Brevet FR2130368A1 — publié le 19721103

-1- 2130368 La présente invention concerne des améliorations à la réalisation de l'âme d'un matériau sandwich; elle vise plus particulièrement à réaliser une âme à double ondulation, dont la surface de base présente des ondulations dans deux direc-5 tions orthogonales . Pour réaliser l'âme d'un matériau sandwich, on connaît actuellement divers types de structures, par exemple des feuilles ondulées, des nids d'abeilles ou des matériaux alvéolaires» Parmi ces diverses structures d'âmes, la plus utilisée 10 est constituée par une simple feuille ondulée, du fait de la simplicité de sa forme. Toutefois, ce type d'âme n'a pas donné entièrement satisfaction eu égard a. la résistance. Par exemple, des âmes ondulées (comportant soit des ondulations sinusoïdales, soit des ondulations en dents de scie) sont fa-15 ciles à fabriquer, mais présentent une orthotropie notable en module de cisaillement. De ce fait, on n'obtient l'effet de raidissement que dans une seule direction. Par ailleurs, une âme de ce type présente 1.'inconvénient qu'elle résiste mal à une force s'exerçant dans une direction perpendiculaire à la 20 feuille de revêtement ou semelle. D'autre part, des âmes plastiques présentant sur les deux faces des projections alternées en forme de mamelons ont un module de cisaillement isotropique, mais relativement faible. En outre, de telles âmes sont extrêmement difficiles à fabriquer dans d'autres matériaux que 25 des matières plastiques. On a récemment proposé une âme à double ondulation, présentant des ondulations périodiques dans deux directions (voir par exemple le brevet E.U.A. 2 963 128). En théorie, cette âme à double ondulation a une résistance supérieure aux âmes 30 à simple ondulation. L'âme à double ondulation résiste beaucoup mieux à l'aplatissement dans une direction perpendiculaire à la semelle que les âmes à simple ondulation; par ailleurs, son module de cisaillement peut avoir une orthotropie contrôlée; en outre,, du fait que l'âme à double ondulation pré-35 cédemment proposée a une surface développable, on peut théoriquement la fabriquer à partir d'un matériau en feuilles non ductile. En dépit de ces caractéristiques supérieures, la production à l'échelle industrielle d'âmes à double ondulation s'est 40 heurtée à des difficultés, au moins pendant ces dix dernières 72 09365 -2- 2130363 années. Lorsque l'on produit une âme à double ondulation en coudant simplement une feuille par utilisation de son caractère développable, la difficulté rencontrée réside en la discontinuité générale de la ligne de pliage. Ce problème ne peut guère être 5. résolu. D'autre part, lorsque l'on produit une âme à double ondulation en déformant une feuille en utilisant la ductibilité du matériau, la difficulté rencontrée réside en ce que l'importance de la déformation sur les crêtes des ondulations excède de façon générale la déformabilité du matériau et qu'il en ré-10 suite une rupture de ce dernier. lorsque l'on travaille à chaud un plastique ayant une ductibilité élevée, le matériau peut ne pas être rompu, mais les crêtes des ondulations présentent des défauts, à savoir amincissement excessif et absence de parties plates. 15 En outre, dans l'âme à double ondulation classique, les crêtes des ondulations sont rendues aiguës afin d'assurer le caractère développable et une telle âme est difficile à coller sur une semelle. La présente invention propose une âme à double ondulation 20 améliorée ne présentant pas les défauts de l'âme à double ondulation classique et facile à coller sur une semelle. Selon la présente invention, on peut produire à l'échelle industrielle une feuille d'âme en partant de divers matériaux ductiles, l'âme n'étant plus développable, en ménageant, sur les crêtes des 25 ondulations, des surfaces aplaties (ci-après appelées plateaux). En outre, on utilise ces plateaux comme surfaces de collage. Il en résulte une âme à double ondulation améliorée présentant des caractéristiques de résistance supérieures et pouvant être produite à une échelle industrielle. 30 Selon la présente invention, une feuille d'âme continue constituant avec deux feuilles de semelle une structure sandwich présente des ondulations dont chacune a une crête aplatie (ci-après appelée plateau de crête) et un fond d'ondulation également aplati (crête inversée) (ci-après appelé plateau de fond), 35 chaque plateau présentant une bande de surface de collage s'étendant en zig-zag ou en méandres dans une surface parallèle à la feuille de semelle adjacente, ces ondulations présentant des parois latérales inclinées par rapport aux feuilles de semelle entre les crêtes et les fonds. 