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Fatigue design optimization of structures made in composite materials is limited by the classical approaches used, derived from the knowledge on metallic material fatigue. Other approaches describing damage mechanisms of composites exist but cannot always be applied at the structure scale because of their complexity. However, assumption can be made in the case of beam structures to reduce the structural investigation at the section scale. With these assumptions this paper proposes to compare a progressive fatigue damage model written at the ply scale to the normative approach for the assessment of wind turbine blade section design. It is shown that the normative approach is very conservative and the progressive fatigue damage model gives very useful information to understand the damage propagation at the structure scale., L’optimisation du dimensionnement en fatigue des structures en matériaux composites est aujourd’hui limité par les approches traditionnelles utilisées, dérivées des connaissances sur les métaux. D’autres approches décrivant les mécanismes d’endommagement des matériaux composites existent mais ne peuvent pas toujours s’appliquer à l’échelle de la structure en raison de leur complexité. Des hypothèses peuvent cependant être faites dans le cas de structures de types poutres pour appliquer ce type d’approche à l’échelle des sections. Dans ces conditions, cet article propose de comparer un modèle d’endommagement en fatigue basé sur la description de l’endommagement des stratifiés à l’échelle mésoscopique et l’approche normative pour dimensionner une section de pale d’éolienne. Il apparait alors, que les hypothèses prises par l’approche normative sont fortement conservatives et que le modèle d’endommagement donne de nombreuses informations utiles pour analyser la conception à l’échelle de la structure.

The purpose of this thesis is to propose and identify a model of mechanical fatigue behavior written for the lamina level. The model would be able to predict damage evolution but also residual strength. Studied materials are bi or tri axial glass fibre reinforced plastics fabrics. This work excluded joints areas where out of plane stresses generate strong coupling between intra and inter laminar damage. The main goals of the thesis are: - Identify on the material of the study damage mechanisms and their coupling in quasi-static and fatigue - Characterize and model residual stiffness caused by damage mechanisms - Characterize and model fatigue damage - Characterize and model residual strength caused by damage mechanisms - Implement and test the proposed model (or the one chosen in the literature and changed if necessary) in a computer FE code, L’objet de cette thèse est de proposer et d’identifier un modèle de comportement mécanique en fatigue écrit à l’échelle du pli ou de la couche composite élémentaire. Le modèle doit permettre de prédire l’évolution des dégradations mais également la résistance résiduelle. Les matériaux concernés par cette étude sont des composites renforcés par des tissus de fibres de verre bi ou tri axiaux. Ce travail exclue les zones de liaisons ou de reprise de pli où des contraintes hors plan engendrent des couplages forts entre endommagement intra et inter laminaires. Les principaux objectifs de la thèse sont de : - Identifier sur le matériau de l’étude les mécanismes d’endommagement et leur couplage en quasi-statique et en fatigue - Caractériser et modéliser la perte de rigidité engendrée par les mécanismes d’endommagement - Caractériser et modéliser les cinétiques d’endommagement en fatigue - Caractériser et modéliser les pertes de résistance engendrées par les mécanismes d’endommagement - Implémenter et tester le modèle proposé (ou celui retenu de la littérature et qui sera modifié si besoin) dans un code de calcul EF

