Brevet FR2517787A1 — publié le 19830610

Récipient sous pression en forme de tore réalisé avec un matériau composite La présente invention concerne un récipient sous pression en forme de tore et réalisé avec un matériau com- posite, qui est constitué par un récipient intérieur étan- che aux gaz et aux liquides et par un enroulement ou bobi- nage de soutien, appliqué sur ledit récipient intérieur en vue de délester la paroi de ce dernier et constitué par des fibres ou des fils, le méridien présentant une courbure qui assure l'égalité des contraintes tangentielles et méridien- nes constantes dans la paroi du récipient intérieur et en même temps une tension constante des fils dans l'enroule- ment de soutien. Les récipients sous pression réalisés avec un ma- tériau composite, par exemple avec des fibres de verre, de carbone, etc, imbibées de résine, comportent, en règle gé- nérale, un récipient intérieur étanche aux gaz et aux li- quides, lequel est armé d'un enroulement de soutien cons- titué par des fibres ou des fils Cet enroulement de sou- tien déleste le récipient intérieur de sa charge, de sorte que les forces de pression totales qui agissent sur le ré- cipient sont partiellement reprises par le récipient inté- rieur et, pour le reste, par l'enroulement de soutien De tels récipients sous pression seront désignés comme étant optimaux, dans les lignes suivantes, lorsque le -contour du récipient sous pression présente une courbure telle, au mé- ridien, que les contraintes tangentielles et méridiennes constantes dans la paroi du récipient intérieur sont main- tenues égales et que,-simultanément, la tension des fils dans l'enroulement de soutien est maintenue constante. L'égalité dé la contrainte tangentielle et de la contrainte méridienne permet d'utiliser pleinement la capacité de charge du matériau utilisé pour la fabrication du récipient intérieur. L'observation de cette condition relative aux con- traintes conduit, dans le cas des récipients intérieurs qui -2- ne comportent pas d'enroulement de soutien, à l'adoption de récipients sphériques ou des zones de tore particulières présentant une courbure qui n'est pas constante Ces réci- pients optimaux ont un poids égal à une fois et demie la quantité d'énergie maximale accumulable, c'est-à-dire le produit de la pression par le volume, par rapport à la longueur de rupture du matériau utilisé. Les longueurs de rupture sont particulièrement grandes dans le cas des fils et des fibres, c'est-à-dire des éléments de construction qui ne peuvent reprendre les contraintes que dans une seule direction, c'est-àdire dans le sens de la longueur Lorsque l'on fabrique un ré- cipient par enroulement ou bobinage autour d'un noyau ou mandrin, on obtient des récipients sous pression aussi lé- gers que possible lorsque la courbure du méridien est choi- sie telle que les fils ou les fibres qui suivent des li- gnes géodésiques soient soumis à la même contrainte en tout point, et que, par conséquent, la capacité de charge du matériau en fibres ou fils soit pleinement utilisée. Les récipients dont la forme satisfait à cette condition sont les récipients cylindriques et les réci- pients tubulaires présentant des diamètres à variation pé- riodique, ainsi que des zones de tore dont la courbure au méridien n'est pas constante Le poids de ces récipients obtenus par enroulement et présentant un poids léger op- timal s'élève à trois fois la quantité d'énergie-maximale accumulable, par rapport à la longueur de rupture du ma- tériau utilisé. En cas d'enroulement, il s'y ajoute évidemment encore une part de poids supplémentaire correspondant au liant utilisé, par exemple un composé de résine, destiné à assurer la liaison des fils entre eux Cette part de poids est particulièrement élevée lorsque chacun des fils subit un changement de direction à proximité des calottes polaires (enroulement croisé), et elle est particulière- ment faible lorsque tous les fils sont parallèles (par -3- exemple, enroulement cylindrique perpendiculaire au méri- dien) L'enroulement croisé ne se fait pas dans le cas d'un enroulement de récipient en forme de tore. Dans l'application de la technique d'enroulement ou de bobinage, il faut surmonter deux difficultés fonda- mentales l/ chaque type d'enroulement ménage une zone vide autour des calottes polaires du récipient Lorsque les ma- tériaux, qui ne seront désignés, dans les lignes suivantes, que par le terme "fils", sont enroulés dans la direction du méridien, tous les fils passant par l'équateur se croi- sent au pôle Des éléments de construction