40 Les semelles sont habituellement des feuilles planes parai- 72 09365 -3- 2130363 lèles. Cependant, elles peuvent ne pas être parallèles et être courbes. La feuille d'âme est constituée par une seule feuille. On peut également réaliser un laminé de deux ou plusieurs feuilles d' âmes, les feuilles de semelle étant disposées des deux 5 côtés du laminé. Des ondulations doubles périodiques dans deux directions orthogonales sont formées dans la feuille d'âme. En d'autres termes, la feuille d'âme de l'invention a une structure telle que les crêtes et les fonds rectilignes de chaque ondulation d'une feuille d'âme ondulée ordinaire sont eux-mêmes rendus 10 sinueux, les crêtes et les fonds sinueux de chaque ondulation sont aplatis en forme de plateaux avec une surface de collage parallèle à la feuille de semelle adjacente. Il est souhaitable que la paroi latérale inclinée de chaque ondulation ait la forme d'une surface réglée stable à l'égard des forces exercées par 15 l'intermédiaire des semelles. Une surface réglée est une surface obtenue.par la translation d'une ligne droite. Dans la présente invention, la surface réglée est une surface obtenue par le déplacement d'une ligne droite reliant un point se déplaçant sur le bord du plateau de crête à un point se déplaçant sur le bord 20 du plateau de fond. En fonction des formes des crêtes et des fonds, etc.., la surface réglée constitue une surface plane pliée, une surface cylindrique, une surface conique ou un para-boloi'de hyperbolique, etc.. Ainsi, la forme de la paroi latérale est de préférence une surface réglée, mais pour des facilités de 25 fabrication, on peut également utiliser une surface à double courbure. L'invention vise à procurer une âme constituée d'une seule feuille ayant un module de cisaillement élevé dans deux directions respectivement orthogonales l'une à l'autre, pouvant être 30 fabriquée à l'échelle industrielle et se prêter à la production en série, ayant des surfaces de collage pour être collée sur des feuilles de semelles, pouvant être superposées et être alors collées l'une à l'autre sans qu'il soit nécessaire d'interposer entre elles une feuille plane, susceptible d'être maintenue en-35 tre des semelles ayant une surface courbe arbitraire, être de grandes dimensions, pouvant résister à des conditions ambiantes sévères, telles que des températures élevées, permettre des échanges thermiques avec 1'extérieur en faisant circuler un fluide à travers le volume ménagé entre la feuille d'âme et une 40 semelle t permettre des échanges thermiques entre deux fluides 72 09365 -4- 2130368 circulant entre l'âme et une semelle sans mélanger les fluides, pouvant être utilisée comme âme d'un cadre à double couche et à peau travaillante, pouvant être utilisée pour absorber des énergies de choc, être utilisée comme âme d'une paroi isolante et constituer une structure raidie en combinaison avec une semelle. Les autres buts et avantages de cette invention apparaîtront dans la description suivante, en se reportant au dessin annexé, sur lequel : - la figure 1 est une vue en perspective dessinée en'négligeant l'épaisseur de la feuille de façon à illustrer la structure générale de l'âme de cette invention ; - la figure 2 est une vue en perspective, dessinée en négligeant 1'épaisseur de la feuille, représentant un exemple de l'âme de cette invention dans laquelle le bord de la crête a une forme en dents de scie et la surface réglée de la paroi latérale est une surface plane pliéej - la figure 3 est une vue en perspective dessinée en négligeant l'épaisseur de la feuille, montrant un exemple de l'âme de cette invention dans laquelle le bord de la crête est constitué par un arc et par une ligne droite, et la paroi latérale est constituée par la combinaison de surfaces cylindriques et de surfaces pliées ; - la figure 4 est une vue en perspective, dessinée en négligeant l'épaisseur de la feuille, montrant un exemple de l'âme de cette invention, dans laquelle l'éspace libre entre les crêtes n'apparaît pas, à l'échelle macroscopique, sous une forme rectiligne ; - la figure 5 est une vue en perspective représentant les dimensions d'un élément d'âme de cette invention réalisée en un alliage d'aluminium; et - la figure 6 est une vue en perspective représentant la dimension d'un élément d'âme selon l'invention réalisée en une résine ABS. En se reportant à la figure 1, les semelles 1 et 2 sont représentées en traits mixtes. Chaque ondulation a des parois