Brevet FR2629162A1 — publié le 19890929

La présente invention concerne un dispositif absorbeur de choc et plus particulièrement un dispositif qui absorbe et/ou attenue l'énergie d'une façon qui est programmée à l'avance, selon l'objet à protéger et les conditions de l'application du choc, lesquelles conditions sont connues. Le dispositif d'absorption d'energie selon l'invention présente des caractéristiques originales qui permettent, grace à une méthode de calcul -appropriée dont les principes sont ceux de la mécanique des solides, de programmer sa déformation de façon à lui faire jouer pleinement son rôle d'un bout à l'autre du choc, sans dommage pour l'objet protege. Le dispositif d'absorption d'energie selon l'invention est en fait un veritable programmeur de choc. I1 existe des systèmes d'absorption d'énergie utilisés de façon courante pour préserver des vies humaines et le matériel lors de crashes de voitures par exemple, de chutes d'ascenseur, ou encore lors de deflagration dans les centrales nucléaires. Ces systèmes d'absorption d'énergie peuvent etre constitués de simples poutres soumises au flambage ou encore constitués d'un empilement de corps creux. L'absorption d'énergie résulte de la déformation des systèmes utilisés cette déformation étant une déformation par compression et flambage selon le cas. Des sections à parois minces fermées en oméga ou rectangulaires, ont également éte utilisées pour l'absorption d'énergie sur les structures des automobiles, les trains et les bus par exemple. Cependant, la plupart de ces systèmes d'absorption d'énergie ne répondent pas à une loi de comportement pré-établie ; l'utilisation de ces systèmes repose essentiellement sur des données empiriques. La présente invention a pour but de proposer un dispositif absorbeur de choc dont le comportement répond à une loi pré-établie grâce à une structure particulière, originale, susceptible de déformation par flambage plastique dynamique. Le dispositif d'absorption d'énergie selon l'invention constitue un véritable programmeur de choc dont le prix de revient est peu élevé ; ce dispositif présente par ailleurs l'avantage de se dispenser de toute vérification et entretien après installation. Le dispositif absorbeur de choc selon l'invention est constitué d'un bloc de matériau métallique compacté ou non, comportant deux embases ou semelles de réception du choc et, entre ces deux embases, des bras allongés dont le nombre, la nature et les dimensions, associés aux conditions d'application du choc (vitesse, masse) sont telles qu'elles déterminent le programme d'absorption du choc (force programmée) par une déformation du type flambage plastique dynamique. Selon un premier mode de réalisation de l'invention, le dispositif absorbeur de choc est constitué d'un bloc sensiblement parallélépipédique rectangle comportant une fenêtre centrale et deux bras latéraux identiques qui s'étendent entre deux embases. Pour faciliter la mise en flexion extérieure des bras, ceux-ci peuvent, à l'origine, être conformés légèrement arqués par usinage ou par pré-déformation et l'une des embases peut etre conformée légèrement bombée de façon à mieux contrôler le niveau de départ de la force programmez Le dispositif absorbeur selon l'invention peut encore comporter, dans les embases et le prolongement des bras à chacune de leurs extremités, des trous permettant de redresser l'écoulement plastique du matériau afin d'éviter le cisaillement des sections des extrémités desdits bras. Selon un second mode de réalisation, le dispositif absorbeur de choc se présente sous la forme d'un bloc tubulaire comportant, entre ses deux embases, au moins deux fenetres allongées, dessinées entre des bras de meme section. Selon une autre disposition de l'invention, le dispositif absorbeur de choc est constitué, de façon monobloc ou non, de plusieurs étages de programmation de la déformation ; chaque étage comporte des bras et des fenêtres disposés entre des embases ; les bras pouvant etre excentrés d'un étage à l'autre. Selon une autre disposition de l'invention, les bras comportent des trous calibrés d'affaiblissement de façon à modifier le programme d'absorption des forces, dans chaque bras, en fonction des besoins. