Brevet FR2254428A1 — publié le 19750711

La présente invention concerne une structure autoporteuse légère à profil aérodynamique ou hydrodynamique. tes structures aérodynamiques portantes comme les ailes d'avion et les pales de rotor d'hélicoptère comportent fréuemment une série de nervures dont la forme correspond au profil général de la structure et sur lesquelles est riveté un revêtement en alliage léger. tes structures profilées de ce type ont l'inconvénient d'être relativement coûteuses à fabriquer et d'avoir des caractéristiques mécaniques insuffisantes. L'amélioration de ce type de structure a fait l r obJet d'un grand nombre de recherches et d'études. On a proposé de fabriquer les pales de rotor d1héli- coptère à partir de plusieurs tubes de fibre de verre tissée disposés parallèlement et recouverts d'un revêtement externe de fibre de verre donnant le profil aérodynamique voulu. Cette structure qui est caractérisée par la présence de plusieurs alvéoles s'étendant sur -toute la longueur de la pale, est représentée dans la demande de brevet des E.U.A. nO 3 028-292. Son inconvénient majeur est que les éléments tubulaires utilisés supportent mal les efforts de flexion intenses auxquels les pales de rotor sont normalement soumises. On a également pensé à réaliser des aubes de turbine constituées d'un mince revêtement métallique rempli d 'une âme à structure spongieuse qui est percée de cavités d'allègement formées par des tubes d'aluminium disposés en longueur. Cette structure est décrite dans la demandedebrevetdes E.U.A. nQ 720 956. A la connaissance de la demanderesse, il n'existe pas de structure aérodynamique mettant à profit les excellentes caractéristiques mécaniques des filaments fins bobinés. L'invention a pour objet une structure autoporteuse légère du type décrit permettant de réaliser des pales de rotor d'hélicoptère de grandes dimensions, par exemple 15 mètres de long pour une profondeur de corde de 1,20 mètre et une épaisseur de 15 centimètres. L'invention a pour autre objet une structure autoporteuse du type décrit dans laquelle plusieurs éléments tubulaires redondants constituent des longerons multiples. L'intérieur des éléments tubulaires peut servir de réservoirs de carburant ou de passages pour des cales électriques ou similaires. Les éléments tubulaires sont renforcés par des filaments longitudinaux à haute résistance et/ou à module élevé incorporés en des points opposés de la sections l'élément pour améliorer la résistance de la structure aux efforts de flexion transversale. Selon une caractéristique essentielle de l'invention, une structure autoporteuse profilée est constituée d'une série d'éléments tubulaires en filaments bobinés disposés c8te-à cote pour former des longerons multiples, les sections des différents éléments tubulaires étant choisies de manière que leur enveloppe définisse un profil prédéterminé.Les éléments tubulaires sont enveloppés par un revêtement travaillant qui est fixé à leurs surfaces extérieures pour former un ensemble profilé ava bonne résistance aux contraintes mécaniques---- D'autres caractéristiques-et avantages de l'invention ressortiront de la descrionMeaillée qui suit et des des- sins sur lesquels - la figure i est une vue en perspective d'un moule ouvrant qui permet de fabriquer la structure autoporteuse profilée de la présente invention; - la figure 2 est une vue en perspective d'un mandrin sur lequel sont bobinés des filaments continus pour réaliser un tissu utilisable pour le revêtement de la structure de l'invent ion;; - la figure 3 est une vue en perspective du moule de la figure l montrant la mise en place du revêtement bobiné sur le -mandrin de la figure 2; - la figure 4 est une vue en perspective d'un mandrin portant un tube bobiné qui est renforcé par des filaments longitudinaux pour servir de longeron dans la structure de 1 'in- vent ion; - la figure 5 est une vue en perspective semblable à celle de la figure 3, mais montrant une série d'éléments tubulaires analogues à celui de la figure 4, placés cote à côte sur la coquille inférieure du moule; - la figure 6 est une vue en perspective du moule fermé; - la figure 7 est une coupe transversale d'une structure aérodynamique légère réalisée selon,les principes de l'invention;; - les figures 8, 9 et 10 sont des coupes transversales semblables à celle de la figure 7, mais représentant plusieurs variantes de la structure de l'invention. La structure autoporteuse légère qui est illustrée figure 7 peut etre un plan aérodynamique, tel