Temperature effects on the static, dynamic and fatigue behaviour of composite materials used in wind turbine blades

Résumé

Plusieurs régions du Canada sont balayées par des vents très propices à la production d’énergie éolienne. Toutefois, ces régions sont souvent éloignées des grands centres et soumises à des climats atypiques pour l’industrie éolienne. Le niveau d’incertitude sur la durabilité des turbines et la rentabilité des projets de centrales est donc élevé et le développement est limité. Parmi les nombreuses incertitudes reliées aux conditions d’opération au Canada, on retrouve, entre autres, celles portant sur la durabilité des pales en conditions nordiques. L’objectif de cette thèse est donc de clarifier l’influence de la température et du taux de chargement sur la rigidité, la résistance et le comportement en fatigue des matériaux composites utilisés dans le domaine de l’énergie éolienne. L’attention sera fixée sur les composites verre-époxy, qui sont prédominants pour la fabrication des pales. Aussi, une pale d’éolienne est essentiellement une poutre chargée par une combinaison d’efforts axiaux, de flexion dans le plan et hors du plan du rotor ainsi que de torsion. Pour resister à ces efforts, les différentes parties sont faites de stratifiés principalement constitués de renforts longitudinaux et de couches à ±45◦. Afin de faciliter la compréhension des mécanismes en jeux, deux configurations d’empilements seront étudiées, soit: • Le stratifié unidirectionnel chargé dans le sens des renforts, qui est la constituante principale des structures portantes de la pale. • Le stratifié [±45]s, qui procure la rigidité et la résistance au cisaillement pour la structure de type poutre qu’est une pale. La plage de température considérée est limitée à celle que l’on peut légitimement espérer observer au cours de la vie utile d’une turbine exposée au climat canadien, soit un froid hivernal extrême de -40℃ et un maximum estival de 60℃ pour une surface directement exposée au rayonnement solaire estival. Les fréquences de fatigue considérées se limitent aussi à un maximum de 24 Hz. Les résultats obtenus montrent que la résistance et la rigidité mesurées lors d’essais quasi statiques sont fortement influencées, tant à basse qu’à haute température. Une basse température produit une hausse marquée des deux propriétés, alors qu’une haute température sera délétère. Toutefois, bien que la tendance observée en statique à haute température soit retrouvée en fatigue, une basse température semble avoir un effet bien moins marqué en fatigue (surtout pour les composites unidirectionnels). Les courbes S–N subissent une combinaison de décalage et de changement de pente sous l’effet de la température. À basse température, ce changement de pente favorise la résistance à la fatigue pour des charges élevées, mais en contrepartie de vies réduites pour des chargements de fatigue faibles. Cette situation est susceptible d’être particulièrement importante pour les pales d’éoliennes puisqu’elles opèrent généralement à des basses contraintes de fatigue, mais sur de très longues périodes. Les effets de la fréquence se sont avérés peu marqués dans la plage étudiée, mais les résultats montrent tout de meme la possibilité d’une légère diminution de la vie en fatigue lorsque la fréquence augmente. Une méthodologie permettant de prédire, à partir d’un minimum d’expérience en régime quasi statique, les changements dus à la température sur la courbe S–N probabiliste d’un stratifié dont une majorité de renforts sont alignés avec la charge est suggérée. La méthodologie est basée sur un modèle de dégradation cyclique de la résistance, don't les paramètres varient avec la température d’une manière pouvant être corrélée avec l’effet de la température sur la résistance en statique. Comme cette dernière est aussi un paramètre du modèle, une fonction décrivant les effets de la température sur la résistance en statique est aussi présentée. Les prédictions des modèles de résistance statique et de celui de fatigue concordent très bien avec l’expérience (et ce à différente probabilité de survie pour le cas de la fatigue). Finalement, des modèles permettant de décrire l’influence de la température sur la résistance mécanique, ainsi que sur les modules de conservation et de perte et pour plusieurs transitions sont proposés. Une modélisation des effets de la fréquence sur le module de conservation et sur la température de transition vitreuse est aussi développée. Ces modèles permettent une excellente représentation du comportement viscoélastique dynamique des polymères et composites sur lesquels ils ont étés validés (époxy et composites à matrice époxy). En plus de permettre une définition sans ambiguité de la temperature de transition vitreuse, le modèle permet d’évaluer les effets de la température et de la fréquence sur le module de conservation sans avoir recours au principe de superposition temps-température. Les résultats obtenus montrent que si le facteur de décalage en superposition temps-température est calculé à partir du modèle, il est continu de part et d’autre de la transition vitreuse. Ce résultat suggère que la discontinuité communément attendue à ce point n’est possiblement qu’un artefact provenant du fait que la dependence à la fréquence de la température de transition vitreuse est négligée dans les approaches conventionnelles.

Date	26 oct. 2017
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Simon Joncas (Directeur(-trice)) & Christian Masson (Codirecteur(-trice))