Auswahl der wissenschaftlichen Literatur zum Thema „Éolienne flottante“

Cet article présente un aperçu des défis associés à la géotechnique offshore. Il détaille d’abord les types de structures utilisées pour la production d’hydrocarbures ainsi que leurs fondations typiques et les charges auxquelles elles doivent résister. Il donne un bref exposé des reconnaissances géophysiques et géotechniques qu’on utilise pour l’identification des géo-aléas lors des phases conceptuelles des projets. Il examine ensuite les méthodes de dimensionnement des pieux battus sous charge axiale dans les argiles et dans les sables. Les avantages et limitations des méthodes incluses dans les normes API et ISO sont débattus et les méthodes CPT pour le dimensionnement dans les sables sont présentées, ainsi que l’amélioration des prédictions des capacités portantes qu’elles permettent. L’article présente aussi les développements récents dans le domaine de l’analyse des pieux sous charges latérales dans les argiles. Une nouvelle génération de courbes p-y y sont introduites pour l’analyse des pieux sous charges monotones, cycliques, ou encore pour des analyses de fatigue. L’article aborde enfin le grand défi que sont l’application et le transfert des connaissances du secteur pétrolier au secteur éolien offshore, actuellement en plein essor. Il compare les types de structures et fondations utilisées dans l’éolien offshore fixe et flottant, et expose les différences de comportement des pieux et les dissimilitudes des charges cycliques entre les deux secteurs. Certaines des limites de l’utilisation des connaissances du secteur pétrolier au secteur éolien y sont résumées.

Les outils de calcul actuels pour la modélisation numérique multi-physique (vent, vagues, courant, etc.) d’une éolienne flottante ont besoin de validations par des campagnes expérimentales. L’objectif de ce travail est le développement et la validation d’un dispositif expérimental dédié aux essais en bassin à houle d’une éolienne flottante, en se concentrant sur la représentation des efforts du vent. Pour cela, une approche hybride combinant modélisations physique et numérique est développée, appelée “software-in-the-loop” (SIL). Le développement des différentes briques composant un système SIL inclut (i) la sélection et le développement du modèle numérique (ii) le dimensionnement du système de reproduction des efforts (actionneurs) et (iii) la définition de l’environnement temps-réel pour l’intégration du modèle numérique, le contrôle des actionneurs, et l’acquisition des grandeurs mesurables. Pour caractériser et identifier les performances du système SIL, des méthodologies dédiées sont développées. Des bancs d’essais spécifiques sont construits, et des essais en bassin d’une éolienne flottante sont réalisés. Ces essais en bassins sont ensuite comparés à des simulations couplées aéro-hydro-servo structure pour investiguer les hypothèses du modèle d’efforts hydrodynamiques
Actual calculation tools for the multi physical numerical modeling (wind, waves, current, etc.) of a floating wind turbine need validation through experimental campaigns. The objective of this work is the development and validation of an experimental apparatus dedicated to floating wind turbines wave tank testing, focusing on the representation of wind turbine forces. A hybrid approach combining physical and numerical modeling is developed, called “software-in-the-loop” (SIL). The development of the different subsystems of an SIL system includes (i) the selection and development of the numerical model (ii) the design of the force reproduction system (actuators) and (iii) the definition of the real time environment for the integration of the numerical model, the control of actuators, and the data acquisition. To characterize and identify the performances of the SIL system, dedicated methodologies are developed. Specific test benches are built, and wave tank tests of a floating wind turbine are carried out. These wave tank tests are then compared to coupled aero-hydro-servo structure simulations to investigate the hypotheses of the hydrodynamic force model

Le présent travail est une étude sur la modélisation des éoliennes flottantes alliant à la fois des chargements hydrodynamiques et aérodynamiques. L’approche expérimentale a tiré profit de la grande soufflerie de Luminy opérée par le MIO (Institut Océanologique de Méditerranée), unissant une soufflerie de très bonne qualité avec un bassin équipé de systèmes de génération de houle et de courant. Les dimensions de cette installation imposent un travail à échelle très réduite introduisant ainsi les interrogations sur les similitudes à respecter (Reynolds, Froude) et les complexités de maquettage. Ces travaux ont permis de développer des outils numériques avec d’un côté une approche fréquentielle basé sur un code utilisant les éléments finis développé par l’IFP au début des années 70, et de l’autre, une approche temporelle basé sur les formulations de Morison ou de Rainey permettant l’introduction de méthodes avancées de calculs des efforts aérodynamiques