latérales 3 et 5» On voit également le plateau de crête 4 et le plateau de fond 6 en contact avec chaque semelle. Sur cette figure, les semelles 1 et 2 sont pratiquement parallèles, mais généralement ceci n'est pas nécessaire. Les 72 09365 -5- 2130363 semelles 1 et 2, qui sont représentées sous forme de surfaces courbes, peuvent être des surfaces planes si on le désire. Pour les explications, on suppose qu'.une surface de référence (non représentée) se trouve à mi-distance entre les surfaces de semel-^ le 1 et 2 et que cette surface de référence porte un système de coordonnées (u,v). En outre, les coordonnées (u,v) sont déplacées en translation dans une direction perpendiculaire à la surface de référence, de façon à obtenir des coordonnées (u I, v I) et (u II, v II). Sur la figure 1, les lignes formées par l'in-^ tersection de la surface de la paroi latérale 3 «le l'ondulation de la feuille d'âme avec les surfaces 1 et 2 des semelles sont I II désignées respectivement Vq , , et les lignes formées par l'intersection de la surface de la paroi latérale 5 avec les surfaces des semelles 1 et 2 sont désignées respectivement vï/2L et i ^ TT II II II 0/ v^"/2 • Ges bords vi/4» v1/2' V0' V3/4- ' I I face de la semelle adjacente 1 ou 2. En général, Vq, 3^ , ... sont une fonction périodique continue, limitée et univoque par rapport à u I, (non nécessairement périodique au sens strict du terme), et » ••• sori11116 fonction périodique continue, limitée et univoque par rapport à u II. Ces bords de crêtes et de. fonds des ondulations ne doivent pss se couper lorsqu'on les regarde dans une direction perpendiculaire à la surface de référence. Si les bords se coupent, il est pratiquement impossible ^ d'obtenir une feuille d'âme selon l'invention. La séquence suivante exprime strictement que les bords ne coupent pas la surface de référence. 30 I II II I I vk+0 vk+l/4 vk+1/2 vk+3/4 vk+1 k=0, 1, 2, 3» ...... I II (Sur la figure 1, k = 0).La comparaison des v et v est effectuée en termes des coordonnées (u.v) dfe la surface de référence. Il est souhaitable que les surfaces des parois latérales 3 et 5 soient des surfaces réglées. La surface de la paroi latéra- ^ le 3 est une surface réglée formée par la génératrice dont les I II deux extrémités sont deux points se déplaçant sur Vq et-?^^. De même la surface de la paroi latérale 5 est une surface réglée 40 formee par la generatrice dont les deux extremites sont deux TT T points se déplaçant sur y ^2 v3/4 * Dans, chacun de ces cas, les deux points sont supposés se déplacer dans une direc — COPY 72 09365 -6- 2130363 tion seulement. Les crêtes des ondulations ne sont pas aiguës, mais sont XX aplaties en forme de plateau. La crête 4 limitée par e"t v^2 forme une bande de surface de collage parallèle à la 5 surface de semelle 2. Le fond 6 de 1'ondulation forme également une bande de surface de collage. En ménageant des surfaces de collage à la fois sur les crêtes et sur les fonds, la feuille d'âme n'est plus développable. Cependant, selon cette invention, on peut produire une feuille d'âme en déformant un maté-10 riau métallique du fait que l'on ménage les surfaces de collage. Par ailleurs, lorsque la feuille d'âme est obtenue à partir d'une matière plastique, il devient aisé d'assurer la planéité de la crête. En outre, du fait que la surface de contact entre la semelle et l'âme est large, on peut obtenir un collage ré-15 sistant. Sur la figure 2, le bord C[v(u)] de la crête est une fonction périodique en dents de scie et la paroi latérale est constituée par une surface plane pliée. Sur la figure 3, Xe bord [v(u)] de la crête est une fonction périodique constituée par 20 une combinaison d'un demi-cercle et d'une ligne droite, et la paroi latérale est constituée par une surface cylindrique et par une surface plane. La figure 4 représente un exemple d'âme dans laquelle l'espace libre entre les crêtes n'apparaît pas à l'échelle ma-25 croscopique, sous une forme rectiligne. Dans l'âme représentée sur les figures 2 et 3» dans laquelle l'espace libre entre les crêtes apparaît rectiligne à l'échelle macroscopique, un flambage provoqué dans une partie des semelles peut parfois se propager en ligne droite. Dans l'âme représentée sur la figure 4, 30 la semelle résiste bien au flambage du fait que ses espaces libres ne sont pas rectilignes. La largeur de la surface de collage (crête et fond) de l'âme dépend du matériau de celle-ci ou du procédé de production. Lorsque la largeur est trop faible, il devient difficile 35 de former la feuille d'âme. Du point de vue de la résistance, des zones de collage plus importantes procurent des résistances de collage plus élevées, mais le module de cisaillement de l'âme diminue» La largeur de la surface de collage doit en conséquence être déterminée en considérant simultanément tous ces 40 facteurs. 