Tesis:
Constitutive Modelling and Thermomechanical Calibration of a Novel Superalloy Subjected to Extreme Conditions
- Autor: PABLOS GÓMEZ, Juan Luis de
- Título: Constitutive Modelling and Thermomechanical Calibration of a Novel Superalloy Subjected to Extreme Conditions
- Fecha: 2022
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS INDUSTRIALES
- Departamentos: INGENIERIA MECANICA
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/71540/
- Director/a 1º: ROMERO OLLEROS, Ignacio
- Resumen: The commercial aviation industry is a field of innovation and vanguard technology application in which competitiveness is a critical need. As a consequence, new materials and techniques appear continuously with the purpose of creating significant advantages in relation to other market contenders. One of the main areas focusing the development efforts in the field is the turbofan engines performance, comprising improvement aspects like noise reduction, cutting CO2 emissions and fuel economy efficiency. Considering the above, the project in which this doctoral dissertation is framed within, known as “HUC”, is aimed at the improvement of the engine Bypass Ratio (BPR) of the new Ultrafan turbine engine casing, while bearing in mind other critical requirements as the containment capacity of the mentioned part. The latter will have to be widely tested beforehand through the use of numerical simulations, taking into account additional challenges as those involved by the use of new superalloys, the higher pressure and temperatures that the component will have to withstand due to the more demanding operating conditions, and the unlikely but possible event of turbine blade detachment. This dissertation describes the setup of a computational framework involving the implementation of a selection of constitutive material models together with thermomechanical numerical methods in order to reproduce the behaviour of metals subjected to conditions of high strain, high strain rate and high temperature, like those expected in the interior of a turbine engine casing. Additionally, with the objective of efficiently calibrating the aforementioned constitutive equations, a complex statistical approach has been adopted, including a first parameter screening phase, with the use of sensitivity analysis methods. Next, a second step in the procedure is carried out based on Bayesian calibration aided by Gaussian processes surrogates, being able of finding the optimal values as well as their related uncertainty, according to the data provided. Finally, the validation of the whole framework is presented, together with the application of the two-phased statistical procedure, delivering promising results, not only considering the scope intended in the project framework but also potentially on a wider sphere of applications. The work performed has been implemented in an in-house numerical code, including programming in C++ of the different constitutive equations and related algorithms, the numerical thermomechanical formulation together with the related material relations and the nonlinear equations necessary for the computation of the finite element and time-discretised solutions, the numerical time integration methods, both explicit and implicit, as well as the contact algorithms employed for the impact simulations. Also, the scripts responsible for the meta-modelling and GSA-related analysis processes performed have been programmed in Matlab code, and, similarly, the scripts in charge of the calibration inputs and related data treatment have been coded employing R programming language, with the key help of pre-existing Bayesian calibration libraries. ----------RESUMEN---------- La industria de la aviación comercial es un campo abonado a la innovación, a la vanguardia de la aplicación tecnológica, siendo la competitividad empresarial una seña de identidad propia. En consecuencia, nuevos materiales y técnicas se investigan de manera continua con el propósito de conseguir una ventaja notable en relación al resto de contendientes del mercado. Uno de los puntos claves de interés en el sector, centrando los esfuerzos de desarrollo, es el relativo a la mejora del rendimiento de las turbinas, comprendiendo aspectos como la reducción del ruido operativo, la disminución de las emisiones contaminantes y de gases de efecto invernadero, así como el aumento de la mejora de la eficiencia en el consumo de combustible. Considerando lo anterior, el proyecto en el cual se enmarca esta tesis doctoral, conocido como “HUC”, se dirige a la mejora de la relación de derivación del motor asociado a la carcasa de la nueva turbina de aviación denominada Ultrafan, sin descuidar otros aspectos de importancia crítica, como la capacidad de contención ante impactos de dicho componente. Esta última característica se deberá someter a un exigente proceso de testado mediante el uso de simulaciones numéricas, considerando los retos adicionales que esto conlleva, incluyendo los relativos al uso de nuevas super aleaciones, las mayores presiones y temperaturas que dicho componente deberá resistir debido a la mayor exigencia de las condiciones operacionales, así como a la poco probable pero posible circunstancia del desprendimiento de un alabe de turbina. Este trabajo describe el marco general computacional que supone la implementación de un conjunto de modelos constitutivos de material en combinación con un tipo de formulación termomecánica y otros métodos numéricos que tienen por objetivo la reproducción del comportamiento de metales sometidos a condiciones de alta deformación, alta velocidad de deformación y alta temperatura, como lo son aquellas esperadas en el interior de una carcasa de turbofán de propulsión aeronáutica. Adicionalmente, con el objetivo de calibrar de manera eficiente las ecuaciones constitutivas antes mencionadas, se ha adoptado un complejo enfoque estadístico, incluyendo, en primer lugar, una fase de filtrado de parámetros mediante el uso de técnicas de análisis de sensibilidad, llevando a cabo en un segundo paso un procedimiento de calibración de tipo Bayesiano, apoyado en sustitutos estadísticos basados en procesos Gaussianos, siendo este planteamiento capaz de encontrar los valores óptimos, además de su incertidumbre asociada, en relación a la información disponible. Finalmente, se presenta la validación de todo el esquema, conjuntamente con la aplicación del procedimiento estadístico dual, proveyendo resultados prometedores, no solo desde el punto de vista específico derivado del proyecto en el cual se enmarca este trabajo, sino potencialmente también en una mayor esfera de aplicación científica. El trabajo llevado a cabo ha sido implementando en código numérico de autoría propia, incluyendo el desarrollo matemático y la implementación en código de lenguaje C + + de las diferentes ecuaciones constitutivas, así como de sus algoritmos asociados, la formulación termomecánica numérica conjuntamente con las relaciones materiales derivadas de la misma y las ecuaciones no lineales necesarias para la computación de la discretización temporal y de elementos finitos, los métodos numéricos de integración temporal, en sus formas explícita e implícita, así como los algoritmos de contacto empleados para las simulaciones de impacto. De igual manera, las rutinas responsables de los procesos de meta-modelado y del análisis de sensibilidad global se han programado en código de lenguaje Matlab, mientras que las rutinas encargadas de los inputs para los procesos de calibración y el tratamiento de datos asociado han sido codificadas usando el lenguaje de programación R, haciendo también uso de librerías de calibración Bayesiana preexistentes.