Comportement en usure de deux polymères thermoplastiques semi-cristallins le PET et le PTFE

L’utilisation de polymères thermoplastiques ne cesse de s’accroitre dans le domaine des contacts dans différents secteurs d’activité tels que l’aéronautique, l’automobile, l’offshore et les applications biomédicales. Ceci est notamment dû à leur légèreté, leur non-corrodabilité par rapport aux métaux et à la réduction du coefficient de frottement. [1_2] Dans ce travail, le comportement au frottement de deux polymères thermoplastiques semi-cristallins, le poly-téréphtalate d'éthylène (PET) et le polytétrafluoroéthylène (PTFE), en contact avec un alliage de titane (TA6V) est étudié à l’aide de la configuration cylindre-plan. Un plan en alliage de titane de rugosité initiale de 0.8µm se déplace horizontalement sur des poinçons cylindriques en polymère avec une charge normale (200N) et un débattement (±500µm) fixes à température ambiante et en contact sec. L’influence de différents paramètres a été étudiée : nombre de cycles (20 000-1 000 000), rugosité du corps antagoniste (0.3-2µm) et fréquence (0.5-5Hz). Après frottement, les mécanismes d’usure sont analysés par interférométrie (figure1), FTIR (spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier), EDXA (analyse élémentaire aux rayons X), MEB (microscopie électronique à balayage), puis analysés, quantifiés et interprétés en se basant sur une approche énergétique. Les comportements physicochimiques et thermomécaniques des polymères sont aussi analysés (DSC : Calorimétrie différentielle à balayage, DMA : Analyse mécanique différentielle). Ces essais ont mis en évidence en particulier une transition cristalline du PTFE au voisinage de 19-30°C ainsi que le phénomène de cristallisation froide du PET. En outre, les essais DMA ont montré qu’à température ambiante et la fréquence de 1 Hz le PET présente un comportement plus rigide que le PTFE avec un module de Young de 3500MPa alors que le PTFE a un module de Young de 400MPa. Les essais menés à nombre de cycles croissants, toutes choses étant égales par ailleurs (f=1Hz, P=200N, δ=±500µm, Ra-TA6V =0.8µm) ont permis d’établir le caractère linéaire de l’évolution de la cinétique d’usure (variation du volume d’usure en fonction du nombre de cycles) pour les deux matériaux. Le PTFE présente une usure plus importante que le PET (coefficient énergétique d’usure αPET=10-6mm3/J et αPTFE=10-4mm3/J). En outre, le coefficient du frottement stabilisé du PTFE est nettement plus faible que celui du PET (µPTFE=0.1 ; µPET=0.35). Ceci peut s’expliquer par la différence de la morphologie cristalline de ces deux polymères étudiés [3-4]. En effet, l’observation microscopique des traces d’usure du PTFE a mis en évidence une structure lamellaire avec formation d’un tribofilm du polymère sur le TA6V par juxtaposition de copeaux d’usure dans la direction du glissement. En ce qui concerne le PET, qui se caractérise par une structure sphérolitique, l’observation microscopique montre la présence d’une couche de transfert granuleuse formée sur le plan en TA6V avec la présence de débris éjectés de part et d’autre de la trace d’usure. Ce mécanisme de transfert caractéristique des polymères thermoplastiques à structure sphérolitique est communément appelé « lumpy transfer » dans la littérature [5]. Les analyses FTIR et EDXA réalisées pour les deux systèmes ont confirmé la formation de la couche de transfert de polymère sur le corps antagoniste. Ainsi, l’ensemble de ces résultats permet de conclure que les deux matériaux étudiés, qui ont des structures morphologiques différentes, présentent deux types d’usure bien distincts: une usure adhésive pour le PET et une usure abrasive pour le PTFE. Les modes d’usure ne sont pas affectés par une modification de fréquence dans la gamme (0.5-5 Hz). Cependant on note que l’usure et le transfert augmentent avec la fréquence . Afin d’étudier l’effet de la rugosité (Ra) du corps antagoniste (TA6V), des traitements de polissage (poli-miroir) et de sablage (particules de corindon de taille 50, 100 et 250mm) ont été réalisés. La gamme de rugosité obtenue varie entre 0.3 et 2 μm. Les essais menés (f=5Hz, P=200N, δ=±500μm) ont montré que l’augmentation de la rugosité du contre-corps s’accompagne pour le PTFE d’une augmentation du transfert conduisant à une réduction de l’usure. L’augmentation de la rugosité diminue l’éjection des débris d’usure en dehors de la trace et favorise l’usure pour le PET. Des essais complémentaires à différentes fréquences dans la gamme d’étude sont en cours pour confirmer cette tendance

