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Etude de nocivité de défauts des attaches des ailettes terminales des rotors BP100
Journée Utilisateurs
Salome_Meca et Code_Aster
26/03/2015
RICOU Elodie R&D/AMA/T66
LES ATTACHES DES AILETTES TERMINALES
77 ailettes terminales / 77 attaches par disque
Attaches en ‘pied de sapin’
Profil Curviligne
10 crans par attache
2 – Journée Utilisateurs Salome-Meca et Code_Aster – 26 mars 2015 Copyright EDF SA
LES ATTACHES DES AILETTES TERMINALES
3 – Journée Utilisateurs Salome-Meca et Code_Aster – 26 mars 2015 Copyright EDF SA
Découverte de fissures
Fissures découvertes en fond de cran des attaches des ailettes terminales BP100
REX parc français et international.
Risque d’accidents graves pour la turbine (départ d’ailette terminale).
Maintien de la disponibilité des tranches CP2-1300. Renforcement des contrôles / usinage des fissures.
Enjeux Parc
PROBLEMATIQUE : MAINTENANCE DES ATTACHES ?
Peut-on redémarrer ?
Besoin d’un outil de diagnostic rapide.
4 – Journée Utilisateurs Salome-Meca et Code_Aster – 26 mars 2015 Copyright EDF SA
I. Contexte - Objectifs
II. Développement du modèle complet
III. Validation du modèle simplifié
IV. Méthode générique de l’étude de nocivité
V. Conclusions - Perspectives
PLAN
5 – Journée Utilisateurs Salome-Meca et Code_Aster – 26 mars 2015 Copyright EDF SA
Modèle simplifié Modèle complet
CONTEXTE
Modélisation du CONTACT => Calculs non-linéaires
Pressions appliquées sur les crans=> Calculs linéaires
6 – Journée Utilisateurs Salome-Meca et Code_Aster – 26 mars 2015 Copyright EDF SA
2
Quid du chargement sur les crans de l’attache :
représentatif de l’effort transmis par contact entre l’ailette et l’attache ?
influence des fissures sur ce chargement des crans?
Objectifs techniques :
Développement du modèle complet robuste et performant.
Convergence du modèle complet avec contact + fissures.
Validation du modèle simplifié de diagnostic rapide.
Nécessité d’un modèle complet {attache + ailette} avec contact sur les crans
OBJECTIFS
7 – Journée Utilisateurs Salome-Meca et Code_Aster – 26 mars 2015 Copyright EDF SA
Scripts python permettant de générer des maillages ‘sur-mesure’ avec Salomé en fonction :
- des zones d’intérêt,
- du phénomène à étudier,
- des performances recherchées.
Optimisation du nombre de DDL : performance / précision.
Script de génération de maillage paramétrable avec Salomé
Modélisation - calcul
Calcul de référence sur structure ‘saine’ (contact)
Récupération du chargement sur les crans : pression de contact.
Calculs sur structure fissurée (contact + X-FEM)
Récupération du chargement sur les crans en présence de fissure
Etudes de nocivité
DEVELOPPEMENT DU MODELE COMPLET
8 – Journée Utilisateurs Salome-Meca et Code_Aster – 26 mars 2015 Copyright EDF SA
Script python-Aster permettant de renseigner la géométrie et localisation d’une fissure :
- Type de fissure : CIRCONFERENTIELLE, ELLIPSE
- CRAN : SUP, MDS, MED, MDI, INF
- Taille : demi-grand axe, demi-petit axe/ profondeur
- Niveau de raffinement : GROSSIER, MOYEN, FIN
raffinement réalisé avec HOMARD via la commande Aster MACR_ADAP_MAIL
Script de raffinement automatique du maillage autour de la fissure
Modélisation XFEM des fissures
Pas de maillage de la fissure !
enrichissement de l’élément fini avec fonction saut pour les déplacements et fonction singulière pour les contraintes.
DEVELOPPEMENT DU MODELE COMPLET
9 – Journée Utilisateurs Salome-Meca et Code_Aster – 26 mars 2015 Copyright EDF SA
Exemples de maillages générés avec Salomé
Grossier Fin
40 000 noeuds 300 000 noeuds
DEVELOPPEMENT DU MODELE COMPLET
10 – Journée Utilisateurs Salome-Meca et Code_Aster – 26 mars 2015 Copyright EDF SA
Conditions limites
Chargement Effort volumique centrifuge (1500 tours/min)
Blocage des mouvements de corps rigides
Répétivité cyclique
Comportement Elastique
Éléments ‘mous’
DEVELOPPEMENT DU MODELE COMPLET
Contact Formulation ‘CONTINUE’
ALGO : NEWTON_GENERALISE
11 – Journée Utilisateurs Salome-Meca et Code_Aster – 26 mars 2015 Copyright EDF SA
Influence du raffinement de l’ailette sur la répartition du chargement sur les
crans
Optimisation de la discrétisation du voile.
