Thèse Vers la Validation d'Un Modèle Filaire des Conducteurs Aériens pour le Transport d'Énergie H/F - 75

Établissement : Université Paris-Saclay GS Sciences de l'ingénierie et des systèmes
École doctorale : Sciences Mécaniques et Energétiques, Matériaux et Géosciences
Laboratoire de recherche : LMPS - Laboratoire de Mécanique Paris-Saclay
Direction de la thèse : Pierre-Alain GUIDAULT ORCID 0000000256471624
Début de la thèse : 2026-09-01
Date limite de candidature : 2026-04-21T23:59:59

Le travail proposé se place dans le contexte de la prévision du vieillissement des conducteurs aériens pour le transport d'énergie. C'est un des enjeux majeurs des nouvelles politiques de maintenance des gestionnaires de réseau.

Parmi les sollicitations opérationnelles, les vibrations éoliennes induites par le vent sont particulièrement étudiées. Ces vibrations sont susceptibles d'engendrer des dégradations par fretting au niveau des multiples contacts inter-brins/fils au sein des conducteurs. Le fretting, caractérisé par une sollicitation de contact entre deux corps soumis à un déplacement relatif de faible amplitude, peut ainsi accélérer la ruine des lignes aériennes. Il est à noter que les dégradations observées in situ sur le réseau sont principalement localisées au niveau de dispositifs d'ancrage tels que les pinces de serrage ou les manchons.

Dans ce contexte, RTE (Réseau de Transport d'Électricité) déploie des outils [1.] visant à estimer la durée de vie résiduelle des conducteurs en fonction de leur historique opérationnel. Cette connaissance est fondamentale pour l'adaptation des futures politiques de maintenance et de remplacement. Elle permettra en effet de mieux gérer le renouvellement du réseau en procédant à des arbitrages éclairés basés sur des considérations physiques autant que possible.

Les conducteurs étant des structures élancées, ils peuvent subir des grandes rotations globales, même si les glissements inter-brins demeurent de faible amplitude. Afin de modéliser avec robustesse et efficacité le contact ponctuel entre les brins de couches adjacentes, un modèle de contact poutre-poutre opérant en régime de grandes rotations et petits glissements [3.] a été développé. Ce modèle est implémenté au sein d'un code dédié, orienté objet, basé sur la méthode des éléments finis et développé en environnement MATLAB [4.].

Le programme de travail de cette thèse s'articule autour de 2 axes principaux : l'amélioration du modèle filaire existant, basé sur la modélisation de contact poutre-poutre en grandes rotations et petits glissements, suivie de sa validation rigoureuse par confrontation expérimentale.

La prévision du vieillissement des conducteurs aériens pour le transport d'énergie représente un des enjeux majeurs des nouvelles politiques de maintenance des gestionnaires de réseau. Parmi les sollicitations appliquées aux conducteurs durant leur exploitation, les vibrations éoliennes induites par le vent sont particulièrement étudiées. Ces vibrations peuvent entraîner des cas de dégradations de fretting au niveau des nombreux contacts entre brins/fils et accélérer la ruine des lignes aériennes notamment au niveau de certains équipements tels que les pinces de serrage ou manchons. Ce phénomène de fretting-fatigue a été étudié expérimentalement avec et sans corrosion, puis en modélisation via un critère de fatigue multiaxiale dans la thèse de S. Montalvo [13.] par exemple pour les câbles d'ancrage métalliques offshore ou encore dans [2.] pour les conducteurs électriques.

Dans ce contexte, RTE déploie des outils [1.] visant à estimer la durée de vie résiduelle des conducteurs en fonction de leur historique opérationnel. Cette connaissance est fondamentale pour l'adaptation des futures politiques de maintenance et de remplacement. La connaissance des mécanismes de vieillissement permettra en effet de mieux gérer le renouvellement du réseau en procédant à des arbitrages éclairés basés sur des considérations physiques autant que possible. C'est d'autant plus prégnant que les plans de développement du réseau (mentionné dans le document public SDDR) induisent de forts investissements pour accompagner la transition énergétique de la France. Dans ce contexte, ces investissements font contraindre de plus en plus l'argent dédié au renouvellement du réseau, d'où la nécessité de ces travaux visant à arbitrer de manière éclairée les investissements liés à ce renouvellement.

La simulation en tension-flexion de câbles métalliques spiralés monotoron comme les conducteurs électriques conduit cependant à des calculs coûteux notamment en raison des multiples interactions de contact frottant entre les brins mais également des phénomènes non linéaires géométriques induits par les grands déplacements et grandes rotations. Aussi, un besoin fort de modèles et d'outils de simulation prédictifs, efficaces et robustes se fait ressentir dans ce domaine. Ainsi, un élément de contact poutre-poutre en petits glissements mais grandes rotations a été développé sous la forme d'un élément utilisateur dans ABAQUS au cours de la thèse de F. Bussolati menée en collaboration avec IFP Énergies nouvelles [9.] [10.][11.] [12.] et a permis de réduire de façon significative le coût de calcul d'une telle simulation. Cette approche a également été exploitée dans les travaux de thèse de K. Aït Ammar menés en collaboration avec RTE pour les conducteurs aériens [4.][6.][6.][7.][8.]. Développé dans un code orienté objet en langage MATLAB, il offre un environnement de développement mieux maîtrisé permettant d'intégrer un grand nombre d'interactions et de couplages afin de prendre en compte des conditions limites et des chargements complexes ce qui est crucial pour simuler les interactions multiples entre un tronçon de conducteur et son environnement. Le modèle développé nécessite cependant d'être amélioré sur ces différents aspects et surtout d'être validé sur la base de résultats d'essais.