State-of-the-Art on the Marine Current Turbine System Faults

This chapter deals with the state of the art on the marine current turbine (MCT) system faults. Indeed, the MCT structure consists of a marine turbine, a generator (permanent magnet synchronous generator (PMSG) or doubly fed induction generator (DFIG)), and a PWM power converter. Nevertheless, these systems are exposed to functional and environmental severe conditions. Firstly, the power increase leads to a higher current and/or voltage. Second, the installation of the MCT system under the sea and the existence of the swell and wave imply harmonic current speeds. In fact, several faults (related to the turbine, the generator, the blades, and the converters) can occur in the MCT system. Most of these faults generate the speed and the torque oscillations, which can lead to mechanical vibrations and the rapid destruction of the insulating material generator. Consequently, MCT system performances can be degraded

Finite element prediction of fatigue damage growth in cancellous bone

Cyclic stresses applied to bones generate fatigue damage that affects the bone stiffness and its elastic modulus. This paper proposes a finite element model for the prediction of fatigue damage accumulation and failure in cancellous bone at continuum scale. The model is based on continuum damage mechanics and incorporates crack closure effects in compression. The propagation of the cracks is completely simulated throughout the damaged area. In this case, the stiffness of the broken element is reduced by 98% to ensure no stress-carrying capacities of completely damaged elements. Once a crack is initiated, the propagation direction is simulated by the propagation of the broken elements of the mesh. The proposed model suggests that damage evolves over a real physical time variable (cycles). In order to reduce the computation time, the integration of the damage growth rate is based on the cycle blocks approach. In this approach, the real number of cycles is reduced (divided) into equivalent blocks of cycles. Damage accumulation is computed over the cycle blocks and then extrapolated over the corresponding real cycles. The results show a clear difference between local tensile and compressive stresses on damage accumulation. Incorporating stiffness reduction also produces a redistribution of the peak stresses in the damaged region, which results in a delay in damage fracture

Marine Current Turbine System Post-Fault Behavior under an Open Circuit Fault

This paper describes the modeling and simulation of a Permanent Magnet Synchronous Generator (PMSG) based Marine Current Turbine (MCT) under converter faulty conditions. The modeling of the generator is represented in the d-q reference frame. The Proportional Integral (PI) controllers are used for the direct current, the quadratic current, and the speed Control. The faulty mode describes an open-circuit fault in the generator-side converter. Simulations results show that the dynamic performances and the power generation of the MCT are highly degraded due to the fault

On fault-tolerant control of a permanent magnet synchronous-based tidal turbine under faulty converter and magnet failure

De nos jours, l’exploitation des énergies renouvelables afin de générer de l’électricité est en croissance soutenue puisqu’elles sont à ressource illimitée, gratuites et ne provoquent pas de déchets ou d’émissions polluantes. Dans cette thèse, on se propose d’étudier l’un de ces types d’énergie à savoir l’énergie issue des courants marins. Il s’agit plus particulièrement de s’intéresser à la commande tolérante aux défauts des systèmes de récupération de l’énergie des courants marins. Le potentiel de la production d'électricité à partir des courants marins est estimé à une production de 100 GW dans le monde. Cependant, ces chaînes de conversion d’énergie sont exposées et soumises à des contraintes fonctionnelles et environnementales importantes et sévères. Ces contraintes favorisent inévitablement la dégradation des performances des différents blocs fonctionnels de ces systèmes et l’accélération de leur processus de vieillissement, conduisant ainsi à l’apparition des défauts d’origines mécaniques et/ou électriques. Ainsi, la mise en place des techniques de commande tolérantes aux défauts de ces systèmes permettra d’améliorer la fiabilité, les performances et réduire les coûts relatifs au fonctionnement en mode dégradé et aux opérations de maintenance. Le but des travaux de cette thèse est l’étude, la modélisation et la simulation d’une chaîne de conversion hydrolienne à vitesse variable dans le cas sain et le cas d’un défaut (soit au niveau de la machine synchrone à aimants permanents (défaut de la désaimantation) ou au niveau du convertisseur statique (défaut d’un circuit ouvert d’un interrupteur). Il s’agira donc d’étudier les différentes commandes tolérantes aux défauts utilisées en cas d’un défaut au niveau de la génératrice ou au niveau de l’électronique de puissance associée.Nowadays, the exploitation of renewable energies in order to generate electricity is growing steadily because they are unlimited resources, free and don’t cause waste or polluting emissions. In this context, it is proposed to study one of these types of energy, which is marine currents energy. In particular, we are interested in fault-tolerant control of tidal turbines. The potential for power generation from marine currents is estimated at 100GW in the world. However, tidal turbines are submitted to severe operational and environmental constraints. These constraints inevitably will lead to these systems performance degradation and the acceleration of their aging process, thus leading to the occurrence of mechanical and/or electrical faults. The implementation of fault-tolerant control techniques will improve the tidal turbines reliability, performance, and reduce costs relating to maintenance operations. The aim of this thesis is to study, model, and simulate a tidal turbine system in healthy and faulty conditions (either in the converter (switch open circuit) or in the permanent magnet synchronous generator (magnet failure). Various fault-tolerant control approaches are therefore evaluated and compared under these specific failure It will therefore be necessary to study the various fault-tolerant controls used in the event of a fault in the generator or in the associated power electronics