The present work focuses on the modeling of the hydrodynamic and aerodynamic loads on a floating wind turbine. The experimental approach took advantage of the wind and wave flume in Luminy operated by the MIO (Mediterranean Institute for Oceanography) comprising a wind tunnel with a very high flow quality blowing over a wave tank. The dimensions of the installation impose working at very small scales for which the similitudes (Reynolds, Froude) introduce high modeling complexities. This work allowed the development of numerical tools using one the one hand a frequency domain approach based on a finite element code developped by IFP¨in the early seventies, and in the other hand a time-domain approach based on Morison or Rainey formulation for hydrodynamic loads allowing the introduction of advanced methods for aerodynamic loads computation

Ce travail porte sur l'étude expérimentale du comportement dynamique d'une éolienne flottante sous l'action conjuguée de la houle et du vent. Pour cela, un nouveau moyen d'essai permettant la génération de vent a été développé sur le bassin de houle de l'École Centrale de Nantes. La qualification aérodynamique de ce dispositif a mis en évidence un faible taux de turbulence et une bonne homogénéité spatiale. Ce dispositif permet également la génération de fluctuations de vitesse basses fréquences par contrôle de la vitesse de rotation des ventilateurs. Dans un second temps, un modèle réduit d'éolienne flottante a été dimensionné à l'échelle du 1/50e suivant une méthodologie adaptée à ce type d'essai. Cette maquette a ensuite été étudiée en bassin afin de caractériser son comportement sous l'action de la houle et du vent. L'influence de la direction principale de la houle par rapport au vent ainsi que d'un vent fluctuant possédant les caractéristiques d'un spectre de vent marin est aussi évoquée dans ce document. Les résultats de ces essais ont finalement fait l'objet d'une première comparaison avec un modèle numérique développé au LHEEA. Parallèlement, les résultats des essais ont également été comparés avec une approche simplifiée remplaçant le rotor par un disque équivalent en termes de traînée aérodynamique afin de valider ou non ce type de simplification.

Suite à la mise en place de politiques publiques favorisant les énergies renouvelables, la construction de fermes éoliennes offshore est en plein essor aux quatre coins du monde. Or, la technique de l'éolienne offshore posée, la seule utilisée actuellement, n'est pas viable économiquement dans des eaux trop profondes. Ceci représente un sérieux frein au développement de l'énergie éolienne. Pour cette raison, la communauté scientifique s'intéresse depuis plusieurs années aux éoliennes sur plates-formes flottantes. En eau profonde, cette technologie est intéressante. Mais le fait que l'éolienne ne soit pas encastrée au fond de la mer augmente très significativement les sollicitations mécaniques induites par les vagues.Pour réduire ces sollicitations qui ont de nombreux effets néfastes, différentes approches sont possibles. Essayer de compenser les oscillations « avant-arrière » du mât de l'éolienne en pilotant la force de poussée exercée au niveau du rotor a déjà été écarté dans la littérature. Nous nous sommes concentrés sur l'ajout d'un dispositif de stabilisation interne à la plate-forme, de type Tuned Liquid Column Damper (un tube en U contenant un liquide, TLCD, encore appelé tube anti-roulis), utilisé dans d'autres contextes. Le dispositif que nous proposons est un dispositif actif où les paramètres du TLCD sont ajustés en temps réel, au cours du mouvement induit par les vagues. La mise à jour des paramètres suit une stratégie reposant sur une analyse des interactions entre le TLCD et la plate-forme (appelée ici barge) sur laquelle est installée l'éolienne. Nous avons modélisé le mouvement de la barge seul et son couplage avec le TLCD dans le plan grâce à une approche Lagrangienne. Nous avons étudié les effets des interactions du TLCD avec la barge dans le cas où le coefficient de perte de charge dans le tube était constant. Les limites de cette approche ont été détaillées grâce aux résultats classiques de la littérature sur les oscillateurs mécaniques couplés. Nous nous sommes ensuite concentrés sur une approche active consistant à modifier les caractéristiques du système en temps réel. Nous avons proposé des stratégies de type Linear Quadratic Regulator et de type Model Predictive Control agissant sur le coefficient de perte de charge. Dans un deuxième temps, les simulations nous ont ensuite permis d'écarter la commande