Les conducteurs étant des structures élancées, ils sont susceptibles de subir de grandes rotations même si les glissements inter-brins peuvent rester relativement petits. Pour cela, un modèle de contact poutre-poutre en grandes rotations et petits glissements [3.] a été mis en place afin de prendre en compte de manière robuste et efficace le contact ponctuel entre brins appartenant à des couches adjacentes au sein d'un conducteur. Il a été développé dans une code dédié élément finis orienté objet en langage Matlab [4.].

Le programme de travail de cette thèse s'articule autour de 2 axes principaux : l'amélioration du modèle filaire existant, basé sur la modélisation de contact poutre-poutre en grandes rotations et petits glissements, suivie de sa validation rigoureuse par confrontation expérimentale.

La première étape du projet consistera en une appropriation du sujet et notamment du contexte industriel. Il s'agira également de mener une étude bibliographique sur les formulations de contact poutre-poutre, les formulations poutre en grandes rotations, la mécanique des câbles, les couplages cinématiques en moyenne afin de modéliser les conditions limites à imposer sur un tronçon de câble de longueur métrique.

Dans un second temps, le modèle filaire développé dans un code orienté objet en langage MATLAB au cours de la thèse de K. Aït Ammar sera étendu. Il s'agira tout d'abord d'améliorer les conditions limites proposées (couplage surfacique en moyenne de déplacement) à imposer aux extrémités d'un tronçon de câble (évitant les effets de bord pénétrants) et de confronter les résultats à ceux obtenus avec un couplage similaire disponible dans le code commercial ABAQUS. La nécessité d'imposer des contraintes supplémentaires sur les déplacements à l'échelle microscopique sera investiguée afin par exemple de prendre en compte des conditions de périodicité. L'élément de contact poutre-poutre en petits glissements sera également étendu afin de prendre en compte le contact avec un massif rigide de surface simple (cylindrique ou torique par exemple) modélisant une interaction avec une pince de serrage par exemple ou un davier réputé être indéformable par comparaison au conducteur lui-même. Cette intégration est indispensable car les zones d'ancrage sont des lieux privilégiés des dégradations observées sur le réseau. La validation de l'implémentation et l'analyse des limites et des performances sera menée (i) sur des cas tests élémentaires académiques puis (ii) sur le cas d'un tronçon de conducteur de longueur métrique en tension-flexion en interaction avec une pince de serrage supposée rigide.

Dans un troisième temps, il s'agira d'étendre la formulation de contact poutre-poutre proposée au cas du contact linéique qui survient entre fils/brins appartenant à une même couche dans un conducteur. Même si ces contacts sont moins sollicités et a priori moins sujet au phénomène de fretting que les contacts ponctuels entre brins de couches adjacentes, ils peuvent néanmoins influer de façon significative sur le comportement en tension-flexion du conducteur. Un autre phénomène à intégrer dans l'outil et initialement développé dans [10.] concerne la prise en compte du roulement d'un fil sur un autre induit par les phénomènes d'adhérence au contact. Dans le cas de conducteur avec un angle d'enroulement important et/ou un faible nombre de couches, le roulement peut avoir un effet non négligeable sur le comportement mécanique du conducteur. Enfin, afin de prendre en compte les phénomènes d'indentation qui surviennent aux contacts ponctuels entre brins en acier et en aluminium, il sera nécessaire d'adapter la loi de contact afin de prendre en compte l'anisotropie du contact frottant induit par les déformations plastiques localisées au contact. Un modèle poutre à section rigide ne permettant pas de modéliser celles-ci, il est en effet nécessaire d'intégrer au moins leur effet au niveau de la loi de contact frottant. Une autre piste serait de proposer un élément de poutre à section déformable mais pour un coût de calcul supplémentaire. Un tel compromis entre efficacité et complexité pourra être investigué.

Dans un quatrième temps, nous nous intéresserons à la validation expérimentale exhaustive du modèle filaire ainsi amélioré. Cette phase s'appuiera sur les résultats d'essais de tension-flexion sur davier réalisés en collaboration entre RTE et IFP Énergies nouvelles. La stratégie consistera à d'abord calibrer le modèle, en ajustant notamment les coefficients de frottement inter-brins, à partir des données macroscopiques (réponse globale Effort/Déplacement). Ensuite, il s'agira de confronter les résultats locaux du modèle, tels que les glissements relatifs et les contraintes de contact, les déformations axiales dans les brins avec les observations détaillées des essais et les zones de dégradation potentielles. Le succès de cette validation confirmera la capacité de l'outil numérique à reproduire fidèlement le comportement mécanique complexe du conducteur, ouvrant la voie à son application pour l'estimation fiable de la durée de vie résiduelle en conditions opérationnelles.