France – 04/05/2022 – energiesdelamer.eu. Centrale Nantes est actuellement à la recherche de deux doctorant.e.s dans le cadre d’un projet ADEME sur l’éolien flottant. Les thèses se dérouleront principalement au GeM, à Centrale Nantes.
Thèses – Caractérisation expérimentale et modélisation du comportement mécanique des câbles d’ancrage en matériau synthétique utilisé pour l’éolien Flottant
Contexte
Les matériaux synthétiques sont reconnus comme un vecteur important pour la réduction des coûts de l’éolien flottant. Néanmoins, le retour d’expérience sur ces matériaux dans le cas d’application de l’éolien flottant pour les câbles d’ancrage est très faible. Les spécificités de ce domaine, comme la faible profondeur et la dynamique des flotteurs, incitent à développer des méthodes de dimensionnement plus précises (et donc moins conservatives) ainsi que des architectures de câbles synthétiques spécifiques.
Les travaux précédents menés à l’IFREMER et à l’ECN [1-6] ont permis de faire progresser les connaissances sur le cas de câbles en polyester ou en nylon, qu’il s’agisse de la caractérisation de la raideur ou de la durée de vie en fatigue, et de leur intégration dans une méthodologie de dimensionnement basée sur des modèles numériques.
Cependant, aucun projet de démonstration à échelle 1 n’a à notre connaissance encore permis de mettre en place une démarche de recherche complète, incluant les aspects numériques et expérimentaux aux différentes étapes de la vie du projet, avec la combinaison d’essais en laboratoire et de mesures en mer. Le sujet proposé dans cette thèse a pour objectif de combler ce manque.
Ce travail sera réalisé à travers une collaboration entre le GeM, le LHEEA et l’IFREMER, et un partenaire industriel : EOLINK au sein d’un projet financé par l’ADEME. Il s’inscrit dans le cadre de l’installation d’une éolienne, conçue par EOLINK, sur le site SEMREV, voir :
Description du poste
La thèse comporte un volet expérimental et une partie modélisation.
Au niveau expérimental, des essais seront menés sur le banc de traction de l’IFREMER au centre de Brest, cf. Figure 1. Il s’agit de caractériser le comportement du câble, à différentes échelles, de façon à déterminer l’influence du matériau et de l’architecture du câble sur sa raideur. Deux types d’essais seront menés. Des essais dits standards dans lesquels la tension varie de façon cyclique selon des cycles réguliers. Des essais non classiques dans lesquels l’objectif est d’imposer une évolution de tension représentative des sollicitations subies par le câble en mer. Ces dernières seront obtenues grâce à des résultats de simulation ou à partir de mesures réalisées en mer sur la plateforme expérimentale SEMREV du LHEEA, sur laquelle l’éolienne flottante sera installée.
En parallèle de ces essais, il s’agira de proposer un modèle de comportement du câble à même de reproduire les résultats expérimentaux, sur la base des modèles existant dans la littérature. L’identification des coefficients de ce modèle nécessitera la résolution du problème inverse dans le cas des essais non classiques.
Figure 1. Banc de traction de l’IFREMER
La tenue en fatigue des câbles sera également étudiée pendant cette thèse. Dans le cas de l’éolien flottant, étant donné que la tension moyenne des lignes est faible par rapport à sa résistance en rupture, la rupture en fatigue se produit pour un nombre de cycles qui correspondrait à l’immobilisation d’une machine d’essais pendant plusieurs mois. C’est pourquoi une procédure d’essais accélérés, dont le principe a été proposé dans une précédente thèse [6], sera testée au cours de ce travail. Ces essais seront également réalisés à l’IFREMER.
Enfin, si le temps le permet, grâce au suivi en service qui sera réalisé sur les lignes d’ancrage qui sont utilisées pour l’éolienne du site SEMREV, une analyse sera menée sur le vieillissement de la ligne. L’étude portera ainsi sur l’évolution dans le temps des réponses tension-allongement des lignes et ses conséquences sur l’actualisation des coefficients des modèles de comportement de la ligne.
Modalités de candidature
Encadrement : P. Cartraud1, P. Davies2
patrice.cartraud@ec-nantes.fr ; peter.davies@ifremer.fr
1 GeM, Institut de Recherche en Génie Civil et Mécanique, UMR CNRS 6183, Ecole Centrale de Nantes, Nantes, France
2 Laboratoire Comportement des Structures en Mer (PDG-REM-RDT-LCSM), IFREMER, Centre Bretagne, Plouzané, France
Compétences recherchées
Profil recherché : des compétences en mécanique des matériaux, mécanique des solides et une capacité à la programmation sont nécessaires pour mener à bien cette thèse
Références principales
[1] Pham, H. D., Cartraud, P., Schoefs, F., Soulard, T., & Berhault, C. (2019). Dynamic modeling of nylon mooring lines for a floating wind turbine. Applied Ocean Research, 87, 1-8.
[2] François M, Davies P, Characterization of polyester mooring lines, Proceedings of the ASME 27th International Conference on Offshore Mechanics and Arctic Engineering, OMAE2008, June 2008, Estoril, Portugal.
[3] Weller, S. D., Johanning, L., Davies, P., & Banfield, S. J. (2015). Synthetic mooring ropes for marine renewable energy applications. Renewable energy, 83, 1268-1278.
[4] Pham, H. D., Schoefs, F., Cartraud, P., Soulard, T., Pham, H. H., & Berhault, C. (2019). Methodology for modeling and service life monitoring of mooring lines of floating wind turbines. Ocean Engineering, 193, 106603.
[5] Chevillotte Y, Marco Y, Bles G, Devos K, Keyrer M & Davies P (2020), Fatigue of improved polyamide mooring ropes for floating wind turbines, Ocean Engineering 199, 107011.