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention ressortiront de la description suivante et des dessins annexés dans lesquels - la figure 1 est une perspective d'un dispositif d'absorption d'énergie selon un premier mode de réalisation - la figure 2 illustre la courbe caractéristique d'un absorbeur d'énergie selon l'invention - la figure 3 représente le dispositif absorbeur après utilisation - la figure 4 représente un second mode de réalisation de dispositif absorbeur selon l'invention ;; - la figure 5 représente une coupe selon 5-5 de la figure 4 - la figure 6 représente un autre mode de réalisation d'un dispositif absorbeur selon l'invention, à plusieurs étages d'absorption - la figure 7 illustre une courbe caractéristique d'un dispositif absorbeur à deux étages, chaque étage ayant des caractéristiques d'absorption différentes - la figure 8 illustre le diagramme de fonctionnement d'un exemple de réalisation. Le dispositif programmeur représenté'figure 1 est en forme de bloc parallélépipédique ; il comporte deux embases 1 et 2 rectangulaires reliées par deux bras 3, de part et d'autre d'une fenêtre 4. On remarque, dans l'exemple de la figure 1, que la fenetre 4 a un contour elliptique ainsi que les côtés externes 3a des bras 3. L'embase 1 comporte une surface légèrement bombée. Le contour elliptique du programmeur peut être obtenu directement par usinage ; il permet d'obtenir de façon sure un flambage vers l'extérieur. Le maintien d'une force de décélération constante est assure par le flambage plastique dynamique des bras du programmeur pendant un temps inférieur au temps nécessaire pour que les deux embases du programmeur entrent en contact, figure 3. Pour obtenir ce flambage, la géométrie du dispositif absorbeur doit remplir-certaines conditions impératives. L'élasticité des embases doit etre supérieure à celle des bras. Pour obtenir une bonne stabilité générale du programmeur il a été défini que le rapport L/h doit etre inférieur à un coefficient K1 que multiplie la racine carrée de h/b, ou L est la longueur du progammeur, h l'épaisseur des bras 3 et des embases 1 et 2, b la largeur du programmeur, K1 est un coefficient de l'ordre de /1,2. Par ailleurs, selon le type de matériau on observera pour le rapport L/H, où H est l'épaisseur du programmeur, une valeur qui, dans le cas de certains alliages, à base de cuivre par exemple, est inférieure à cinq ; pour d'autres materiaux, elle sera inférieure à dix. Pour obtenir un sens privilégié de la flexion des bras 3, vers l'extérieur, h doit etre nettement inferieur à H. On remarque encore sur le progammeur de la figure 1, des trous 5 disposes à chaque extrémité des bras 3 dans les embases 1 et 2 ; ces trous permettent un redressement de ltécoulement plastique du matériau aux jonctions bras-embases et évitent ainsi le cisaillement des sections des bras à ce niveau. La figure 3 représente le programmeur de la figure 1 après écrasement. Les embases 1 et 2 sont pratiquement en contact ; les bras 3 sont totalement pliés en deux et les trous 5 ont pratiquement disparu. Le choc est appliqué au programmeur sur son embase 1 par exemple, ledit programmeur reposant sur un bloc 6. Pour-l'application du choc sur l'embase 1 on peut prévoir une pièce intercalaire qui permet la répartition sur toute la surface de ladite embase. La figure 2 représente la courbe caractéristique de la force telle qu'elle peut etre programmée dans un dispositif absorbeur selon l'invention. On a mis en abscisse l'écrasement E du dispositif absorbeur et en ordonnée la force absorbée. On remarque que la force FI est pratiquement constante pendant l'écrasement du programmeur, jusqu'a El qui correspond à l'écrasement total c'est-à-dire la mise en contact des embases I et 2. On remarque également un pic de flambage au départ qui dépend essentiellement de l'élancement de la fenetre 4 du programmeur. Selon cet élancement le flambage peut etre plastique sur la totalité des bras 3 du programmeur, ou partiellement. La valeur limite de l'élancement dépend des criteres d'encombrement géométrique et des paramètres du fonctionnement du programmeur. On peut écréter le premier pic de fonctionnement du programmeur au moyen d'une pre-deformation sous presse jusqu'a un niveau ou la force de pre-deformation est egale au niveau de la force souhaitee F1 de l'entree en action du progammeur La figure 4 représente un autre mode de realisation d'un dispositif absorbeur selon l'invention. Ce dispositif se presente sous la forme d'un bloc tubulaire comportant des embases 1 et 2 et des bras 3 disposes entre lesdites embases. On a représenté figure 5 une coupe transversale du dispositif programmeur montrant les sections des bras 3. Le nombre de bras peut etre de trois ou quatre. L'absorption de l'énergie du choc, sous la force d'écrasement, est programmée pour etre sensiblement constante pendant toute la durée de la déformation du programmeur. La force de programmation est conditionnée par deux paramètres qui sont, d'une part, l'élancement des fenetres 4, et, d'autre part leur nombre. Le principe de calcul du