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Modélisation paramétrique du pressage d'aubes de turbines

Bellizzi, Thibaut (2007). Modélisation paramétrique du pressage d'aubes de turbines. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Dans le cadre du projet de recherche sur les turbines Francis mené en collaboration avec GE Hydro, l'objectif est de développer des outils numériques rapides permettant d'estimer la force nécessaire que doit développer une presse pour former les aubes. Pour traiter ce problème, deux voies peuvent être envisagées : utiliser des résultats expérimentaux pour en déduire des lois empiriques ou utiliser les outils de calcul par éléments finis pour modéliser le procédé de formage et ainsi calculer numériquement la force de pressage.

Notre partenaire industriel ne disposant que de très peu de données (portant uniquement sur le pressage de trois d'aubes de géométrie différente), la méthode basée sur une simulation par élément finis est la seule alternative possible. Les quelques données expérimentales servirons à vérifier la validité des résultats.

Afin de simuler le pressage d'une aube, il est important de bien comprendre le procédé de pressage et la nature des pièces à fabriquer. Les aubes de turbines sont des pièces de grande taille faites dans des matériaux à haute résistance difficiles à travailler. Une plaque prédécoupée est d'abord chauffée dans un four. Une fois chauffée, la plaque est transportée dans la presse où elle va prendre progressivement la forme de la matrice à mesure que la presse se ferme.

La modélisation du pressage repose sur les hypothèses mécaniques suivantes : les matrices sont supposées rigides indéformables, une loi plastique multi-linaire est utilisée pour la plaque, un contact unilatéral avec frottement de Coulomb et frottement visqueux est considéré entre la plaque et les matrices, la température est supposée constante pendant la phase de pressage. L'outil développé utilise le code de calcul par élément finis ANSYS et fait appel au solveur explicite LS-Dyna. Un fichier de points définissant la géométrie de l'aube désirée permet de définir la géométrie du modèle. Les propriétés à chaud des matériaux pouvant constituer la plaque, et les facteurs causant le refroidissement sont pris en compte.

Après avoir validé à l'aide des données expérimentales l'outil de calcul, une étude de sensibilité de la force de pressage aux paramètres géométriques a été menée. Un grand nombre de simulations a été réalisé mettant en relief le rôle des paramètres géométriques.

Le principal inconvénient de l'utilisation de la méthode des éléments finis est le temps de calcul qui ne permet pas d'intégrer l'outil de simulation dans un processus industriel d'optimisation de la forme de l'aube. A cette fin, un modèle paramétrique, fonction de la géométrie de l'aube, a donc été développé pour estimer la force de pressage. Ce modèle combine une analyse en composantes principales pour sélectionner les paramètres les plus influents et la méthode des moindres carrés (appliquée sur des données obtenues par simulation éléments finis) pour obtenir un modèle polynomiale. Ce modèle utilise six paramètres définissant la géométrie de l'aube. Si le modèle restitue assez bien les données ayant servies à le définir, son pouvoir de précision n'est pas suffisant. En complément, une modélisation par réseau de neurones a été réalisée. Un réseau de neurones utilisant deux couches cachées de quatorze neurones a finalement été développé. Si ce modèle améliore considérablement la prédiction de la force, il reste encore à valider avec un plus grand nombre de simulation.

Résumé anglais

With the participation of GE Hydro, the goal of this research on Francis turbine is to develop tools to estimate the pressing force needed to form turbine blades. To solve this problem, two ways are possible: use experimental result to deduce empiric law or use the finite element method to model the forming process and compute the pressing force.

Our industrial partner has just a few experimental data (The reel pressing force is known only for tree different blades), using the finite element method is the only solution possible. The few experimental data will be used to validate the finite element model.

To simulate blade pressing, it is very important to understand the pressing process and to know what kind of parts are formed. Turbine blades are large parts made from high resistance steel which are difficult to form. A plate is first cut and heated in an oven. After having be heated the hot plate is put in the press where it progressively takes the shape of the die with the press closure.

The pressing process model is based on the following mechanical assumptions: The dies are considered as rigid body, a multi-linear plastic law is useed for the blank, a unilateral contact with Coulomb friction and viscous friction is supposed between the dies and the blank, the temperature is consider constant during the forming process. The developed tool uses the finite element code ANSYS and the explicit solver LS-Dyna. The blade geometry is defined by a file containing points locations. The materials properties at hot temperature for the different materials which can constitute the blade and the cooling coefficient are taken in account.

After the validation of the tool with experimental data, a study of the influence of geometric parameters on the pressing force has been realised. Scores of simulations have been made showing the role of geometric parameters.

The principal problem with the finite element method is the computing time which does not allow the integration of the tool in the blade shape industrial optimisation process. In this purpose, a parametric model, function of the blade geometry is developed to estimate the pressing force. This model combine an analyse in principal components to choose the most influent parameters and a least square approach (apply on data obtained with finite elements simulation) to obtain a polynomial model. This model uses six parameters defining the blade geometry. If this model restores rather well the data used for the construction, the predictive power is not sufficient. In addition, a neural network model is realized. A neural network using two hidden layers with fourteen neurons each is developed. If this model considerably improves the force prediction, a validation with more simulation is needed.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Mémoire présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise en génie mécanique". Bibliogr : f. [149]-151.
Mots-clés libres: Turbines Aubes Modèles mathématiques. pressage
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Champliaud, Henri
Co-directeurs de mémoire/thèse:
Co-directeurs de mémoire/thèse
Dao, Thien-My
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt: 02 août 2010 18:36
Dernière modification: 05 nov. 2016 00:52
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/247

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