MPC dont le rapport performance / complexité n'est pas favorable par rapport à la commande LQR dans ce cas précis.Une étude plus générale du système, en trois dimensions, nous a permis de vérifier que le TLCD classique dans sa version passive ou dans la version active que nous proposions n'est pas du tout robuste à l'incidence de la houle. Nous avons donc imaginé et modélisé des dispositifs inspirés du TLCD mais permettant d'amortir les oscillations de la houle de manière efficace, indépendamment de l'incidence de la houle. Nous avons nommé ces dispositifs TLMCD, pour Tuned Liquid Multiple Columns Damper.Les dispositif que nous proposons sont des systèmes TLMCD actifs. Ils sont conçus d'après les modélisations 3D que nous avons développées et une étude des coûts. Pour ces dispositifs, nous avons aussi détaillé les spécificités de la synthèse des stratégies LQR pour amortir les oscillations de la barge indépendamment de l'incidence de la houle.La performance de ces solutions d'amortissement a finalement été évaluée par simulation pour un large éventail de conditions de houle, couvrant les spécifications d'un “ cahier des charges ” que nous présentons. On observe une réduction des oscillations en roulis de la barge qui peut atteindre un facteur 4 par rapport à l'éolienne flottante sans TLCD. Ces résultats nous montrent que le dispositif TLMCD que nous proposons est un dispositif intéressant pour amortir de manière significative, robuste et économiquement abordable notre système
Thanks to the recent policies of subsidizing renewables energies, constructions of offshore wind farms are booming all over the world. Yet, fixed-bottom wind turbine technology, the only one currently deployed, are too costly for deep waters. This hinders the development of wind power. This is why the scientific community has an interest in floating wind turbines (FWT). The cost of these wind turbines does not depend much on water depth. But since the wind turbine is not fixed into the seabed, the mechanical stress caused by the waves significatively raises.To reduce these detrimental loads, different approaches can be used. The litterature already discarded the control of the wind thrust applied on the rotor to compensate the "fore-aft" oscillations of the tower. We focused on stabilizing floating wind turbine by means of an attached damping system placed inside the float, it is a Tuned Liquid Column Damper (a U-tube containing a liquid, TLCD, also known as anti-roll tank), used in other areas. The damper we propose is an active system where TLCD parameters are continuously modified. Parameters are updated according to a strategy defined thanks to an analysis of the interactions between TLCD and the float (referred to as barge) supporting the wind turbine. We modelled the coupled dynamics of the barge and the TLCD in the vertical plan using a Lagrangian approach. We studied the motions of the damped system for a constant head-loss coefficient in the TLCD. The limits of this approach were detailed thanks to the classic results in double oscillators literature. Then, we focused on an active approach involving a time varying of the head-loss coefficient. We proposed Linear Quadratic Regulator and Model Predictive Control strategies to determine the head-loss coefficient. At a later stage, simulations enabled us to discard the MPC strategy as its complexity/performance ratio is rather bad compared to the LQR strategy in this particular case.A more general study of the system, in three dimensions, showed us that the TLCD is not robust against wave incidence. Therefore, we imagined and modeled new dampers inspired by the TLCD, which can damp the float effectively, regardless of the wave incidence. We named those dampers Tuned Liquid Multiple Column Damper (TLMCD).The dampers we propose are active TLMCD. Their designs are based on their dynamic properties and a cost study. We also detailed the specificities of LQR design to ensure the best possible robustness against wave incidence.The performance of the proposed TLMCD dampers was assessed through numerical simulations for a wide range of sea conditions. We observe that barge roll can be reduced by a factor of four compared to the undamped FWT. These results show us that the TLMCD we propose is interesting to damp significantly, robustly and economically our FWT