n_h_v
DEVELOPPEMENT DU MODELE COMPLET
12 – Journée Utilisateurs Salome-Meca et Code_Aster – 26 mars 2015 Copyright EDF SA
Raffinement
voile (n_h_v)
Extrados Intrados
25 52,3% 47.7%
80 49.6% 50.4%
120 49.5% 50.5%
Constructeur 49.5% 50.5%
Répartition des contraintes dans la structure
Concentration des contraintes à l’intersection de la gorge de jonc d’arrêt et du
cran inférieur côté extrados : lieu d’amorçage de fissures.
DEVELOPPEMENT DU MODELE COMPLET
13 – Journée Utilisateurs Salome-Meca et Code_Aster – 26 mars 2015 Copyright EDF SA
Comparaison avec les études constructeur
Répartition de l’effort entre les différents crans (% de l’effort centrifuge de l’ailette)
Profil de la pression linéique le long des crans (N/mm)
Maximum de contrainte principale en fond de cran (MPa)Cri
tère
s
DEVELOPPEMENT DU MODELE COMPLET
14 – Journée Utilisateurs Salome-Meca et Code_Aster – 26 mars 2015 Copyright EDF SA
CRAN Extrados Intrados Total
SUP 13,4% 11,7% 25,1%
MDS 7,8% 7,9% 15,7%
MED 7,2% 7,5% 14,7%
MDI 7,8% 8,1% 15,9%
INF 13,3% 15,3% 28,6%
Total 49,5% 50,5% 100,0%
Répartition de la charge entre les différents crans
Crans inférieurs plus chargés sur le modèle R&D.
Basculement plus important sur le modèle R&D.
Constructeur
CRAN Extrados Intrados Total
SUP 13,1% 11,5% 24,6%
MDS 8,5% 8,6 % 17,1%
MED 8,0% 8,6% 16,6%
MDI 8,7% 9,3% 18,1%
INF 11,2% 12,5% 23,7%
Total 49,5% 50,5% 100,0%
R&D
DEVELOPPEMENT DU MODELE COMPLET
15 – Journée Utilisateurs Salome-Meca et Code_Aster – 26 mars 2015 Copyright EDF SA
Influence du frottement sur la répartition de la charge sur les crans
Avec du frottement, le côté intrados de l’attache est plus chargé que le côté extrados.
C=0 Extrados Intrados Total
SUP 13,4% 11,7% 25,1%
MDS 7,8% 7,9% 15,7%
MED 7,2% 7,5% 14,7%
MDI 7,8% 8,1% 15,9%
INF 13,3% 15,3% 28,6%
Total 49,5% 50,5% 100,0%
C=0.2 Extrados Intrados Total
SUP 11,7% 13,5% 25,1%
MDS 7,1% 8,5% 15,6%
MED 6,7% 7,8% 14,5%
MDI 7,4% 8,4% 15,8%
INF 13,6% 15,4% 29,0%
Total 46,5% 53,5% 100,0%
C=0.3 Extrados Intrados Total
SUP 11,5% 14,0% 25,5%
MDS 7,0% 8,6% 15,6%
MED 6,6% 7,8% 14,4%
MDI 7,3% 8,3% 15,6%
INF 13,6% 15,3% 28,9%
Total 45,9% 54,1% 100,0%
C coefficient de frottement
DEVELOPPEMENT DU MODELE COMPLET
16 – Journée Utilisateurs Salome-Meca et Code_Aster – 26 mars 2015 Copyright EDF SA
Calcul de référence avec contact (maillage fin):
Calcul avec contact-frottant :
Calcul avec contact + XFEM :
Comment ?
optimisation du raffinement et de la qualité du maillage,
choix des solveurs (MUMPS),
utilisation du calcul parallèle (32 processeurs) sur le cluster Aster5.
<1H pour 10e6 DDL3000 nœuds en contact
Modèle CPU
Sans frottements 1h
0.2 2h40min
0.3 5h
<15min pour 2.5e5 DDL1400 nœuds en fond de fissure
DEVELOPPEMENT DU MODELE COMPLET
17 – Journée Utilisateurs Salome-Meca et Code_Aster – 26 mars 2015 Copyright EDF SA
Contrainte principale maximale (MPa) en fond de cran :
COTE
CRANEXTRADOS INTRADOS
SIMPLIFIE COMPLET SIMPLIFIE COMPLET
SUPERIEUR 477 227 384 186
MEDIAN SUP 593 305 464 198
MEDIAN 648 352 416 206
MEDIAN INF 901 526 434 260
INFERIEUR 3134 2578 1005 612
Maximum au niveau du cran inférieur côté extrados (gorge de jonc d’arrêt)
Sur les autres crans, modèle complet moins contraint (rapport 2).
