Brevet FR2464898A1 — publié le 19810320

i L'invention concerne des conteneurs sous pression à structure symétrique lobée destinée en particulier à des gaz ou des liquides. On comnnait des conteneurs à structure axi symétrique de forme sphérique ou sensiblement sphérique qui, selon leur utilisation, peuvent être formés d'une peau d'un matériau souple et résistant, comme l'enveloppe uti- lisée dans les aérostats ou d'une coque d'un matériau rigide et résistant, comme dans les réservoirs sphé- riques destinés à contenir des gaz sous pression ou des gaz dont la phase liquide ne peut être maintenue en équilibre que sous pression. Dans le cas d'un aérostat, et plus particulièrement d'un ballon pressurisé, c'est-à-dire d'un ballon dont l'enveloppe fermée est suffisamment résistante pour accep- ter une certaine pressions et qui, par conséquent, son volume demeurant constant, est capable de voler plu- sieurs mois à un niveau constant, on recherche le meil- leur rapport possible entre la résistance et le poids de l'enveloppe et également l'étanchéité la meilleiur pos- sible. Lses buts étaient atteints jusqu'à présent avec un ballon de forme sphérique en film polyester0 Dans le cas de réservoirs destinés à contenir un gaz sous pression ou un gaz en équilibre isobare avec son liquide, la forme sphérique est choisie d Sa.roque à permettre une répartition uniforme des efforts/et un poids de coque minimum. Bien que ce dernier paramètre ne soit généralement pas d'une importance fondamentele, on a intérêt pour des applications spatiales, par exemple, à viser les même buts que pour les enveloppes de ballon0 Pour les applications ordinaires, la diminution du poisd, donc de la matière utilisée, n'est pas à nygligero De même on recherche la facilité de construct-ionet l'uti- lisation de matériaux aisément soudables y contribue grandement. L'invention a tenté de résoudra ces difficultés par la combinaison d'une répartition optimale des forces dans la peau d'un conteneur sous pression et d'une re- prise des efforts, exercés par les forces de pression, par une structure particulière. le procédé selon l'invention est remarquable en ce que globalement,on minimise les contraintes circonfé- rentielles par rapport aux contraintes méridiennes en adoptant une structure de forme sphéroldale aplatie aux p8les. Les fuseaux sont déformés préférentiellement dans le sens méridien et reporte-t sur la structure particu- lière mentionnée plus haut la plus grande partie de la contrainte méridienne globale qu'ils seraient incapables de supporter par eux mêmes. le conteneur obtenu d'après le procédé selon l'invention, est remarquable en ce qu'il est constitué d'une peau étanche formée par des fuseaux en un métariau à faible module élastique et à grande capacité d'allon- gement plastique dans le sens méridien, et de renforts méridiens approximativement unidirectionnels en un ma- tériau à haut module élastique reliés entre eux à chaque pôle. Les explications et figures données ci-après, à titre d'exemple permettront de comprendre comme l'in- vention peut 8tre réalisée. La figure 1 représente un conteneur selon l'in- vention. La figure 2 est une coupe partielle d'une structure au niveau d'un renfort. Le procédé de réalisation d'un conteneur à struc- ture symétrique lobée, telle que montrée figure 1, formée par des fuseaux 1 assemblés selon les méridiens de la structure, consiste à déformer, préférentiellement dans le sens méridienles fuseaux, alors que l'on main- tient la longueur des lignes d'assemblage inchangées de manière que la structure présente une forme sphéroldale aplatie aux pôles et un lobage de la peau entre les lignes d'assemblage réduisant le rayon de courbure cir- conférentiel Le mode opératoire détaillé permettant d'obtenir un conteneur à structure symétrique lobée est le suivant: - On découpe les fuseaux dans un matériau présen- tant au moins dans le sens longitudinal du découpage des fuseaux à faible module élastique et une grande capa- cité d'allongement plastique. - On préforme éventuellement les fuseaux en cour- bant longitudinalement leur plan. - On assemble