Les éoliennes flottantes permettent d’utiliser l’abondante ressource en vent présente au large des côtes, et sont considérées comme une source prometteuse d’énergie renouvelable. Cependant, en raison de dynamiques supplémentaires introduites par la plateforme flottante (notamment, le tangage), le contrôle d’une éolienne flottante doit être pensée afin de stabiliser le système tout en optimisant la production d’énergie. Ce travail est consacré à la commande non linéaire d’éoliennes flottantes dans la région III, la classe de lois de commande proposée nécessitant une connaissance réduite en terme de modélisation du système. Les objectifs de la commande sont de maintenir la puissance produite à sa valeur nominale, tout en li mitant le mouvement de tangage de la plateforme et les charges de fatigue sur la structure. Tout d’abord, une loi de commande adaptative basée sur le supertwisting est proposée, avec notamment une loi d’adaptation du gain très simple. Ensuite, en utilisant un contrôle collectif du pas des pales, ce nouvel algorithme de commande est appliqué sur un modèle d’éolienne flottante non linéaire et comparé à d’autres commandes adaptatives par modes glissants d’ordre 2. Dans un second temps, une machine synchrone à aimants permanents est supposée être installée dans l’éolienne flottante. L’utilisation du pas des pales (approche collective) et du couple du générateur permet d’atteindre les objectifs, à partir de lois de commande basées sur une approche adaptative par mode de glissement d’ordre 2. Une troisième partie est consacrée à l’étude d’une commande individuelle du pas des pales combinée à une commande collective. Il est montré qu’un tel algorithme limite la charge de fatigue des pales. Enfin, des lois de commande sont appliquées et comparées sur un système expérimental d’éolienne flottante placé dans un bassin à houle. Les performances des lois de commande basées sur les modes glissants sont évaluées par rapport à des approches de commande linéaire telles qu’un PI à gain variable, et une commande linéaire quadratique
Floating wind turbines allow the use of the abundant wind resource in ocean area and are considered as a promising solution of renewable energy. However, due to the additional dynamics (especially the platform pitch motion) introduced by the floating platform, the control of a floating wind turbine must take such pitch motion into consideration to stabilize the system meanwhile optimizing the power output. This work is dedicated to the nonlinear control of floating wind turbines in region III, this class of controllers requiring reduced knowledge of system modeling and parameter. The control objectives are to maintain the power output at its rated value, to reduce the platform pitch motion and to limit the fatigue load. Firstly, a simplified adaptive super-twisting is proposed. Then, by using collective blade pitch control, this algorithm and other adaptive high order sliding model algorithms are applied on a nonlinear floating wind turbine model. Secondly, a permanent magnet synchronous generator is supposed to be installed in the floating wind turbine. Both collective blade pitch control and generator torque control based on adaptive high-order sliding mode control are used to achieve the control objectives. Thirdly, individual blade pitch control combined with collective blade pitch control is employed. Such algorithm further reduces the fatigue load of blades. Finally, the proposed simplified adaptive super-twisting algorithm is validated on an experimental floating wind turbine set-up (with a spar-buoy platform) in a wave tank, and the control performances are evaluated versus linear control approaches such as gain-scheduled PI and linear–quadratic regulators

Les travaux présentés portent sur la modélisation du comportement mécanique des câbles dynamiques (ou ombilicaux) utilisés pour transporter le courant électrique produit par des éoliennes flottantes. Le comportement global de poutre du câble et l'état de contraintes local, indispensable pour aborder une estimation de sa durée de vie, sont caractérisés par un modèle détaillé du câble à l'échelle locale. L'approche proposée est basée sur une résolution éléments finis du problème d'homogénéisation des poutres périodiques. Le problème 3D local est posé sur une période axiale du câble, ce qui permet d’exploiter la symétrie hélicoïdale et de minimiser la taille du modèle qui a un impact direct sur les temps de calcul. En effet, il est nécessaire de prendre en compte les non-linéarités géométriques et de contact, ces dernières ayant une importance primordiale pour des sollicitations en flexion. La première étape de ce travail consiste à s'intéresser aux différents modèles de la littérature sur les câbles métallique et dynamiques. De nombreux modèles, analytiques ou numériques, permettent de traiter le problème axial. Néanmoins, prendre en compte le cas de la flexion apparaît délicat, en particulier lorsque le câble est précontraint. En effet, selon les efforts de contact et de la valeur de flexion que subit le câble, le contact entre ses constituants peut être collant ou glissant avec frottement, et influence alors sa rigidité à la flexion. Les différentes approches numériques pour résoudre les problèmes de contact sont également présentées. Par la suite, une méthodologie robuste et rapide est proposée pour générer les modèles numériques afin de les importer dans un logiciel élément finis standard (ABAQUS). Différents choix de modélisations sont alors définis utilisant des éléments volumiques ou poutres. Les premiers résultats portant sur les câbles métalliques sont analysés et comparés à différents modèles analytiques dans le but de valider l'approche proposée. Finalement, la méthode est appliquée à un câble dynamique de 20KV dans le cas de chargements cycliques afin de déterminer son comportement d’hystérésis en flexion. Les résultats obtenus sont alors comparés à une étude expérimentale réalisée en parallèle des calculs