supplémentaires particuliers, tels que, par exemple, des tubulures et des couvercles, sont donc toujours requis pour les calottes polaires Ce problème est supprimé dans le cas des réci- pients sous pression en forme de tore. 2/ Les récipients uniquement réalisés par enroule- ment, sans récipient intérieur, ne sont étanches aux li- quides et aux gaz qu'à des pressions relativement basses. C'est pourquoi l'on peut, ou bien fabriquer le récipient par enroulement sur un noyau ou mandrin-que l'on élimine par lavage après achèvement du processus de fabrication, une vessie de caoutchouc étant ensuite insérée à travers une tubulure de remplissage, cette insertion ultérieure d'une vessie de caoutchouc n'étant, il est vrai, pas pos- sible dans le cas des récipients sous pression en forme de tore, ou bien réaliser l'enroulement sur un récipient in- térieur qui reste en place dans le récipient sous pression et qui constitue en même temps le noyau ou mandrin de bo- binage et le moyen d'étanchéité. Lorsqu'un récipient intérieur est utilisé comme noyau porteur de l'enroulement de soutien, il faut veiller à ce que le matériau dudit récipient intérieur et le maté- riau de l'enroulement présentent les mêmes dilatations ab- solues, ce qui veut dire que, pour les deux matériaux, le rapport entre la contrainte et le module d'élasticité doit 4 - être identique Dans le cas normal, ce n'est donc que la longueur de rupture du matériau de l'enroulement ou celle du matériau du récipient intérieur qui peut être pleine- ment utilisée Si l'on veut, par exemple, utiliser pleine- ment la haute résistance des fibres de carbone, il n'est pas possible de tirer simultanément parti, pour le réci- pient intérieur, de la grande longueur de rupture du ti- tane par exemple C'est pourquoi il est avantageux de faire reprendre par l'enroulement une proportion maximale de l'effort de pression et, en conséquence, une très fai- ble proportion seulement par le récipient intérieur. On a alors une possibilité de réaliser un enroule- ment optimal pour récipients optimaux en choisissant la forme du récipient, par une conception appropriée de la courbure du méridien, de telle manière que la pression de soutien exercée par l'enroulement sur le récipient inté- rieur soumis à une charge ne soit pas constante indépen- demment du rayon du récipient, mais provoque une réparti- tion non uniforme et bien définie de la pression sur le rayon du récipient' et ce de telle façon que la forme choi- sie pour le récipient constitue en même temps la forme optimale pour le récipient intérieur soumis à une charge non uniforme et la forme optimale du récipient pour l'en- roulement extérieur soumis à une charge non uniforme Cet- te combinaison du récipient intérieur et de l'enroulement de soutien présenterait une dilatation parfaitement uni- forme dans toutes les directions et en tout point Le ma- tériau du récipient intérieur, comme aussi le matériau de l'enroulement, sont pleinement utilisés pour autant que le permette la dilatation égale de l'enroulement et du récipient intérieur. Le principe de conception précédemment mentionné conduit, dans le cas o une grande proportion de la char- ge est reprise par l'enroulement et une faible proportion par le récipient intérieur, à utiliser des zones de tore qui ne présentent pas une courbure de méridien constante, -5- mais sans que cela ait pour résultat que le méridien soit fermé sur lui-même De même, le principe de conception serait applicable à un récipient en forme de tore fermé. L'inconvénient que présente ce récipient, qui est en soi un récipient optimal, est que la répartition de la charge entre le récipient intérieur et l'enroulement de soutien extérieur limite les possibilités de réalisation C'est ainsi qu'il n'est, par exemple, pas possible de tirer par- ti, au-delà d'une certaine mesure, de la très grande lon- gueur de rupture des fibres de carbone, car une partie considérable de la charge doit alors nécessairement être reprise par le récipient intérieur. La présente invention a pour objet de mettre au point un récipient sous pression fermé en forme de tore, de telle manière qu'une conception optimale du récipient soit assurée avec un poids aussi faible que possible. La présente invention permet de résoudre ce pro- blème par le fait que le récipient sous pression en forme de tore présente, dans la zone équatoriale, un contour extérieur cylindrique qui est renforcé par un enroulement de soutien supplémentaire perpendiculaire au méridien. Grâce à la présente invention, on utilise les pro- priétés des