Évaluation de la résistance en fatigue des conducteurs aériens par le couplage d'une approche numérique et expérimentale

Abstract

Les réseaux des lignes aériennes de transport d’électricité font face à plusieurs défis pour assurer leur fonction principale, à savoir l’acheminement de l’électricité des sites de production vers les centres de consommation tout en parcourant des milliers de kilomètres. Le vieillissement, l’exposition à des conditions climatiques sévères, la complexité des travaux d’entretien et de réparation ainsi que l’augmentation des attentes du public concernant la fiabilité du réseau sont les principaux défis auxquels ces réseaux font face. La résistance en fatigue des conducteurs aériens est le plus souvent évaluée à travers des essais expérimentaux en portée de laboratoire. Ces essais destructifs sur un conducteur complet sont coûteux et demandent beaucoup de temps pour leur réalisation. L'objectif de ce projet est de développer une nouvelle méthode pour l'évaluation de la résistance en fatigue des conducteurs aériens qui permettra de prédire à plus faible coût leur durée de vie en fatigue et de mieux comprendre les mécanismes de fatigue en jeu. Cette méthode est basée sur le couplage d'une approche numérique et expérimentale. L'approche numérique repose sur la modélisation d'un système pince/conducteur par la méthode des éléments finis et l’extraction des conditions locales de chargement critiques du brin le plus sollicité en fatigue. L'approche expérimentale quant-à-elle consiste à appliquer le chargement, déterminé numériquement, sur un seul brin de conducteur à l'aide d'un banc biaxial de fretting fatigue et d'évaluer sa durée de vie en fatigue exprimée en nombre de cycles à la rupture. Les propriétés de frottement aux interfaces de contact des conducteurs aériens sont d’abord caractérisées à travers des essais expérimentaux permettant de déterminer le coefficient de frottement et l’amplitude de glissement de transition dans ces interfaces de contact dans le contexte de fretting fatigue. Cette étude préliminaire constitue une étape importante dans le développement de la nouvelle méthode du couplage numérique/expérimental et assure un meilleur contrôle des paramètres de chargement lors des essais de fretting fatigue afin d’aboutir à une reproduction fidèle des conditions locales de chargement sur les brins testés. Une analyse paramétrique numérique du comportement en fatigue du conducteur ACSR Bersfort est ensuite réalisée en suivant une stratégie de modélisation par éléments finis de l’assemblage pince/conducteur. L’objectif de cette analyse est d’optimiser la configuration du modèle pince/conducteur en vue de l’exploiter pour la détermination du point critique en fatigue et l’extraction de ses conditions locales de chargement. Finalement, l’approche du couplage numérique/expérimental est mise en place pour l’évaluation de la durée de vie en fretting fatigue des brins en aluminium. Un banc d’essai biaxial de tension et flexion est développé et validé à travers des essais préliminaires en chargement uniaxial de tension et biaxial équivalent de tension et flexion. La connaissance préalable du coefficient de frottement a permis de maîtriser les paramètres de chargement et d’assurer l’établissement du régime de glissement mixte conduisant à des ruptures en fretting fatigue. Le montage validé du banc de fretting fatigue ainsi que le modèle numérique optimisé de l’assemblage pince/conducteur ont pu être exploités avec succès pour l’évaluation de la résistance en fatigue du conducteur ACSR Bersfort.

Abstract: Overhead electricity transmission line networks face several challenges in performing their primary function of delivering electricity from production sites to consumption centers while traveling thousands of kilometers. Aging, exposure to severe weather conditions, the complexity of maintenance and repair tasks as well as the increasing public expectations for the electricity supply reliability are the main challenges that these networks face. The fatigue strength of overhead conductors is most often evaluated through experimental tests on conductor laboratory spans. These destructive tests are expensive and require a long time to perform. The objective of this project is to develop a new method for evaluating the fatigue strength of overhead conductors which will allow predicting at a low cost the fatigue life of these conductors and better understanding the fatigue mechanisms involved. This new method is based on coupling a numerical approach and an experimental one. The numerical approach consists of modeling a conductor/clamp system using the finite element method and extracting the local loading conditions of the critical strand. The experimental approach is to apply the load, determined numerically, on a single strand of the conductor using a biaxial fretting bench and to evaluate its fatigue life expressed in terms of number of cycles to failure. The friction properties at the contact interfaces of overhead conductors are first characterized through experimental tests to determine the coefficient of friction and the transition sliding amplitude in these contact interfaces in the context of fretting fatigue. This preliminary study constitutes an important step in the development of the new numerical/experimental coupling method and ensures better control of the loading parameters during the fretting fatigue tests in order to achieve a faithful reproduction of the local loading conditions on the tested strands. A numerical parametric analysis of the fatigue behavior of the ACSR Bersfort conductor is then performed by following a finite element modeling strategy of the clamp/conductor assembly. The objective of this analysis is to optimize the configuration of the clamp/conductor model to exploit it for the determination of the critical fatigue point and the extraction of its local loading conditions. Finally, the numerical/experimental coupling approach is implemented for the evaluation of the fretting fatigue life of aluminum strands. A biaxial tension and bending test bench is developed and validated through preliminary tests under uniaxial tension loading and equivalent biaxial of tension and bending loading. Prior knowledge of the coefficient of friction made it possible to control the loading parameters and to ensure the establishment of the mixed sliding regime leading to fretting fatigue failure. The validated setup of the fretting fatigue test bench and the optimized numerical model of the clamp/conductor assembly allowed the evaluation of the fatigue resistance of the ACSR Bersfort conductor.