Courbes Résultats
R&D
EV EV SVSV
VALIDATION DU MODELE SIMPLIFIE
18 – Journée Utilisateurs Salome-Meca et Code_Aster – 26 mars 2015 Copyright EDF SA
Influence d’une fissure sur la répartition du chargement sur les crans
Report de la charge du cran fissuré vers les autres crans.
Faible influence des fissures sur le chargement des crans.
SAIN Extrados Intrados Total
SUP 13,4% 11,7% 25,1%
MDS 7,8% 7,9% 15,7%
MED 7,2% 7,5% 14,7%
MDI 7,8% 8,1% 15,9%
INF 13,3% 15,3% 28,6%
Total 49,5% 50,5% 100,0%
CIRC P=5 Extrados Intrados Total
SUP13.9% 12.5% 26.4%
MDS8,3% 8,4% 16.8%
MED8,1% 7.8% 15.9%
MDI9,2% 8,0% 17.2%
INF10.0% 13.9% 23.8%
Total 49.4% 50.6% 100.0%
Sain
Fiss
uré
VALIDATION DU MODELE SIMPLIFIE
19 – Journée Utilisateurs Salome-Meca et Code_Aster – 26 mars 2015 Copyright EDF SA
12 fissures modélisées
avec X-FEM
Fissure circonférentielle de 5mm de profondeur
METHODE GENERIQUE DE L’ETUDE DE NOCIVITE
Mise en données Raffinement du maillage
Fissures X-FEMCalcul critères rupture
Lancement calcul
GéométriePosition MACR_ADAP_MAIL
DEFI_FISS_XFEM
MECA_STATIQUESTAT_NON_LINE
POST_K1_K2_K3CALC_G
2
3
4
5
Script de raffinement automatique
Maillage
ModèleFichier de
commandes Aster
20 – Journée Utilisateurs Salome-Meca et Code_Aster – 26 mars 2015 Copyright EDF SA
1
Acquis études :
1. Développement d’un modèle complet performant.
2. Validation du modèle simplifié.
3. Mise en place d’une méthode générique d’étude de défauts des attaches.
Acquis outils :
Solveurs : calculs non-linéaires sur structure industrielle avec 10 surfaces de
contact (3000 nœuds) et présence de fissure X-FEM, calculs parallèles.
Maillage : scripts de maillage paramétrique.
Mécanique de la rupture : raffinement de maillage, fissure X-FEM, calcul des
critères.
Perspectives :
Calculs dynamiques, passage en quadratique, amorçage, propagation, analyse
modale, … , etc.
CONCLUSIONS - PERSPECTIVES
21 – Journée Utilisateurs Salome-Meca et Code_Aster – 26 mars 2015 Copyright EDF SA
Cas de la fissure circonférentielle de 1 mm de profondeur :
Utilisation du script de raffinement automatique de maillage autour du fond
de fissure.
Modélisation de la fissure avec la méthode XFEM.
METHODE GENERIQUE DE L’ETUDE DE NOCIVITE
23 – Journée Utilisateurs Salome-Meca et Code_Aster – 26 mars 2015 Copyright EDF SA
Cas de la fissure circonférentielle de 1 mm de profondeur :
Utilisation du script de raffinement automatique de maillage autour du fond de fissure.
Modélisation de la fissure avec la méthode XFEM.
Taille des éléments en fond de fissure h 1.2E-4 m
Rayon de la zone raffinée 8e-4 m
Nombre de nœuds en fond de fissure 1387
METHODE GENERIQUE DE L’ETUDE DE NOCIVITE
24 – Journée Utilisateurs Salome-Meca et Code_Aster – 26 mars 2015 Copyright EDF SA
Cas de la fissure circonférentielle de 1 mm de profondeur :
Gain de marges sur les critères de rupture par rapport au modèle simplifié.
Préconisation de méthodes pour le calcul des critères de mécanique de
la rupture.
K1 K2 K3
METHODE GENERIQUE DE L’ETUDE DE NOCIVITE
25 – Journée Utilisateurs Salome-Meca et Code_Aster – 26 mars 2015 Copyright EDF SA
Entrée vapeur
Sortie vapeur