qu'une pale de rotor d'hélicoptère Cette structure comporte plusieurs tubes bobinés 21 de sections différentes qui sont disposées côté à côte pour former un longeron composite. tes sections des tubes 21 sont choisies de façon que leur enveloppe ait approximativement le profil aérodynamique désiré. Des revêtements d'extrados 23 et d'intrados 25 sont ensuite fixés sur les éléments tubulaires 21 et les vides entre les tubes adjacents sont com blés avec une ma%ffe#e ae remplissage 27, telle qu'une mousse cellulaire, pour améliorer la rigidité de 1 'ensemble.La structure ainsi obtenue a une excellente résistance aux contraintes mécaniques malgré sa relative légèreté et convient pi2tOoulie-~ ~ rement bien aux applications aéronautiques. La figure 1 représente un moule ouvrant à coquilles qui peut être utilisé pour la fabrication de la structure autoporteuse de la figure 7. te moule se compose de deux coquilles 31 et 33 articulées le long de l'un de leurs bords par une charnière 35. tes coquilles 31 et 3-3 peuvent être renforcées extérieurement pour conserver le profil choisi et leurs surfaces intérieures sont polies pour donner l'état de surface voulu à la structure aérodynamique moulée. tes revêtements d'extrados 23 et d'intrados 25 peuvent etre en différentes matières, par exemple en alliage léger ou similaire, mais il préférable d'utiliser des nappes de filaments bobinés. La figure 2 illustre la fabrication de- telles nappes sur un mandrin cylindrique 37 qui est préalablement recouvert d'un papier kraft ciré 39 destiné à faciliter le décollement du tube bobiné. te revêtement 23 peut etre fabriqué sur une machine à bobiner classique utilisant de préférence des - filaments sensiblement continus et formant plusieurs couches d'environ 0,3 mm d'épaisseur. Le filament utilisé est de pré férence de la fibre de verre imprégnée de résine et les couches ont des orientations alternées, l'une étant bobinée circonférentiellement et la suivante étant bobinée à 450 en une hélice sensiblement continue d'un bout à l'autre du mandrin. Lorsque le bobinage est terminé, la nappe 27 et le papier 79 sont coupés longitudinalement en 41, puis étalés et appliqués contre la coquille supérieure 31 du moule. On comprend que les coquilles du moule peuvent être préalablement enduites d'un gel d'adhérence contre lequel la face apparente de la nappe 23 est appliquée, après quoi le papier 39 est enlevé. La coquille inférieure 33 est de même garnie du revêtement d'intrados 25 collé par une couche de gel. Un autre mode de réalisation du revêtement consiste à utiliser du tissu de--fibre de verre imprégné de résine. Des sacs de matière plastique souple sont ensuite placés sur les coquilles 31 et 33, puis mis sous vide pour appliquer fortement les revêtements 23 et 25 montre les surfaces du moule et pour éliminer d'éventuelles poches d'air.On laisse ensuite durcir les revêtements avant la mise -en place des éléments tubulaires 21. La figure 4 illustre la fabrication de l'un des tubeslongerons 21 sur un mandrin 51, de préférence au moyen d'une machine classique à bobiner en continu les filaments de verre. Dans ce mode de réalisation, les mandrins 51 sont légèrement coniques pour faciliter le démoulage des tubes et également pour permettre de fabriquer des tubes coniques dans le cas d'une structure dont la section évolue le long de l'envergure. Comme précédemment, les bobinages s'effectuent de préférence en plusieurs couches croisées, une couche circonférentielle étant prise en sandwich entre deux couches bobinées à 450 selon des hélices opposées sensiblement continues d'un bout à l'autre du tube. Ce mode de bobinage fournit des tubes extrêmement résistants. Sur des sectéurs diamétralement otosés de la section longitudinalement des tubes 21, on incorpore/des fibres 55 ayant une grande resistance à la traction et une rigidité élevée. Dans la structure de l'invention, ces fibres se trouvent à l'intrados et à l'extra- dos du profil pour résister aux efforts de traction et de compression qu'induisent les flexions longitudinales de la structure. tes fibres de renfort 55 peuvent etre des rubans faits de filaments de carbone ou de bore groupés en faisceaux. On notera que sur la figure 4, le mandrin 51 est légèrement conique de la gauche vers la droite pour donner une conicité équivalente aux éléments tubulaires 21 dans le cas d'une structure aérodynamique non uniforme dans le sens de la longueur. Comme le montrent les figures 5 et 7, les tubes 21 ont des sections relativement grandes au centre