Résumé :
En 2020, en France, la Stratégie Nationale Bas Carbone a été mise en place afin d’atteindre le bilan carbone neutre en 2050. Le projet COSPHI, collaboratif entre les laboratoires CIMAP (Université Caen Normandie) et LOMC (Université du Havre) et financé par le LabEX EMC3, a pour objectif de proposer un outil de mesure in-situ de la santé matière d’une pâle d’éolienne off-shore pour optimiser sa durée de vie. Ce projet est une collaboration entre les laboratoires CIMAP (Université Caen Normandie) et LOMC (Université du Havre).
Ma thèse porte sur l’influence du vieillissement hydrique et des impacts mécaniques sur l’endommagement et le comportement mécanique résiduel de structures sandwich utilisées pour la fabrication de pâles d’éoliennes off-shore. Des échantillons sont complètement immergés dans de l’eau de mer à 40°C avec ou sans impact mécanique. Des essais de flexion avec un suivi des endommagements par émission acoustique permettent de mesurer le comportement mécanique en fonction de l’histoire du matériau.
La classification des salves acoustiques a confirmé la présence de 5 mécanismes d’endommagement :fissuration matricielle, décohésion fibre/matrice, peau/âme et délaminage pli/pli et rupture de fibres. Les évolutions des signatures acoustiques permettent de distinguer 3 phases de vieillissement. La première,absorption d’eau durant les 16 premières semaines, est marquée par une augmentation des descripteurs des salves acoustiques, principalement l’amplitude sonore, probablement à cause de la présence d’eau dans les éprouvettes. Durant la deuxième phase s’étalant de 16 à 60 semaines, avec un taux hydrique stabilisé, la réduction progressive des valeurs des descripteurs acoustiques traduit une altération des interfaces.
La phase de dégradation, à partir de 60 semaines d’immersion, associée à une hausse brusque des descripteurs montre que la détérioration touche le volume de la structure en plus des interfaces. Sur le plan macroscopique, au fur et à mesure du vieillissement hydrique, la tenue mécanique en flexion de la structure sandwich connaît une baisse continue et non-linéaire jusqu’à atteindre une probabilité de ruine accrue pour des niveaux de chargement faible. Un impact mécanique à 13,2 Joules, suffisant pour générer un endommagement localisé mais non critique, accélère cependant de manière notable la propagation des endommagements en créant autour de la zone impactée des amorces. Combiné à un vieillissement hydrique avancé un impact en service peut devenir un incident critique.
Mots-clés : Vieillissement hydrique, Endommagement, Tenue mécanique.
Influence of water aging on changes in residual mechanical behavior and damage to sandwich structures used for wind turbine blades offshore (EMR)
Abstract:
In 2020, in France, the National Low Carbon Strategy was implemented to achieve a neutral carbon footprint by 2050. The COSPHI project, a collaboration between the CIMAP (Université Caen Normandie) and LOMC (Université du Havre) laboratories and financed by LabEX EMC3, aims to propose an in-situ measurement tool of the material health of an offshore wind turbine blade to optimize its lifespan.
My thesis focuses on the influence of water aging and mechanical impacts on the damage and residual mechanical behavior of sandwich structures used for the manufacture of offshore wind turbine blades. Samples are immersed in seawater at 40°C with or without mechanical impact. Bending tests with damage monitoring by acoustic emission allow to measure the mechanical behavior according to the material history.
The classification of acoustic waves confirmed the presence of 5 damage mechanisms :matrix cracking, fiber/matrix decohesion, internal skin and skin/core delamination, fiber breakage. The changes in acoustic signatures allow to distinguish 3 aging phases. The first, water absorption phase during the first 16 weeks, is marked by an increase in the acoustic wave descriptors, mainly the sound amplitude, probably because of water in the specimens. During the second phase extending from 16 to 60 weeks, with a stabilized water content, the progressive reduction in the values of the acoustic descriptors reflects an alteration of the interfaces.
The degradation phase, from 60 weeks of immersion, with a sudden increase in the descriptors shows that the deterioration affects the volume of the structure in addition to the interfaces. On the macroscopic level, as the water ageing progresses, the mechanical resistance of the sandwich structure decreases continuously and non-linearly until reaching an failure for low loading levels. A mechanical impact at 13.2 Joules, sufficient to generate localized but non-critical damage, nevertheless significantly accelerates the propagation of damage by creating incipients around the impacted area. Combined with advanced water ageing, an impact in service can become a critical incident.
Keywords: Sandwich, Water aging, Damage, Acoustic emission, Mechanical behaviour.