les fuseaux par leur bord afin d'obtenir une structure isoédrique-o - On fixe, au niveau des lignes d'assemblage des fuseaux et selon les méridiens, des éléements pratique- ment monodimensionnels à haut module élastiques - On relie entre eux les élements à chaque pôle, - On forme la structure lobée en créant une sur- - pression à l'intérieur de la structure. la figure 1 montre un exemple de réalisation dans le cas d'un ballon pressurisé. Ce ballon présente une peau formée de fuseaux 1 découpés dans des feuilles de matériau présentant un faible module élastique et de grandescapacités d'allongement plastique dans le sens méridien. la peau peut ttre étanche ou rendue étanche par enduction ou grace à une vessie souple, Selon un exemple de réalisation, le matériau dans. lequel sont découpés les fuseaux est un complexe polyé- thylène-polyester formé d'une couche de polyester type "TERPHANE" entre deux couches de polyéthylèneso les fuseaux sont assemblés bord à bord avec un ruban de même matériau par thermosoudage. Les extrémités des fuseaux sont soudées, de manière connue, sur des calottes polaires 6 les renforts méridiens disposés le long des lignes d'assemblage sont constitués d'un maté- riau à haut module élastique, par exemple une fibre aramide, se présentant sous la forme d'éléments prati- quement unidirectionnels, tels que câbles ou sangleso Ces renforts peuvent également être réalisés en un matériau mono-orienté les extrémités des éléments sont fixées, par exemple par couture, sur des tores 5 en alliage léger entourant les p3les du ballon. D'autres systèmes de maintien des extrémités des éléments unidirectionnels et/ou mono-orientés, sont pos- sibles. Parmi ceux-ci, on peut citer, par exemple, le soudage des extrémités entre elles à chaque pôle, la réa- lisation d'éléments formant des boucles fermées passant par les pôles et encerclant l'enveloppe, le bobinage continu d'un élément selon les méridiens. Les renforts sont fixés au niveau des lignes d'assemblage par une liaison superficielle qui les main- tient en place avant la déformation des fuseauxo Lorsque le ballon est soumis à une surpression, les fuseaux sont maintenus selon leurs lignes d'assem- blage par les éléments unidirectionnels, tandis que leurs surfaces se déforment pour former des lobes. La peau est alors contrainte de façon sensiblement uniforme à une valeur proche de sa limite élastique, tandis que les renforts sont soumis à un effort de traction égal à leur limite d'utilisationo La figure 2 montre une coupe méridienne entre deux lobes d'un ballon Le ruban 2 de soudure des fuseaux s'étend de paru et d'autre du blrd 3 de deux fuseaux ad- jacentso Le renfort 4 est disposé au-dessus de la ligne d'assemblage et y est fixé au moins ponctuellement afin d'éviter son déplacement lors du lancement. Pratiquement, dans la réalisation ci-dessus décrite, la soudure des fuseaux présente pratiquement les mêmes caractéristiques mécaniques que le fuseau lui-mêmeo, On peut toutefois, selon un autre exemple de réalisation, incorporer lors de l'assemblage des fuseaux, un élément unidirectionnel et/ou mono orienté, dont les caractéristiques sont équi- valentes à celles des renforts et éviter ainsi la pré- sence de renforts extérieurs. Toutefois, cette technique est d'une réalisation plus délicate et n'est envisa- geable que dans des cas particuliers Selon un exemple d'application à des réservoirs préssurisés, les fuseaux sont découpés dans des t8les d'acier doux, puis courbés longitudinalement dans leur plan afin de permettre leur assemblage par soudure' On obtient alors une structure isoédrique sur les angles de laquelle on fixe des éléments unidirectionnels, cables ou bandes, en acier à haute résistance ou en un métal à haut module élastique, tel que le titane. On injecte alors dans la structure éventuellement à chaud un fluide sous pression afin d'obtenir une déformation de peau identique à celle que l'on aura en utilisation, Selon un autre exemple de réalisation, le ma- tériau utilisé poour la peau est un alliage léger, les renforts pouvant être en matériaux composites à base de carbones