du profil et des sections décroissantes de part et d'autre, la décroissance étant plus rapide vers le bord d'attaque que vers le bord de fuite. Pour en revenir à la construction d'une structure aérodynamique, le moule est ouvert et les surfaces internes des revêtements 23 et 25 sont enduites de résine. tes tubes 21 sont alors placés côte à cote sur le revêtement d'intrados 25 (voir figure 5) et les lignes de contact entre les tubes adjacents sont enduites de résine. te moule est ensuite fermé et verrouillé comme sur la figure 6 pour permettre la polymérisation de la résine de manière à coller les tubes au reveA tement en 52 et les tubes entre eux en 54. Si nécessaire, les cavités longitudinales qui existent entre les tubes 21 peuvent être remplies avec une mousse légère. Une telle structure aérodynamique est non seulement relativement économique à fabriquer, mais elle a en outre des caractéristiques mécaniques particulièrement avantageuses lorsqu'elle est montée en porte-à-faux, comme dans le cas d'une pale de rotor. On comprend que les charges exercées vers le haut au bout d'une telle pale produisent des moments de flexion transversale auxquels résiste l'ensemble de la structure, c'està-dire les tubes-longerons 21 et les revêtements travaillants 23-et 25. De plus, les fibres longitudinales 55 encaissent une bonne part des efforts et participent efficacement à la résistance à la flexion. tes forces aérodynamiques qui s'exercent sur ltintrados du profil sont directement transférées aux tubes 21, ce qui réduit sensiblement les efforts de cisaillement que subit une structure classique à revêtement rivetée. Une autre caractéristique de la structure de l'invention est l'aptitude des éléments tubulaires 21 à coopérer pour résister à des moments transversaux résultant de charges appliquées én des points autres que la corde moyenne. Par ailleurs, l'intérieur des éléments tubulaires peut servir de passage pour des câbles électriques ou autres (59 sur la figure 6) pour le montage d'équipements de dégivrage, ou même de réservoirs structuraux, ce qui est un autre avantage de la structure de l'invention. a figure 8 illustre une variante du principe de l'invention appliqué à la réalisation d'une structure aérodynamique analogue à celle de la figure 7. Dans ce cas, les longerons tubulaires 21 ont une structure sandwich et se composent d'un tube bobiné extérieur 63, d'un tube bobiné intérieur 61 monté coaxialement par rapport au tube extérieur, et d'une mousse sensiblement incompressible 65 qui est injectée dans les passages annulaires délimités par les deux tubes. Pour les revêtements d'extrados 23 et d'intrados 25, on utilise également une construction sandwich formée de deux nappes de filaments bobinés 71 et 77 séparées par une couche de mousse rigide 75. Lorsque la structure aérodynamique de la figure 8 est utilisée comme pale de rotor ou similaire, les portance dont les points d'application sont décalés par rapport à l'axe des tubes 21 sont transmises dans le sens de la corde et dans le sens de ltenvergureP r~tg~revEtements sandwich 71, 73 et leur re ç nEmge de de mousse 75, de façon à être convenablement-z~arties entre plusieurs tubes 21 pour éviter toute flexion ou déformation excessive de l'extrados 23. tes tubes coaxiaux 61, 63 et leur remplissage de mousse 65 ont en outre une meilleure résistance à la flexion en charge. La figure 9 représente une autre forme de structure profilée légère à longerons multiples. Dans ce cas, les longerons tubulaires 77 ont des sections carrées modifiées et sont disposés côte à côte avec entre eux des intervalles qui, une fois remplis de mousse rigide 79, forment des âmes verticales. On voit également qu'entre les surfaces supérieures et inférieures des longerons tubulaires 77 et les revêtements d'extrados 23 et d'intrados 25 il existe un espace libre destiné à être rempli de mousse rigide 81 sur toute la périphérie du profil. En pratique, il est généralement avantageux d'utiliser des morceaux de mousse prédécoupés que l'on dispose dans les revêtements 27 et 25 avant la mise en place des longerons tubulaires, l!ensemble étant ensuite polymérisé dans la masse. Lorsque la structure aérodynamique de la figure 9 est montée en porte-à-faux comme dans un rotor d'hélicoptère, les forces de portance qui s'exercent sur la pale sont transmises aux longerons tubulaires 77 sous forme de moments de flexion longitudinale qui sont principalement encaissés en traction et en compression par les fibres continues de renfort des tubes 