récipients fermés en forme de tore, lesquelles sont favorables en soi, tandis qu'on élargit en même temps les possibilités relatives à la construction des réci- pients sous pression, du fait que le pourtour extérieur du récipient, lequel présente par ailleurs la forme d'un tore, est réalisé en forme de cylindre dans la zone de l'équateur Les contraintes tangentielles supplémentaires, qui se produisent dans cette zone du fait de cette concep- tion, sont reprises par un simple enroulement circulaire supplémentaire qui est perpendiculaire au méridien du ré- cipient sous pression. De cette manière, la présente invention permet de réaliser un récipient extrêmement léger, sur lequel la grande longueur de rupture du matériau fibreux est plei- 6- nement exploitée et la proportion de liants est faible, et qui ne comporte pas de lourdes tubulures aux calottes polaires En outre-, les problèmes qui se posent avec d'au- tres formes de récipients, en ce qui concerne la concen-. tration des fils aux calottes polaires, se trouvent évités. Avec le type de construction selon la présente invention, la proportion de là charge reprise par l'enroulement de soutien extérieur peut être choisie plus grande que jus- qu'à présent, par rapport à la proportion de la charge à reprendre par le récipient intérieur, et ce indépendamment des restrictions antérieures précédemment mentionnées. Un récipient sous pression de ce type pourrait évidemment aussi être fabriqué uniquement par un procédé d'enroulement; cependant, après élimination du noyau ou mandrin de bobinage, on ne peut pas insérer de récipient intérieur, par exemple sous la forme d'une vessie de ca- outchouc. Dans le cas d'un récipient constitué par un réci- pient intérieur et un enroulement de soutien, le récipient intérieur, qui participe au support de la charge et qui est pleinement adapté en ce qui concerne la dilatation, assume alors les fonctions de noyau ou mandrin de bobina- ge et de moyen d'étanchéité A titre d'exemple, une pro- portion d'environ 20 % de la charge totale agit sur le récipient intérieur, tandis que les 80 % restants sont repris par l'enroulement de soutien extérieur. Une caractéristique additionnelle de la présente invention prévoit que les enroulements de soutien s'éten- dent, d'une part, dans la partie bombée du récipient sous pression uniquement dans le sens du méridien, et, d'autre part, dans la partie cylindrique, de plus perpendiculai- rement au méridien. Les raccords destinés au remplissage et au vidage et/ou à la fixation et à la manipulation du récipient sous pression peuvent, par exemple, être prévus sur une ou plusieurs membrures renforcées qui remplacent l'enroule- -7- ment de soutien dans le sens du méridien, entre deux méri- diens voisins. Il est de même possible, pour recevoir les rac- cords destinés au remplissage et au vidage et/ou à la fi- xation et à la manipulation du récipient sous pression, de prévoir deux ou plusieurs bossages ou oeils ou oreilles de renforcement disposés dans une zone méridienne, et de transformer l'enroulement de soutien qui s'étend dans le sens du méridien aux épaulements desdits bossages ou oeils de renforcement, lesquels épaulements font saillie vers l'extérieur, en un enroulement croisé qui remplace ledit enroulement de soutien le long du méridien dans cette zone. Il est également possible de prévoir les raccords destinés au remplissage et au vidage et/ou à la fixation et à la manipulation du récipient sous pression sur un ou plusieurs oeillets ou oreilles renforcés qui se trouvent chacun entre deux méridiens voisins et qui sont également recouverts ou entourés par l'enroulement de soutien. Les oeils ou bossages ou oreilles de renforcement sont avantageusement prévus dans la zone à faible densité de fils, en bordure de la zone équatoriale cylindrique. Une autre possibilité consiste à prévoir des oreil- les de renforcement autour desquelles passe l'enroulement méridien. La présente invention sera mieux comprise à l'ai- de de la description détaillée de plusieurs modes de réa- lisation pris comme exemples non limitatifs et illustrés par le dessin annexé, sur lequel 1 a figure -1 est une vue en perspective d'un ré- cipient sous pression en forme de tore selon la présente invention; ta figure 2 est une vue en coupe, dans le plan du méridien# du récipient sous pression selon la figure 1; ta figure 3 est une vue en perspective d'un se- cond exemple de réalisation d'un récipient sous pression en forme de tore selon la présente invention; et -8- ta figure 4 est une vue partielle en perspecti- ve, coupée