[6] Pham, H. D. (2019). Modeling and Service Life Monitoring of Mooring Lines of Floating Wind Turbines (Doctoral dissertation, École centrale de Nantes).
Lieu
1 GeM, Institut de Recherche en Génie Civil et Mécanique, UMR CNRS 6183, Ecole Centrale de Nantes, Nantes, France
2 Laboratoire Comportement des Structures en Mer (PDG-REM-RDT-LCSM), IFREMER, Centre Bretagne, Plouzané, France
L’essentiel de la thèse se déroulera à Nantes, à l’École Centrale, mais quelques déplacements et courts séjours sont à prévoir à l’IFREMER lors de la réalisation des essais.
Niveau requis
des compétences en mécanique des matériaux, mécanique des solides et une capacité à la programmation sont nécessaires pour mener à bien cette thèse
Thèse – Modélisation multiéchelle du comportement mécanique non-linéaire des câbles sous-marins de transport d’énergie pour l’éolien flottant
Contexte
Les câbles dynamiques, ou ombilicaux, sont utilisés dans l’industrie parapétrolière pour alimenter du matériel sous-marin. Leur application à l’éolien flottant a fait ses preuves sur les premières machines installées. Cependant, leur bon fonctionnement étant clef pour la rentabilité du projet, les acteurs de la filière souhaitent mieux maîtriser leur usure dans la durée. Celle-ci est directement corrélée à l’historique des déformées, des courbures, des câbles.
Le travail proposé dans cette thèse sera réalisé à travers une collaboration entre le GeM, le LHEEA et l’IFREMER, et un partenaire industriel : EOLINK au sein d’un projet financé par l’ADEME. Il s’inscrit dans le cadre de l’installation d’une éolienne, conçue par EOLINK, sur le site SEMREV, voir :
Description du poste
Le dimensionnement des ombilicaux repose sur le calcul de leur réponse en service. Il s’agit de déterminer leur réponse temporelle à différents états de mer. Pour ce faire, des logiciels métiers (tels que Deeplines, Orcaflex, etc.) sont utilisés, dans lesquels l’ombilical est décrit à l’aide d’un modèle poutre, et soumis à des efforts hydrodynamiques et aux mouvements du flotteur qui supporte l’éolienne. Il importe donc, d’une part d’alimenter ce modèle poutre par les caractéristiques de raideur de l’ombilical, mais aussi à partir des résultats obtenus sur ce modèle, de calculer les contraintes locales dans l’ombilical. Ces dernières seront ensuite exploitées dans une analyse en fatigue.
La détermination du comportement global de l’ombilical peut se faire grâce à des essais mécaniques ou à partir de modèles analytiques ou numériques, cf. par exemple [1-4]. Dans ce dernier cas, une méthode multi-échelle est utilisée, pour réduire la taille du domaine à étudier. En l’occurrence, il s’agit de l’homogénéisation périodique, qui permet de tenir compte de la géométrie hélicoïdale des constituants de l’ombilical et de réduire la taille du domaine d’étude à une période axiale. Cette approche repose donc sur un modèle éléments finis 3D détaillé d’un tronçon de l’ombilical, cf. Figure 1, et des travaux dans ce domaine ont déjà été réalisés dans une thèse récemment soutenue au GeM [5]. Il apparaît que le comportement global de l’ombilical est complexe, en particulier, il est non-linéaire en flexion, cf. Figure 2, du fait des interactions de contact entre les constituants de l’ombilical.
La prise en compte de ce comportement dans les modèles poutres des logiciels métier n’est pas évidente. Certes ces logiciels proposent des modèles non-linéaires des ombilicaux, mais selon des lois prédéfinies. L’utilisation de ces modèles conduit ainsi à des approximations par rapport au comportement réel, notamment pour la prise en compte du couplage entre le comportement en flexion et en traction. A contrario, une approche précise basée sur un couplage fort entre le modèle poutre du logiciel métier et le modèle 3D détaillé, à chaque étape du calcul et en tout point d’intégration de la poutre, conduirait à des temps de calculs prohibitifs.
Figure 1. Modèle éléments finis 3D d’un tronçon de l’ombilical. Vue d’ensemble et vue détaillée, d’après [5]
Figure 2 : Comportement non-linéaire en flexion
Il est donc nécessaire de pouvoir évaluer le niveau d’approximation des modèles non-linéaires existants, et d’étudier comment les améliorer à moindre coût, sans recourir au couplage fort précédemment mentionné. Dans ce contexte, des approches proposées récemment et fondées sur des bases de données peuvent être envisagées [6]. Le principe consiste dans un premier temps à générer une base de données faiblement discrétisée du comportement non-linéaire de l’ombilical, qui sera enrichie de façon non uniforme si la discrétisation précédente est insuffisante. Une difficulté importante à prendre en compte est la dépendance du comportement à l’histoire du chargement, qui complique l’utilisation des approches data-driven.
Ainsi, le développement d’une approche multi-échelle non-linéaire précise mais plus performante que le couplage fort entre le modèle poutre et le modèle 3D constitue le principal objectif de la thèse.
Au delà de cet objectif, il convient en parallèle de disposer d’une caractérisation mécanique expérimentale de l’ombilical à laquelle les modèles pourront être confrontés. Ces expériences seront menées en laboratoire, sur le banc de flexion de l’IFREMER.
D’autre part, des mesures en mer sont aussi envisagées, pour évaluer la précision du modèle d’ensemble de l’ombilical.
Modalités de candidature
Encadrement : P. Cartraud, L. Stainier
patrice.cartraud@ec-nantes.fr ; laurent.stainier@ec-nantes.fr
POINTS DE REPÈRE
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