Contribution à la commande résiliente aux défaillances des convertisseurs statiques et à la démagnétisation de la génératrice synchrone à aimants permanents d'une hydrolienne

Nowadays, the exploitation of renewable energies in order to generate electricity is growing steadily because they are unlimited resources, free and don’t cause waste or polluting emissions. In this context, it is proposed to study one of these types of energy, which is marine currents energy. In particular, we are interested in fault-tolerant control of tidal turbines. The potential for power generation from marine currents is estimated at 100GW in the world. However, tidal turbines are submitted to severe operational and environmental constraints. These constraints inevitably will lead to these systems performance degradation and the acceleration of their aging process, thus leading to the occurrence of mechanical and/or electrical faults. The implementation of fault-tolerant control techniques will improve the tidal turbines reliability, performance, and reduce costs relating to maintenance operations. The aim of this thesis is to study, model, and simulate a tidal turbine system in healthy and faulty conditions (either in the converter (switch open circuit) or in the permanent magnet synchronous generator (magnet failure). Various fault-tolerant control approaches are therefore evaluated and compared under these specific failure It will therefore be necessary to study the various fault-tolerant controls used in the event of a fault in the generator or in the associated power electronics.De nos jours, l’exploitation des énergies renouvelables afin de générer de l’électricité est en croissance soutenue puisqu’elles sont à ressource illimitée, gratuites et ne provoquent pas de déchets ou d’émissions polluantes. Dans cette thèse, on se propose d’étudier l’un de ces types d’énergie à savoir l’énergie issue des courants marins. Il s’agit plus particulièrement de s’intéresser à la commande tolérante aux défauts des systèmes de récupération de l’énergie des courants marins. Le potentiel de la production d'électricité à partir des courants marins est estimé à une production de 100 GW dans le monde. Cependant, ces chaînes de conversion d’énergie sont exposées et soumises à des contraintes fonctionnelles et environnementales importantes et sévères. Ces contraintes favorisent inévitablement la dégradation des performances des différents blocs fonctionnels de ces systèmes et l’accélération de leur processus de vieillissement, conduisant ainsi à l’apparition des défauts d’origines mécaniques et/ou électriques. Ainsi, la mise en place des techniques de commande tolérantes aux défauts de ces systèmes permettra d’améliorer la fiabilité, les performances et réduire les coûts relatifs au fonctionnement en mode dégradé et aux opérations de maintenance. Le but des travaux de cette thèse est l’étude, la modélisation et la simulation d’une chaîne de conversion hydrolienne à vitesse variable dans le cas sain et le cas d’un défaut (soit au niveau de la machine synchrone à aimants permanents (défaut de la désaimantation) ou au niveau du convertisseur statique (défaut d’un circuit ouvert d’un interrupteur). Il s’agira donc d’étudier les différentes commandes tolérantes aux défauts utilisées en cas d’un défaut au niveau de la génératrice ou au niveau de l’électronique de puissance associée

Etude et formalisation du comportement tribologique d'un contact polytetrafluoroéthylène/Alliage de titane soumis à des sollicitations de fretting-reciprocating

