Multiscale homogenization for a modal damping objective in the design of 3D woven composite blades
Homogénéisation multi-échelle pour un objectif d’amortissement modal dans la conception d’aubes composite tissé 3D
Résumé
The goal of this work is to control the damping of the first modes of the fan blade during the design phase.A numerical method for the viscoelastic homogenization of 3D woven composite materials is developed. Two homogenizations are made, at the yarn's scale and at the woven one. The complex modulus of the resin, the elastic properties of the yarns and the geometry of the microstructure allow a characterization of the damping in frequency and temperature. The matrix formulation of the homogenization, for a finite element implementation, allowed the use of model reduction techniques in parametric studies on the viscoelastic properties of the composite's constituents.A comparison of the numerical predictions with the modal damping obtained by modified Oberst test, for low frequencies and a range of temperature between -40°C and 120°C, provided coherent results in terms of absolute values and trends. These tests also show areas of stress gradient which are small compared to the weaving pattern size motivating the introduction of a verification methodology of the scale separation hypothesis at different wavelengths. The definition of the elastic and dissipated energy fractions by decomposition of the constitutive law into singular values allows an analysis of the main contributions to the damping at both 3D woven and fan blade scale.The insertion of a hybridized 3D woven composite with elastomer tows within the fan blade is proposed in order to increase the modal damping of the first flexion. A spatial study of the areas dissipating the most energy is performed to optimize the placement of the hybrid weaving pattern.
L'objectif de cette thèse est la maitrise de l'amortissement des premiers modes d'aube de soufflante dès la phase de conception.Une chaine numérique pour l'homogénéisation viscoélastique des matériaux composites tissés 3D est mise en place. Deux homogénéisations sont réalisées à l'échelle du toron et de l'armure tissée 3D. Le module complexe de la résine, les propriétés élastiques des fibres et la géométrie de la microstructure, permettent une prédiction de l'amortissement en fréquence et en température. La formulation matricielle de l'homogénéisation, adaptée à l'implémentation éléments finis, permet le recours à des techniques de réduction de modèle lors d'études paramétriques sur les propriétés viscoélastiques des constituants.Une confrontation des prédictions numériques avec l'amortissement modal obtenu par essai Oberst modifié, pour de basses fréquences et des températures comprises entre -40°C et 120°C, fournit des résultats cohérents en valeurs et en tendance. Ces essais montrent des zones de gradient en contrainte qui sont petites par rapport à la taille de la mésostructure, motivant l'introduction d'une méthodologie de vérification de l'hypothèse de séparation des échelles à différentes longueurs d'onde. La définition de fractions d'énergie élastique et dissipée par décomposition de la loi de comportement en valeurs singulières permet une analyse des contributions importantes à l'amortissement à l'échelle du tissé 3D et à celle de l'aube.L'insertion d'une mésostructure hybridée avec des joncs élastomères au sein de l'aube de soufflante est proposée afin d'augmenter l'amortissement modal de la première flexion. Une étude spatiale des zones dissipant le plus d'énergie est effectuée pour optimiser le placement de l'armure hybride.
Origine : Version validée par le jury (STAR)