programmeur repose sur quatre critères : - un critere de stabilité c'est-à-dire que le programmeur doit avoir un fonctionnement symétrique stable avec un flambage plastique à l'exterieur de sa structure, limite au bras ; - un critère de choix du materiau, lequel doit avoir un comportement en compression dynamique adapté à la vitesse de déformation ; - un critère de force de programmation conditionne par deux paramètres qui sont l'élancement de la fenetre (longueur/épaisseur) et le nombre de fenetres ; - un critère concernant l'énergie absorbée c'est-à-dire la capacité d'absorption du programmeur. La force de programmation est proportionnelle au nombre de bras, à leur section et à la contrainte critique de flambage dynamique desdits bras. Cette contrainte critique de flambage dynamique est elle-meme proportionnelle a la longueur de la fenetre, son épaisseur, à la vitesse initiale du choc et au choix du matériau. Pour obtenir une bonne stabilité du programmeur, il faut respecter certaines conditions géométriques et en particulier prévoir un rapport Lf/h inferieur à cinq ou Lf est la longueur de la fenetre, h son epaisseur et respecter- pour la stabilite generale, le rapport L/D inferieur à 3 où L est la longueur totale du programmeur et D son diamètre. Un autre des paramètres importants dans la -de finition du programmeur est le temps critique de fermeture de la ou des fenetres. Ce temps depend des dimensions desdites fenetres ainsi que de l'énergie cinetique en impact direct. Il faut alors, pour mai-ntenir une force calibrée, avoir un temps critique de fermeture plus important que le temps de choc. Lorsque l'energie à dissiper dans le programmeut est superieure à l'energie absorbable par un programmeur determiné, on peut multiplier le nombre de programmeurs c'est-à-dire réaliser une absorption du choc en cascade. La figure 6 représente un programmeur à deux etages. Ce programmeur comporte deux embases 1 et 2 au niveau desquelles s'applique le choc, et une embase intermédiaire 7 qui relie, les bras 3 de chacun des étages. Les bras 3 peuvent etre disposés dans le prolongement l'un de l'autre, parallèlement à l'axe du programmeur ; ils peuvent également, comme représentes figure 6, être excentrés-d'un etage a l'autre. La figure 7 illustre la courbe caracteristique d'un programmeur à deux etages comme celui represente figure 6, avec en abscisse ltécrasement du programmeur et en ordonnée la force programmée. On remarque un premier écrasement, jusqu'a El, avec une force F1 pratiquement constante à l'exception du pic initial de flambage puis, à partir de El un deuxième pic de flambage suivi d'une force F2 sensiblement constante, supérieure à Fl, qui correspond à l'écrasement du deuxième étage de programmation, jusqu'à E2. Arrivée à E2, toute l'énergie du choc doit avoir été absorbée ; l'écrasement correspondant à E2 est normalement inférieur à l'écrasement total du programmeur. I1 a été vu, dans le cas du programmeur représenté figure 1, que l'on pouvait écréter le pic de flambage Si les conditions d'utilisation l'imposaient. Cette opération s'effectue par pre-deformation du programmeur, sous presse, jusqu'à un niveau où la force de pré-déformation est égale au niveau de la force souhaitée pour l'entrez en action du programmeur. Pour obtenir des forces d'absorption programmées différentes d'un étage à l'autre du programmeur, on peut faire varier les sections des bras globalement d'un étage à l'autre ou encore effectuer un ou plusieurs trous 8 dans tous les bras d'un meme étage. On obtient ainsi une atténuation contrôlée grâce au programme de chaque étage d'absorption. Le nombre d'étages est choisi en fonction de la quantité d'énergie totale maximum à absorber ; ce nombre d'étages peut etre supérieur à deux. La figure 8 illustre le fonctionnement d'un programmeur tel que représenté figures 4 et 5. Ce programmeur se présente sous la forme d'un bloc tubulaire dont la longueur L est égale à 144 mm, le diamètre externe est de 96,6 mm et le diamètre interne de 83,8 mm. I1 comporte trois bras 3 et trois fenetres 4 qui s'étendent parallèlement à l'axe du tube. Les fenetres 4 sont centrées sur la longueur du tube ; elles ont une longueur Lf de 84 mm et une largeur de 54 mm entre deux plans parallèles ; les quatre coins sont taillés avec un arrondi de rayon 16 mm. Les embases 1 et 2 ont une épaisseur de 30mm ; elles présentent des surfaces externes annulaires parallèles entre elles. Ce programmeur est réalise en acier Z2.NC.18.10 à partir d'une ébauche tubulaire d'un diamètre de 100 mm et de 10 mm d'épaisseur. La structure du programmeur ne nécessite pas d'usinages de grande précision ; le flambage