse les constructeurs à développer des stratégies innovantes comme, par exemple, l’intégration de matériaux composites légers capables de résister à des températures élevées ou la mise en œuvre de méthodes d’optimisation dédiées à une meilleure efficacité aérodynamique des aubages. C’est dans ce contexte que sont développés les matériaux abradables disposés en revêtement sur la circonférence du carter faisant face aux sommets d’aubes. Malheureusement, il a été détecté expérimentalement que l’usure des revêtements abradables jouait un rôle clé dans l’apparition de comportements instables au niveau des pieds d’aubes. La présente étude se limite à la configuration d’une aube, légèrement plus longue que ses voisines, qui vient en contact avec un carter structurellement insensible à l’interaction du fait de ses propriétés mécaniques. Afin d’obtenir des temps de calcul propices à des études paramétriques, la dynamique de l’aube est réduite par la méthode de Craig-Bampton. Ces déplacements physiques sont ceux des nœuds en sommet d’aube afin de pourvoir traiter directement les conditions de contact et d’usure. Après la vérification de la convergence en temps et en espace de l’outil numérique proposé, l’analyse porte sur les différents types de comportement vibratoire de l’aube en fonction des caractéristiques matériau de l’abradable

Modèles et équations du mouvement

Rappels sur la plasticité

Intégration numérique et résolution

Résultats

Conclusion