dans le plan du méridien, d'un récipient sous pression selon la présente invention, cette vue illus- trant la position des raccords destinés au remplissage/ vidage et à la manipulation. Un récipient sous pression en forme de tore 1 pré- sente, dans sa zone latérale et dans sa zone intérieure, la forme d'un tore fermé 2, tandis que la zone équatoria- le est réalisée à la manière d'un cylindre 3 La transi- tion entre ces deux zones est réalisée avec une forte courbure, ainsi qu'il ressort de la vue en coupe transver- sale de la figure 2. Le récipient sous pression 1 comporte un récipient intérieur léger 4, qui a lui aussi la forme d'un tore Sur ce récipient intérieur sont appliqués les enroulements ou bobinages de soutien 5 et 6, par exemple en fibres de car- bone, lesquelles sont maintenues réunies à l'aide d'un liant à la résine. L'enroulement de soutien 5 ne s'étend que dans le sens du méridien M Dans la zone du cylindre 3, l'enrou- lement de soutien 6, dont les spires sont perpendiculai- res au méridien dans le plan de l'équateur, ainsi que cela est indiqué par la flèche E sur la figure 1, est ap- pliqué sur ledit enroulement méridien 5. Les matériaux qui constituent le récipient inté- rieur et l'enroulement de soutien sont accordés l'un à l'autre de telle façon qu'ils présentent tous deux la mê- me dilatation absolue sous les charges qui interviennent. Le récipient intérieur est d'une construction très légère et ne doit, pour l'essentiel, présenter qu'une résistance qui le rende approprié comme noyau ou mandrin de bobinage pour les enroulements de soutien 5 et 6. Dans le cas de ce récipient sous pression, la pression de soutien ou d'appui qu'exercent les enroule- ments de soutien 5 et 6 sur le récipient intérieur 4 sou- mis à une charge n'est plus constante indépendamment du -9- rayon du récipient; au contraire, il en résulte dans ce cas une répartition non uniforme et bien définie de la pression sur le rayon du récipient La forme choisie pour le récipient est une forme optimale pour le récipient in- térieur soumis à une charge non uniforme et également une forme optimale pour les enroulements de soutien extérieurs et 6 soumis à une charge non uniforme Dans la zone 2 o le récipient a la forme d'un tore pur, les avantages des récipients fermés en forme de tore sont utilisés en ce qui concerne l'enroulement; en particulier, il n'y a pas de concentration excessive des spires et une forte proportion de liant Les contraintes tangentielles sup- plémentaires dues à la forme cylindrique de la zone équa- toriale sont reprises par l'enroulement de soutien 6, qui est perpendiculaire à la direction du méridien Une telle construction est très facile à réaliser et présente une dilatation parfaitement uniforme dans chaque direction et en tout point Les contraintes tangentielles et méridien- nes qui se produisent dans la paroi du récipient inté- rieur soumis à la charge sont alors constantes et la ten- sion des fils dans les enroulements de soutien l'est en même temps aussi Avec une telle forme de récipient, les grandes longueurs de rupture des matériaux à base de fi- bres, tels que par exemple les fibres de carbone, peuvent trouver une utilisation optimale. Le récipient sous pression représenté sur la fi- gure 1 présente encore plusieurs raccords 7, destinés, par exemple, à la fixation ainsi qu'au remplissage ou au vidage dudit récipient sous pression Ces raccords sont prévus sur des membrures renforcées 8, qui entourent le récipient intérieur 4 et dont l'une est représentée sur la figure 1 En règle générale, un récipient comportera une ou deux membrures Ces membrures, renforcées par rap- port à l'enroulement de soutien 5, remplacent ledit en- roulement de soutien 5 entre les deux méridiens qui déli- mitent la membrure, et sont généralement elles-mêmes - réalisées sous la forme d'éléments obtenus par bobinage dans le cadre de l'enroulement de soutien 5 Une fabrica- tion avec un matériau en forme de mât ou équivalent est également possible Les raccords 7 sont pratiqués dans les membrures 8 de façon appropriée. La figure 3 représente un récipient sous pression 1 ' en forme de tore qui est fabriqué de la même manière que le récipient sous pression selon la figure 1, à l'ex- ception des zones qui reçoivent les raccords 7 ' Le réci- pient sous pression en forme de tore présente à nouveau un récipient intérieur qui est recouvert d'un enroulement de soutien 5 ' dans le sens du méridien M et, dans sa par- tie cylindrique 3 ', d'un enroulement de soutien 6 ' per- pendiculaire au méridien Les