77. On comprend que la mousse 79 et 81 sert à maintenir les positions relatives des longerons tubulaires 77 par rapport au revêtement d'extrados 23. te remplissage de mousse des revetements d'extrados et dtintrados assure en outre une dis tribution favorable des efforts localisés à l'ensemble des longerons tubulaires. La structure aérodynamique de la figure 10 est semblable à celle de la figure 7 sauf qu'elle comporte en plus un remplissage de mousse 84 entre les longerons tubulaires 21 qui sont modifiés par l'adjonction de cloisons horizontales 85 et 87 délimitant des chambres supérieures et inférieures -dans lesquelles on injecte de la mousse rigide 89 et 91 pour amdIYnrr~la distribution des efforts encaissés par les revêtements 23 et 25. il ressort~ci de la description qui précède que la structure autoporteuse profilée de la présente invention convient particulièrement bien pour la réalisation de plans aérodynamiques, hydrodynamiques ou autres. Il estLfacile de faire varier les caractéristiques de la structure- pour-----i ~ adapter au mieux aux charges prévues en différents points de sa longueur. L'emploi de la fibre de verre et de la résine moulée permet de réaliser une grande variété de profils. il est donc clair que l'on peut répartir les diverses charges sur toute la largeur du profil simplement en faisant varier la section des longerons tubulaires, ainsi que l'épaisseur et la densité de leurs parois. Par ailleurs, les longerons tubulaires multiples constituent un assemblage porteur redondant qui peut subir des dégâts importants sans effets catastrophiques sur L'ensemble de la structure, d'où une sécurité améliorée par rapport aux struc tures classiques. il va de soi que la description précédente n'est nul lement limitative et qu'on pourra y apporter diverses modif i- cations ou variantes entrant dans le cadre et dans l'esprit de l'invention. REVENDICADIONS 1. Structure autoporteuse légère ayant une section allongée de profil particulier, caractérisée en ce qu'elle comprend plusieurs éléments tubulaires en filament bobiné disposés côte à côte pour former des longerons multiples, les sections des différents éléments tubulaires étant choisies de manière que leur enveloppe définisse approximativement le profil choisi, les éléments tubulaires étant enveloppés par un revêtement travaillant qui est fixé à leurs surfaces extérieures de manière que l'ensemble des longerons et du revêtement partici petà)a résistance aux flexions longitudinales, les charges étant réparties sur toute la longueur du profil. 2. Structure selon la-revendication 1, caractérisée en ce que les tubes sont renforcés à la flexion transversale par des éléments unidirectionnels disposés longitudinalement. 3. Structure selon la mvendication 1, caractérisée en ce que les éléments tubulaires ont des sections relativement grandes au centre du profil, ces sections décroissant progressivement de part et d'autre de la zone centrale pour donner à l'ensemble un profil adapté à ltécoulement du fluide. 4. Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que les vides qui existent entre la surface externe des longerons tubulaires et la surface interne du revêtement sont remplis d'une matière légère sensiblement incompressible. 5. Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que les tubes sont bobinés avec au moins une nappe de filaments circonférentiels prise en sandwich entre des nappes de filaments disposés en hélice. 6. Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que le revêtement est en fibre de verre. 7. Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que les longerons tubulaires sont constitués de deux tubes coaxiaux de diamètres différents dont l'intervalle est rempli d'une matière légère. 8. Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que son revêtement est constitué de deux revêtements minces séparés par une matière légère de remplissage pour former une structure sandwich. 9. Structure selon la revendication 1 caractérisée en ce que les tubes ont une section décroissante dans le sens longitudinal. 10. Structure selon la revendication 1, caractérisée en ce que les tubes sont formés de nappes de filaments bobinés sensiblement continus d'un bout à l'autre du tube. 11. Structure selon la revendication 1 caractérisée en ce que les longerons tubulaires sont fixés au revêtementd de préférence par collage. 12. Structure selon la mvendication 1, caractérisée en ce que les longerons tubulaires adaacents sont fixés les uns aux autres, de préférence par collage.