s'effectue axialement sans aucun risque de déformation latérale. Le court d'une telle structure est particulierement réduit. La courbe de la figure 8 illustre le fonctionnement du programmeur détaillé ci-dessus et auquel on a fait subir une prédéformation de façon à ajuster la valeur de son premier point de fonctionnement. La prédéformation consiste en l'application d'une première force qui correspond à la force d'arret de la première déformation ; dans le cas présent, cette première force appliquée est de 95 KN ; la predéformation a été stoppée à 83 KN et la déformation dL du programmeur était de 6 mm. Le diagramme de la figure 8 avec la déformation en millimètres en abscisse et l'effort en ordonnée représente la montée rapide de l'effort a un peu plus de 80 KN puis sa stabilisation entre 80 KN et 70 KN pendant toute la déformation qui s'étend sur plus de 40 mm. Le domaine d'application d'un tel dispositif programmeur est très vaste. En dehors de la protection des personnes et des matériels, ce dispositif permet de réaliser des essais de produits en laboratoire qu'autrefois on ne pouvait réaliser qu'en vrai grandeur. On peut ainsi réaliser des essais sur des produits qui dispensent de l'énergie (essais d'explosion) et réaliser des essais sur des produits qui reçoivent ou subissent l'énergie (essais de choc). On peut en particulier essayer des poudres d'explosifs en laboratoire. On peut également tester la tenue au choc d'équipements électriques ou électroniques embarqués sur des engins balistiques par exemple, et dont le role est de déclencher la mise a feu de l'engin après le choc avec la cible. Le dispositif programmeur selon l'invention permet de retarder l'application du choc à un équipement embarqué notamment sur un engin balistique ou non, lui laissant le temps de commander des opérations prévues pour etre consécutives au choc. Les signes de référence insérés apres les caractéristiques techniques mentionnées dans les revendications ont pour seul but de faciliter la compréhension de ces dernieres, et n'en limitent aucunement la portée. - REVENDICATIONS 1.- Dispositif absorbeur de choc caractérisé en ce qu'il est constitué drun bloc de matériau rigide comportant deux embases (1 et 2) de réception du choc et, entre ces deux embases, des bras (3) allongés dont le nombre, la nature et les dimensions, associés aux conditions de choc, (vitesse, masse), sont telles qu'elles déterminent le programme d'atténuation du choc par une déformation du type flambage plastique dynamique desdits bras. 2.- Dispositif absorbeur de choc selon la revendication 1, caractérisé en ce qu il est constitué d'un bloc sensiblement parallélépipédique comportant une fenêtre centrale (4) et deux bras latéraux (3) identiques, qui s'étendent entre deux embases (1 et 2) de sect-ion rectangulaire ; le rapport de la longueur du dispositif sur l'épaisseur des bras L/h est inférieur a dix. 3.- Dispositif absorbeur de choc selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte des bras (3) légèrement arqués par usinage, ou par pré-déformation de façon a controler le niveau de départ de la force. programmée. 4.- Dispositif absorbeur de choc selon l'une quelconque des revendications 2 ou 3, caractérisé en ce qu'il comporte une embase (2) plane et une embase (1) légèrement bombée pour faciliter la mise en flexion des bras (3) vers l'extérieur. 5.- Dispositif absorbeur de choc selon l'une quelconque des revendications 2 à 4, caractérisé en ce qu'il comporte, dans le prolongement et à l'extrémité des bras (3), dans les embases (1 et 2), des trous (5) permettant un redressement de l'écoulement plastique du matériau de façon à éviter le cisaillement des sections aux extremités desdits bras (3). 6.- Dispositif absorbeur de choc selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est constitué d'un bloc tubulaire comportant entre les deux embases (1 et 2), au moins deux bras (3) axiaux, de.même section, dont la longueur est inférieure à dix fois leur épaisseur, le rapport entre la longueur (L) du bloc et son diamètre extérieur (D) étant inférieur à trois. 7.- Dispositif absorbeur de choc selon la revendication 6, caractérisé en ce qu'il comporte plusieurs étages de programmation constitués de bras (3) disposés entre les deux embases (1 et 2), et une embase intermédiaire (7) de séparation des étages. 8.- Dispositif absorbeur de choc selon l'une quelconque des revendications 6 ou 7, caractérisé en ce qu'il comporte des bras (3) excentrés, d'un étage à l'autre. 9.- Dispositif absorbeur de choc selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte, sur les bras (3), des trous calibrés (8) d'affaiblissement desdits bras.