The present work introduces a new approach for modelling the mechanical behaviour of dynamic subsea cables (or umbilicals) used to transport the electric current produced by floating wind turbines. The overall beam behaviour of the cable and the local stress state which are essential to assess its operating life are characterized by a detailed model of the cable at the local scale. The proposed approach is based on the homogenization theory of periodic beamlike structures, with the local problem posed on the cable axial period being solved using the finite element method. This approach fully utilises the cable’s helical symmetry, thus minimizing the size of the computational domain. Consequently, accounting for geometry complexity and contact interaction, which are of paramount importance for bending loads, is more straightforward. The first step of this work investigates the different models of the literature on metallic and dynamic cables. Many analytical or numerical models deal with the axial problem. Neverthless, taking into account the bending case appears more complex especially when the cable is prestressed. In fact, depending on the contact forces and the cable curvature, the contact between its constituents can be in stick state or in sliding state with friction and then influences its bending stiffness. The different numerical approaches to solving contact problems are also presented. Subsequently, a robust and fast methodology is presented to generate and to import numerical model into standard finite element software (ABAQUS). Several models choices are then defined using solid or beam elements. The first results relating to metallic cables are analyzed and compared to analytical models for the purpose of validating the proposed approach. Finally, the method is applied to a dynamic cable of 20KV in the case of cyclic loads in order to determine its bending hysteresis behavior. The results obtained are then compared with an experimental study carried out in parallel of the calculations

On propose dans ce travail une méthodologie pour le suivi en service des lignes d'ancrage des éoliennes flottantes. Tout d’abord, une expression empirique de la raideur dynamique d'un câble en nylon est obtenue à partir des données d'essais dans la littérature. Une procédure pratique de modélisation est proposée en tenant compte de la raideur axiale dynamique non-linéaire des câbles en nylon. La deuxième partie est consacrée à la prédiction de la durée de vie des lignes d’ancrages. Des méthodes avancées pour l’analyse de fatigue dans le domaine fréquentiel et la simulation des réponses non-linéaires sont donc également étudiées afin de réaliser une estimation rapide de la fatigue et de la résistance dans un cadre fiabiliste. La présente méthodologie vise à faciliter la prise de décisions concernant la maintenance ou le remplacement des lignes en fonction du niveau de fiabilité estimé à différents instants
In this work a methodology for service life monitoring of mooring lines of floating wind turbines is proposed. First, an empirical expression of dynamic stiffness of a nylon rope is obtained from the testing data in the literature. A practical modeling procedure is proposed which allows accounting for the non-linear dynamic axial stiffness of nylon mooring ropes. The second part is devoted to the prediction of fatigue life of mooring lines. Cutting-edge methods for fatigue analysis in frequency domain and for simulation of nonlinear mooring response are investigated in order to perform a quick fatigue estimate and strength check in a reliability framework. The present methodology aims to support making decisions regarding maintenance or replacement of lines based on the level of reliability estimated during the expected service life

