Composite intelligent à base de fibre de carbone et matrice époxy pour les pales d’éoliennes offshores. Modélisations numérique et analytique en multi-échelles

Abstract

Smart structures have been developed as to monitor structures that have to operate in demanding industrial applications with includes harsh environments (Aeronautics and aerospace, Civil engineering, nuclear and chemical power plants…), too. Current study is focused on the suggestion of new smart composite materials that can be successfully used for wind blade structures in offshore energy generation farms. Indeed, to bring expectable energy-generation performances, new generation wind blades have to exceed 100m length, which is a hardly achievable target given that actual constitutive composite materials are based on glass-fibers, that are notably known to be very heavy and lacking stiffness. Therefore, the switch to carbon fibers (lighter and stiffer) becomes mandatory. In this thesis, we propose the implementation of a smart composite material that is based on carbon fibers and epoxy matrix (here called parent material). Fiber Optic Sensors (FOS) and Quantum-Resistive Sensors (QRS) will be used for detection of over-strained areas all over the structure. This choice is expected to enable for accurate documentation and instant sending of critical information to engineers. To achieve this goal of development of a new smart material for a critical application in offshore wind generation, we have chosen to illustrate it in a research document that is grouping several aspects, summarized in 5 chapters. The thesis is conducted using numerical and analytical modelings. The document is not having the ambition to be exhaustive. It is intended to present a pragmatic research that emphasize how areas of mechanical weakness can be diagnosed, what are the solutions that can be suggested and how we can support them, what are the issues pertaining to the use of embedded sensors and some experimental results that give appraisal of current performance status and what could be future trends.Les structures intelligentes fondées sur des matériaux composites ont été développées pour surveiller les structures qui doivent fonctionner dans des applications industrielles exigeantes, dans des environnements difficiles comme c’est le cas de l’aéronautique, de l’aérospatiale, du génie civil, des centrales nucléaires et chimiques ...). L'étude actuelle est axée sur la suggestion d’un nouveau matériau composite intelligent qui peut être utilisé avec succès dans les pâles d’éoliennes offshore de nouvelle génération. En effet, pour accentuer leur rendement, les pales de nouvelle génération doivent dépasser une longueur de 100m, ce qui représente actuellement une cible hors d’atteinte étant donné que les matériaux composites constitutifs sont fondés sur des fibres de verre, notamment connues pour être lourdes et dépourvues de rigidité significative. Par conséquent, le passage aux fibres de carbone (plus légères et 3 fois plus rigides) devient obligatoire. Dans cette thèse, nous proposons la mise en place d'un matériau composite intelligent à base de fibres de carbone et de matrice époxy (ici appeler matériau parent). Les capteurs à fibre optique (FOS) et les capteurs à résistance quantique (QRS) seront utilisés pour la détection de déformation dans toute la structure. Ce choix devrait permettre une documentation précise et un envoi instantané d'informations critiques aux ingénieurs. Pour atteindre cet objectif de développement d'un nouveau matériau intelligent pour une application critique dans la production d’énergie éolienne offshore, nous avons choisi de proposer un document de recherche regroupant plusieurs aspects du sujet, résumés en 5 chapitres. La thèse est fondée sur des modélisations numériques et analytiques. Le document n'a pas l'ambition d'être exhaustif. Il est destiné à présenter une recherche pragmatique qui met l'accent sur la façon dont les domaines de faiblesse mécanique peuvent être diagnostiqués, quelles sont les solutions qui peuvent être suggérées et comment nous pouvons les soutenir, quelles sont les questions relatives à l'utilisation de capteurs intégrés et les résultats expérimentaux qui permettent l'évaluation du statut actuel de la performance du matériau et les moyens d’en améliorer les performances