Les polymères sont de plus en plus répandus dans différents secteurs industriels comme une alternative aux métaux. En effet, les composants en polymère permettent une réduction accrue du poids et une meilleure inertie chimique dans les structures où ils sont utilisés. Ils permettent également une réduction du frottement sans recourir à des systèmes de lubrification externe. Parmi ces polymères, le PTFE - connu sous le nom du Teflon et découvert en 1938 - se caractérise par une morphologie semi-cristalline particulière où les molécules de PTFE forment des superstructures dites « à bandes ». Il possède d’excellentes propriétés thermiques, un très faible coefficient de frottement et une très bonne inertie chimique justifiant sa vaste utilisation dans différentes applications : comme renfort de type lubrifiant solide, revêtement antiadhésif, isolant électrique des câbles dans le domaine de l’aéronautique, récipients pour des produits chimiques réactifs. Ce travail de thèse s’inscrit dans ce contexte et adopte une démarche tribologique globale. Il étudie les réponses tribologiques d’un contact PTFE/Ti-6Al-4V sollicité en fretting-usure alternatif - notamment en mode glissement total et reciprocating - dans une configuration cylindre/plan. Les paramètres étudiés sont : nombre de cycles, vitesse de glissement, force normale et propriétés thermomécaniques et surfaciques des matériaux. Cette étude propose de nouvelles formalisations analytiques basées sur l’approche d’Archard et établit des lois de frottement et d’usure qui intègrent les effets de ces paramètres. Le rôle joué par le film de transfert dans la détermination des réponses tribologiques est également mis en évidence.The tribology of thermoplastic polymers is nowadays one of the major issues in several engineering fields. These non-metallic materials increasingly provide a useful alternative to metals that are in contact with a harder counterface. Areas of application are various and include offshore oil-drilling, aeronautics and the automotive industry and biomedical applications such as prosthesis designs. The aim of polymer-metal, and especially PTFE/Ti-6Al-4V, designs is to reduce wear and friction. Polytetrafluoroethylene (PTFE) is one such interesting thermoplastic polymer that has been closely studied since it was discovered in 1938. It is a high-performance engineering polymer characterized especially by a high melting point, chemical inertness and low coefficient of friction due to its banded structure. PTFE is a tribologically attractive material, widely used especially as a solid lubricant in a variety of dry sliding tribosystems. The purpose of this study is to evaluate friction and wear rate evolution for gross slip fretting-reciprocating sliding conditions of PTFE/Ti-6Al-4V interface in a cylinder/plane configuration. Various investigations have been made to study the influence of wear test conditions: number of cycles, sliding speed, normal force, materials thermomechanical and surface properties. Analysis aimed to determine tribological processes as well as formulation of experimental evolution of friction and wear rates regarding selected parameters. Finally, characterization of the transfer film formed on the counterpart under repeated cyclic sliding is undertaken to determine its role and its interference with wear and friction response

Techno-Economic Optimal Sizing Design for a Tidal Stream Turbine–Battery System

International audienceThis article deals with the techno-economic optimal sizing of a tidal stream turbine (TST)–battery system. In this study, the TST system consists of a turbine rotor and a permanent magnet synchronous generator (PMSG) associated with a three-phase converter coupled to a DC bus. A battery is used within the system as an energy storage system to absorb excess produced power or cover power deficits. To determine the optimal sizing of the system, an iterative approach was used owing to its ease of implementation, high accuracy, and fast convergence speed, even under environmental constraints such as swell and wave effects. This technique is based on robust energy management, and the recursive algorithm includes the deficiency of power supply probability (DPSP) and the relative excess power generation (REPG) as technical criteria for the system reliability study, and the energy cost (EC) and the total net present cost (TNPC) as economic criteria for the system cost study. As data inputs, the proposed approach used the existing data from the current speed profile, the load, and economic parameters. The desired output is the system component optimal sizing (TST power, and battery capacity). In this paper, the system sizing was studied during a one-year time period to ensure a more reliable and economical system. The results are compared to well-known methods such as genetic algorithms, particle swarm optimization, and software-based (HOMER) approaches. The optimization results confirm the efficiency of the proposed approach in sizing the system, which was simulated using real-world tidal velocity data from a specific deployment site

Magnet failure-resilient control of a direct-drive tidal turbine

International audienc

This paper describes fault-tolerant control strategies for a Permanent Magnet Synchronous Generator (PMSG)-based Marine Current Turbine (MCT) dealing with the generator-side converter under faulty conditions. MCT system mainly used PI controllers. However, this type of controllers is very sensitive to faulty conditions such as an open circuit faults in the generator-side converter. As consequence, the MCT system represents a high decrease in its power generation and dynamic performances. In this faulty context, firstly, a fault tolerant structure consists in requiring only minimum hardware modifications to the converter is proposed. In the second part, a backstepping and a second-order sliding mode nonlinear control are therefore investigated for fault-tolerant control purposes. A comparison between the different control strategies is proposed to prove the most robust one.

International audienc