La simulation numérique des éoliennes flottantes est essentielle pour le développement des Energies Marines Renouvelables. Les outils de simulation classiquement utilisés supposent un écoulement stationnaire sur les rotors. Ces théories sont généralement assez précises pour calculer les forces aérodynamiques et dimensionner les éoliennes fixes (à terre ou en mer) mais les mouvements de la plateforme d’une éolienne flottante peuvent induire des effets instationnaires conséquents. Ceux-ci peuvent par exemple impacter la force de poussée sur le rotor. Cette thèse de doctorat cherche à comprendre et à quantifier les effets de l’aérodynamique instationnaire sur la tenue à la mer des éoliennes flottantes, dans différentes conditions de fonctionnement. L’étude montre que les forces aérodynamiques instationnaires impactent les mouvements de la plateforme lorsque le rotor est fortement chargé. Les modèles quasi-stationnaires arrivent néanmoins à capturer la dynamique des éoliennes flottantes avec une précision suffisante pour des phases de design amont. Les éoliennes flottantes à axe vertical sont elles aussi étudiées pour des projets offshore puisqu’elles pourraient nécessiter des coûts d’infrastructure réduits. Après avoir étudié l’influence de l’aérodynamique instationnaire sur la tenue à la mer de ces éoliennes, une comparaison est menée entre éoliennes flottantes à axe horizontal et à axe vertical. Cette dernière subit une importante poussée aérodynamique par vents forts, induisant de très grands déplacements et chargements
Accurate numerical simulation of thesea keeping of Floating Wind turbines (FWTs) is essential for the development of Marine Renewable Energy. State-of-the-art simulation tools assume a steady flow on the rotor. The accuracy of such models has been proven for bottom-fixed turbines, but has not been demonstrated yet for FWTs with substantial platform motions. This PhD thesis focuses on the impact of unsteady aerodynamics on the seakeeping of FWTs. This study is done by comparing quasi-steady to fully unsteady models with a coupled hydro-aerodynamic simulation tool. It shows that unsteady load shave a substantial effect on the platform motion when the rotor is highly loaded. The choice of a numerical model for example induces differences in tower base bending moments. The study also shows that state of the art quasi-steady aerodynamic models can show rather good accuracy when studying the global motion of the FWTs. Vertical Axis Wind Turbines (VAWTs) could lower infrastructure costs and are hence studied today for offshore wind projects. Unsteady aerodynamics for floating VAWT sand its effects on the sea keeping modelling have been studied during the PhD thesis,leading to similar conclusions than for traditional floating Horizontal Axis Wind Turbines (HAWTs). Those turbines have been compared to HAWTs. The study concludes that, without blade pitch control strategy, VAWTs suffer from very high wind thrust at over-rated wind speeds, leading to excessive displacements and loads. More developments are hence needed to improve the performance of such floating systems

La fonction principale des systèmes d'ancrage des éoliennes offshore flottantes est de limiter les mouvements du support. Les lignes d'ancrage qui les composent sont typiquement constituées de chaînes, de câbles aciers, de câbles synthétiques ou d'une combinaison de ces composants.Dans cette thèse, on se concentre sur les câbles en acier qui permettent de réduire le poids et d'augmenter la résistance en tension par rapport aux chaînes. Leur dimensionnement dépend des chargements en tension et flexion, liés aux mouvements du flotteur sous l'action de la mer et du vent.L'objectif de la thèse est le développement d'un nouveau modèle numérique pour prédire la durée de vie en fatigue des câbles d'ancrage d'une éolienne offshore flottante. Il doit notamment simuler les glissements relatifs entre les fils au cours d'une flexion du câble. Des résultats d'essais de tension-flexion de la littérature ont en effet montré que la première rupture est localisée près du plan neutre de flexion, où ces déplacements relatifs sont les plus grands. Cet effet majeur sur la durée de vie du câble n'est pas pris en compte par les lois de fatigue en tension-tension des normes de design offshore actuelles.Il faut aussi remarquer que l'utilisation d'un modèle détaillé de câble dans une démarche de dimensionnement à la fatigue représente un vrai défi. Le nombre élevé d'interactions de contact à modéliser, de l'ordre de plusieurs milliers par mètre de câble, et le grand nombre de cas de chargement rendent ce type de calculs très coûteux.Les chargements qui sont utilisés dans le modèle local de câble sont issus de calculs globaux réalisés à l'aide d'un logiciel multiphysique (Deeplines). Ce logiciel permet de simuler les conditions environnementales (vent, houle, courant) appliquées sur l'ensemble de la structure offshore.Nous montrons que le comportement non linéaire en flexion du câble, lié aux interactions de contact entre les fils, n'influence pas significativement les résultats du modèle global. Cette observation justifie une démarche de type descendante, les calculs globaux pouvant être réalisés