72 09365 -7- 2130363 L'invention sera décrite de manière spécifique par les exemples suivants. Exemple 1 (voir figure 5) Méthode de formage : formage progressif à la presse en 5 trois stades. Matériau utilisé : alliage d'aluminium Epaisseur de la feuille avant formage : 0,5 mm Epaisseur de l'âme : 10 mm (Surface de collage)/(Surface de la semelle) : 14,3 % 1o Exemple 2 (voir figure 6) Méthode de formage : formage sous vide Matériau utilisé : résine ABS Epaisseur de la feuille avant formage : 1,0 h Epaisseur de l'âme : 12,5 mm 15 (Surface de collage)/(Surface de la semelle.; : 8,4 Dans l'exemple 1, le pourcentage, surface de collage/surface de la semelle, est plus important que dans l'exemple 2. La cause en est que l'on doit éviter l'amincissement et la rupture de la crête lors du formage de l'alliage d'aluminium, et égale-20 ment que l'aluminium a une résistance élevée et que sa rupture peut survenir sur cette surface de collage. On préfère généralement que le pourcentage, surface de collage/surface de la semelle, soit compris entre 5 et 25 %• A titre de comparaison, on a répété les exemples 1 et 2, 25 sauf que là surface de collage était nulle. Toutes les crêtes de l'âme résistante en alliage d'aluminium contenaient des criques. Dans le cas de la résine ABS, il n'y avait pas de criques, mais l'on a observé un amincissement excessif dans les fonds des ondulations et l'on n'a pu obtenir une planéité suffisante. 30 En plus de la caractéristique la plus importante de cette invention, à savoir que l'on peut produire des âmes à l'échelle industrielle, il existe également d'autres avantages, énumérés ci-après : A) les caractéristiques de résistance sont très supérieures. On 35 emploie généralement le module de cisaillement effectif (Gc) comme paramètre pour représenter les caractéristiques de résistance de l'âme. On sait que Gc est pratiquement proportionnel au module de cisaillement G du matériau utilisé et au facteur de remplissage (densité apparente/densité du matériau) a de l'â-40 me. Cette proportionnalité est exprimée par la formule : 72 09365 -8- 2130363 Gc » fa G, dans laquelleest une constante déterminée par la forme de l'âme et est appelée efficacité de forme. Plus les valeurs de f"4 sont élevées, meilleure est l'âme. Des âmes isotropiques, par 5 exemple des âmes ayant des projections en forme de mamelons, ont généralement une efficacité de forme^ )comprise entre 0,1 et 0,2. Une âme en nid d'abeilles a une valeur J* de 0,7 dans le sens du ruban et environ 0,3 dans une direction perpendiculaire à ce sensj les critères de calcul sont basés sur la valeur dans la plus fai-10 ble direction, c'est-à-dire 0,3. Dans l'âme selon l'invention, comme représenté sur la figure 2, lorsque l'angle d'inclinaison des surfaces des parois latérales est compris entre 40 et 60°, la valeur f est 0,3 à 0,5, basée sur une moyenne dans diverses directions. Du fait que l'on 13 peut dans cette invention contrôler 1'orthotropie, il est possible de baser les calculs sur une âme isotropique ayant une valeur y de 0,3 à 0,3. De ce fait, on voit que l'âme de cette invention présente une résistance égale ou supérieure à celle de l'âme en nid d'abeilles. 20 B) On obtient une résistance de collage importante avec une feuille de revêtement ou semelle, du fait que cette âme a une surface de collage parallèle à la semelle, du fait que cette résistance de collage est un paramètre de calcul dans une structure sandwich, augmenter la résistance de collage entraine une augmentation de 23 la résistance du sandwich lui-même. C) La partie latérale de l'âme de cette invention est une surface réglée et résiste en conséquence au flambage à 1'encontre des forces s'exerçant dans une direction perpendiculaire à la semelle. Afin d'accroître la résistance au flambage, il peut être souhai-30 table d'utiliser le type cylindrique dè paroi latérale. D) La surface de collage est analogue à un plateau et peut en conséquence être obtenue en déformant une simple feuille. Il est également facile d'obtenir une surface de collage plane. De ce fait on peut produire l'âme de cette invention à partir de toute 35 une variété de matériaux inorganiques et organiques, par exemple de l'acier, des aciers spéciaux, des métaux légers, des alliages de métaux légers, des matériaux en mousse, des plastiques ou des matériaux composites. E) On peut appliquer cette âme sur des semelles courbes de forme 40 arbitraire, aussi bien que sur des semelles planes. 