This Ph.D. thesis presents some research work on aerodynamics of wind turbine blades, in order to dispose a conception chain necessary for different problems, which cannot be treated by one unique method. A simplified numerical toolkit (VALDAG) has been developed to optimize the performance of blades in different creteria. The simulation module use the Generalized Actuator Disc model, which relies on the solution of Navier-Stokes equations and completed with empiric corrections. This tool respects a reasonable compromise between model complexity and computational reliability. An automatic calibration mechanism was implemented using the Nelder-Mead Simplex algorithm. A web users interface (WUI) is also available to adapt VALDAG for industrial engineers. Optimization is then carried on by modifying the blades’ geometry parameters and the designs optimized is stocked in files which can be used for 3D simulation and/or visualization. The blade designed with VALDAG are then simulated by a 3D numerical tool to validate previous predictions. This 3D tool called NaSCar 3D is developed in INRIA and resolve Navier-Stokes equations on to a cartesian mesh, in which the immersed obstacles are considered with the Level-Set function and the penalization method. After some necessary adaptation for the treatment of blades’ geometry, a compromise on CFD configuration is found to simulate a wind turbine rotor. To conclude, this design toolkit VALDAG is low time-costly, user-friendly and efficient. Associated with 3D simulations, a conception chain has been established.; Ce mémoire présente les travaux réalisés en aérodynamique afin de pouvoir disposer d’une chaîne de conception complète nécessaire au traitement des différentes problématiques sur les pales éoliennes, qui ne peuvent être pris en compte à l’aide d’une méthode unique. Afin de pouvoir faire de l’optimisation de pales en fonction de différents critères, un outil numérique simplifié (VALDAG) a été développé. Le module de simulation utilise la méthode du Disque Actif Généralisé, qui s’appuie sur la résolution des équations Navier-Stokes, complété par des corrections empiriques. Il respecte un compromis entre la précision et le coût de calcul. Cet outil pour lequel une interface web a été développée pour le rendre adapté à des travaux d’ingénierie est susceptible de se calibrer automatiquement sur une nouvelle géométrie de pale grâce à la méthode Nelder-Mead Simplex. On peut ensuite réaliser une optimisation de la performance de la pale en modifiant cette géométrie, et générer les fichiers 3D qui serviront d’entrée à la simulation 3D et de visualisation des optimisations de forme. Ces designs optimisés sont ensuite validés par des simulations DNS à l’aide de l’outil NaSCar 3D développé à l’INRIA. Cet outil résout des équations Navier-Stokes sur un maillage cartésien 3D et prend en compte des obstacles immergés via la fonction Level-Set et la pénalisation. Après des adaptations sur le traitement de la géométrie de pales, un compromis de configuration CFD est trouvé pour simuler un rotor éolien. En conclusion, ce paquet d’outils VALDAG est peu coûteux, facile à utiliser et efficace. En associant VALDAG aux simulations 3D, une chaîne de conception est complétée.

This Ph.D. thesis presents some research work on aerodynamics of wind turbine blades, in order to dispose a conception chain necessary for different problems, which cannot be treated by one unique method. A simplified numerical toolkit (VALDAG) has been developed to optimize the performance of blades in different creteria. The simulation module use the Generalized Actuator Disc model, which relies on the solution of Navier-Stokes equations and completed with empiric corrections. This tool respects a reasonable compromise between model complexity and computational reliability. An automatic calibration mechanism was implemented using the Nelder-Mead Simplex algorithm. A web users interface (WUI) is also available to adapt VALDAG for industrial engineers. Optimization is then carried on by modifying the blades’ geometry parameters and the designs optimized is stocked in files which can be used for 3D simulation and/or visualization. The blade designed with VALDAG are then simulated by a 3D numerical tool to validate previous predictions. This 3D tool called NaSCar 3D is developed in INRIA and resolve Navier-Stokes equations on to a cartesian mesh, in which the immersed obstacles are considered with the Level-Set function and the penalization method. After some necessary adaptation for the treatment of blades’ geometry, a compromise on CFD configuration is found to simulate a wind turbine rotor. To conclude, this design toolkit VALDAG is low time-costly, user-friendly and efficient. Associated with 3D simulations, a conception chain has been established.; Ce mémoire présente les travaux réalisés en aérodynamique afin de pouvoir disposer d’une chaîne de conception complète nécessaire au traitement des différentes problématiques sur les pales éoliennes, qui ne peuvent être pris en compte à l’aide d’une méthode unique. Afin de pouvoir faire de l’optimisation de pales en fonction de différents critères, un outil numérique simplifié (VALDAG) a été développé. Le module de simulation utilise la méthode du Disque Actif Généralisé, qui s’appuie sur la résolution des équations Navier-Stokes, complété par des corrections empiriques. Il respecte un compromis entre la précision et le coût de calcul. Cet outil pour lequel une interface web a été développée pour le rendre adapté à des travaux d’ingénierie est susceptible de se calibrer automatiquement sur une nouvelle géométrie de pale grâce à la méthode Nelder-Mead Simplex. On peut ensuite réaliser une optimisation de la performance de la pale en modifiant cette géométrie, et générer les fichiers 3D qui serviront d’entrée à la simulation 3D et de visualisation des optimisations de forme. Ces designs optimisés sont ensuite validés par des simulations DNS à l’aide de l’outil NaSCar 3D développé à l’INRIA. Cet outil résout des équations Navier-Stokes sur un maillage cartésien 3D et prend en compte des obstacles immergés via la fonction Level-Set et la pénalisation. Après des adaptations sur le traitement de la géométrie de pales, un compromis de configuration CFD est trouvé pour simuler un rotor éolien. En conclusion, ce paquet d’outils VALDAG est peu coûteux, facile à utiliser et efficace. En associant VALDAG aux simulations 3D, une chaîne de conception est complétée.