en première étape. Les évolutions temporelles des tensions et courbures globales sont appliquées uniformément sur le fil central du modèle local du câble. La continuité du câble est représentée par des conditions de périodicité reliant les sections de bord à des points internes du modèle situés sur la même position circonférentielle. Les fils sont modélisés par des éléments poutres. On obtient les contraintes généralisées sur les fils, les forces de contact et les glissements relatifs. Des premières analyses ont montré que les déplacements relatifs entre les fils restent petits dans notre cadre d'application. Afin de réduire le coût calcul, nous avons développé un nouvel élément de contact entre poutres non parallèles, avec un appariement fixe de contact, dans l'hypothèse de petits glissements mais en grands déplacements et grandes rotations. Des tests numériques montrent l'amélioration obtenue, avec un résultat plus proche d'un modèle de référence qui considère un contact surfacique. De plus, le nouveau modèle réduit significativement le coût calcul et se montre plus robuste en convergence, ce qui s'avère crucial pour un calcul de fatigue. Les sorties du modèle local sont ensuite utilisées pour prédire un état de contrainte 3D, en exploitant des solutions analytiques de contact entre corps cylindriques. Finalement, un critère de fatigue multiaxial de la littérature est appliqué pour évaluer le risque en dommage
The main function of mooring systems of floating offshore wind turbines is to ensure station keeping. The mooring lines can be composed of chains, wire ropes, synthetic ropes, or even a combination of them. In this thesis we focus on wire ropes, whose advantage over chain is to sustain high tension at a lower weight. Their design must consider the successive tension and bending loading induced by the floater movement for various wind and waves conditions.The thesis purpose is to develop a new numerical model, dedicated to the prediction of fatigue damage in mooring wire ropes of a floating wind turbine. In particular it has to simulate the relative movements between the wires when the rope is bent. Results from free-bending fatigue tests in the literature show the importance of these effects, since the first rupture is localized near the neutral plane, where fretting is more important. This phenomenon affecting the fatigue life is not considered by fatigue criteria of current offshore standards, which are related to tension-tension loading.It is worth noting that the use of a detailed model of wire rope in a fatigue design procedure represents a real challenge. The high number of contact interactions to be modeled, which are several thousands per meter of rope, and the large amount of loading cases make this type of computations extremely time-consuming.The loading used in the developed local model of wire rope is obtained from global computations performed with a dedicated multiphysics software (Deeplines). This software allows to simulate the environmental conditions (wind, waves, current) applied on the whole structural system.Some preliminary computations showed that the nonlinear bending behavior of the wire rope, linked to the wire contact interactions, does not significantly affect the output of the global model. This observation justifies the use of a top-down scheme, with a prior computation of the global scale.The global scale tension and curvature are then uniformly imposed on the central wire of the local model. The continuity of the rope is represented by periodic conditions which link the end sections to points within the model, at the same circumferential locations. The wires are modeled by beam elements. The outputs at the local scale are the stress resultants on the wires, and the contact forces and relative displacements at contact locations.Small sliding between the wires has been observed from first numerical analysis, for a representative loading case. Therefore, in order to reduce the computational cost of the wire rope model, a new node-to-node contact element has been developed, dedicated to the modeling of contact between non-parallel beams with circular cross section. It assumes fixed contact pairing and finite rotations. Numerical benchmarks and experimental tests on wire ropes show the improvement with results closer to a reference surface-to-surface model, when compared to standard algorithm for the simulation of contact between beams. Moreover, the new model reduces significantly the CPU cost and is also more robust, which is crucial for fatigue life estimates.The outputs of the local scale model are then used to obtain the complete 3D stress state by means of analytical solutions of contact between solids with cylindrical shape. Finally, a multiaxial fatigue criterion is applied in order to assess the safety of the system