72 09365 - 9- 2130363 F) Les dimensions des âmes que l'on peut ainsi obtenir selon cette invention peuvent être petites ou grandes, et les structures sandwichs obtenues en utilisant cette âme ont un grand champ d'application, par exemple des panneaux de structure d'avions, 5 de véhicules, de containers, des constructions de génie civil, ou des panneaux d'architecture. G-) Elle permet des circulations de fluides et on peut en conséquence réaliser des échanges thermiques en utilisant cette âme. Des structures sandwichs réalisées à partir de cette âme peuvent ^\Q par exemple être utilisées comme structures de mur pouvant résister à des températures élevées en faisant circuler un agent de refroidissement ou comme structures de cloison ou de plancher refroidissantes ou chauffantes. H) Du fait qu'il existe une surface de collage, on peut coller ^ ensemble plusieurs de ces âmes sans avoir recours à une feuille intermédiaire. Lorsqu'on utilise uçi matériau inorganique, on peut ainsi accroître les qualités isolantes de la structure finale. I) Cette âme peut absorber une quantité d'énergie importante par l'aplatissement des parois latérales à l'encontre de charges d'im- 2q pact perpendiculaires aux semelles, et on peut l'utiliser comme moyen d'absorption des chocs. J) On peut l'utiliser comme panneau raidi de forme gaufrée en la combinant avec une semelle. K) On peut l'utiliser comme panneau rigide en flexion dans deux 2^ directions mutuellement orthogonales. L'âme de l'invention peut être partiellement modifiée ou combinée avec d'autres formes et l'on doit noter que l'invention n'est en aucun cas limitée aux réalisations spécifiquement représentées sur le dessin joint. 72 09365 -10- 2130368 REVENDICATIONS 1.- Feuille d'âme continue constituant une structure sandwich avec deux feuilles de revêtement, ou semelles, la feuille d'âme présentant des ondulations, caractérisée par le fait que 5 chaque ondulation a une crête aplatie (ci-après appelée plateau de crête)et un fond d'ondulation également aplati (crête inversée) (ci-après appelé plateau de fond), chaque plateau présentant une bande de surface de collage s'étendant en zig-zag ou en méandres dans une surface parallèle à la feuille de semelle adjacen-"10 te, ces ondulations présentant des parois latérales inclinées par rapport aux feuilles de semelle entre les crêtes et les fonds. 2.- Feuille d'âme selon la revendication 1, dans laquelle chaque paroi latérale inclinée des ondulations de cette feuille d'âme a la forme d'une surface généralement réglée engendrée par la translation d'une génératrice qui coupe les bords d'une bande de collage des plateaux de crête et des plateaux de fond. 3.- Feuille d'âme selon la revendication 1, dans laquelle la surface totale de chaque bande de collage du plateau de crê- 20 te est 5 à 25 % de la surface de la semelle correspondante. 4.- Feuille d'âme selon la revendication 2, dans laquelle la surface totale de chaque bande de collage du plateau de crête est 5 à 25 % de la surface de la semelle correspondante. 5.- Feuille d'âme selon la revendication 1, dans laquelle 25 l'espace libre entre deux crêtes adjacentes, regardé à l'échelle macroscopique, s'étend selon une ligne non rectiligne. 6.- Feuille d'âme selon la revendication 2, caractérisée en ce que l'espace libre entre deux- crêtes adjacentes, regardé à l'échelle macroscopique, s'étend selon une ligne non rectili- 5° gne. 7.- Feuille d'âme selon la revendication 3, dans laquelle l'espace libre entre deux crêtes adjacentes, regardé à l'échelle macroscopique, s'étend selon une ligne non rectiligne. 8.- Feuille d'âme continue constituant une structure de 35 panneau raidi avec une semelle, cette feuille d'âme présentant des ondulations, caractérisée en ce que chaque ondulation a une crête aplatie (ou plateau de crête), chaque plateau de crête présentant me surface de collage s'étendant en zig-zag ou en méandres dans une surface parallèle à la semelle adjacente, ces 72 09365 -11- 2130363 ondulations présentant des parois latérales inclinées par rapport à la semelle entre les crêtes et les fonds • 9.- Feuille d'âme selon la revendication 8, dans laquelle chaque paroi latérale inclinée des ondulations de cette feuille d'âme a la forme d'une surface généralement réglée engendrée par la translation d'une génératrice qui coupe les bords de la bande de la surface de collage de chaque plateau de crête et de chaque fond.