de bore, etco les matériaux utilisés pour la réalisation du réservoir seront déterminés d'après leurs caractéris- tiques mécaniques et leur prix de revient, les avantages que présente l'invention par rap- port aux techniques classiques, sont mis en évidence, par exemple, en comparant un ballon sphérique classique d'un volume de 214m3 en polyester de 60 micromètres d'épaisseur et de 7,40 mètres de diamètre, pesant 19kg à un ballon lobé, selon l'invention, de meme volume et de même poids, Ballon Ballon Gain sphérique lobé en % Surpression maxi d'utilisation 35 mbars 50 mbars 42 % Pression d'éclatement 50 mbars 75 mbars 50 % On voit, d'après le tableau qu'il est possible de réaliser des structures ayant de meilleures carac- téristiques ou d'obtenir des structures de plus faibles volumes équivalentes aux structures classiques R E V E N D I C A T I 0 N S 1. Procédé de réalisation d'un conteneur à struc- ture symétrique lobée formée de fuseaux assemblés selon les méridiens de la structure, caractérisé en ce que l'on déforme préférentiellement dans le sens méri- dien les fuseaux formant la structure, alors que l'on maintient la longueur initiale des lignes d'assemblage, de manière que la structure présente une forme sphé- roldale aplatie aux pôles et un lobage de la peau entre les lignes d'assemblage, ledit lobage réduisant le rayon de courbure circonférentiel. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'on découpe les fuseaux dans un matériau présentant au moins dans le sens longitudinal de décou- page des fuseaux, un faible module élastique et une grande capacité d'allongement plastique, on préforme éventuellement les fuseaux en courbant longitudinale- ment leur plan, on assemble.les fuseaux afin d'obtenir une structure isoédrique, on fixe au moins ponctuelle- ment au niveau des lignes d'assemblage des fuseaux et selon les méridiens des éléments pratiquement monodi- mensionnels à haut module élastique, on relie entre eux les éléments à chaque pôle, on forme une structure lobée en créant une surpression à l'intérieur de la structure. 3. Conteneur à structure symétrique lobée formée de fuseaux assemblés selon les méridiens de la structure formée selon la revendication 1 ou 2, carac- térisé en ce qu'elle est constituée d'une peau étanche formée par des fuseaux en un-matériau à faible module élastique et à grande capacité d'allongement plastique dans le sens méridien, et de renforts méridiens unidi- rectionnels en matériau à haut module élastique reliés entre eux à chaque pôle. 4. Conteneur à structure symétrique lobée selon la revendication 3, caractérisé en ce que les renforts méridiens sont fixés au moins ponctuellement sur la peau au niveau des assemblages des fuseaux. -, Conteneur à structure symétrique lobée selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que les extré- mités des fuseaux sont fixées à des calottes polaires. 6,. Conteneur à structure - - symétrique lobée selon l'une des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que les renforts méridiens sont fixés à leurs extrémités à des tores8 7. Conteneur à structure symétrique lobée selon l'une des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que les fuseaux sont en un matériau plastique à faible module élastique et à grande capacité d'allongement plas- tique dans le sens méridien et que les renforts méridiens sont en un matériau plastique à haut module élastique' 80 Conteneur à structure symétrique lobée selon.l'une des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que les fuseaux sont en un métal à faible module élas- tique et à grande capacité d'allongement plastique dans le sens méridien et que les renforts méridiens sont en un métal à haut module élastique. 9. Conteneur à structure. symétrique lobée selon la revendication 7, caractérisé en ce que le matériau plastique des fuseaux est formé d'une couche centrale de polyester et de deux couches externes de polyéthylènea e Conteneur à structure symétrique selon la revendication 8 ou - la revendication 9, carac- térisé en ce que les renforts méridiens sont formés par des sangles en fibre aramide.