raccords 7 ' sont prévus. dans une zone à faible densité de fibres, c'est-à-dire dans la zone limite entre l'enroulement de soutien 5 ' et l'enroulement de soutien 6 ', o chacun des raccords est inséré dans un bossage ou oeil de renforcement 9 L'en- roulement de soutien 5 ', lequel s'étend par ailleurs dans le sens du méridien M, est transformé en un enroulement croisé 10, qui remplaceledit enroulement 5 ' le long du méridien dans la zone qui reçoit les bossages de renfor- cement et les raccords, entre les deux raccords 7 ' repré- sentés sur cette figure, cette transformation se faisant aux épaulements de ces bossages de renforcement 9, les- quels épaulements font saillie vers l'extérieur. La figure 4 représente une partie d'un autre ré- cipient sous pression 1 ", lequel comporte un récipient intérieur 4 " en forme de tore, dont la zone équatoriale est réalisée sous forme de surface cylindrique circonfé- rentielle Le récipient intérieur 4 " est recouvert d'un enroulement de soutien 5 " dans le sens du méridien et, dans sa zone équatoriale cylindrique, d'un enroulement de soutien 6 " perpendiculaire au méridien Pour installer des raccords, tels qu'un orifice de remplissage 12, qui n'est qu'esquissé sur cette figure, une oreille de ren- il - forcement 13, qui reçoit le raccord voulu, est rapportée sur le récipient intérieur 4 " dans la zone de transi- tion entre le tore et le cylindre, oreille qui se trouve entre deux méridiens voisins et qui est entourée par les fils de l'enroulement de soutien méridien 5 " Cet élément de raccordement 13 peut, par exemple, être constitué par une pièce de métal léger, en aluminium ou un matériau si- milaire, présentant des perçages appropriés. 12 - REVENDICATIONS 1. Récipient sous pression en forme de tore et réalisé avec un matériau composite, qui est constitué par un récipient intérieur étanche aux gaz et aux liquides et par un enroulement ou bobinage de soutien, appliqué sur ledit récipient intérieur en vue de délester la paroi de ce dernier et constitué par des fibres ou des fils, le mé- ridien présentant une courbure qui assure l'égalité des contraintes tangentielles et méridiennes constantes dans la paroi du récipient intérieur et en même temps une ten- sion constante des fils dans l'enroulement de soutien, caractérisé en ce que le récipient sous pression ( 1) en forme de tore présente, dans la zone équatoriale, un con- tour extérieur cylindrique ( 3), qui est renforcé par un enroulement de soutien supplémentaire ( 6) perpendiculaire au méridien 2. Récipient sous pression selon la revendica- tion 1, caractérisé en ce que les enroulements de soutien ( 5, 6) s'étendent, d'une part, dans la partie bombée ( 2) du récipient sous pression uniquement dans le sens du mé- ridien (M), et, d'autre part, dans la partie cylindrique ( 3), de plus perpendiculairement au méridien. 3. Récipient sous pression selon la revendica- tion 1 ou 2, caractérisé en ce que les raccords ( 7) desti- nés au remplissage et au vidage et/ou à la fixation et à la manipulation du récipient sous pression ( 1) sont pré- vus sur une ou plusieurs membrures ( 8) renforcées qui rem- placent l'enroulement de soutien ( 5), dans le sens du mé- ridien (M), entre deux méridiens voisins. 4 Récipient sous pression selon la revendica- tion 1 ou 2, caractérisé en ce que, pour recevoir les rac- cords ( 7 ') destinés au remplissage et au vidage et/ou à la fixation et à la manipulation du récipient sous pres- sion, deux ou plusieurs bossages ou oeils ou oeillets de renforcement ( 9) sont disposés dans une zone méridienne ( 11), et en ce que l'enroulement de soutien ( 5 '), qui -13 - s'étend dans le sens du méridien (M), est transformé aux épaulements desdits bossages ou oeils de renforcement, épaulements qui font saillie vers l'extérieur, en un en- roulement croisé ( 10) qui remplace ledit enroulement de soutien ( 5 ') le long du méridien dans cette zone ( 11). 5. Récipient sous pression selon la revendica- tion 1 ou 2, caractérisé en ce que les raccords destinés au remplissage et au vidage et/ou à la fixation et à la manipulation du récipient sous pression sont formés sur un ou plusieurs oeillets ou oreilles renforcés qui se trouvent chacun entre deux méridiens voisins et qui sont également recouverts ou entourés par l'enroulement de sou- tien ( 5 "). 6. Récipient sous pression selon la revendica- tion 4 ou 5, caractérisd en ce que les oeils ou bossages ou oeillets ou oreilles de renforcement ( 9) sont prévus dans la zone à faible densité de fils, en bordure de la zone équatoriale cylindrique ( 3).