Brevet FR2683615A1 — publié le 19930514

La présente invention est relative à un dispositif d'encastrement d'une poutre en matériau composite et, plus particulièrement, à un tel dispositif conçu pour empêcher le délaminage de la poutre quand celle-ci est soumise à des efforts de flexion importants. La présente invention est aussi relative à une poutre utilisable dans un tel dispositif. L'utilisation de lames de ressort ou de poutres en matériau composite est actuellement envisagée dans des applications variées telles que des suspensions de véhicule automobile, des suspensions antisismiques d'immeubles, etc... Une telle poutre est généralement constituée de fibres parallèles à la longueur de la poutre et noyée dans une matrice. A titre d'exemple non limitatif, on utilise des fibres de verre, de carbone ou des fibres aramides noyées dans une matrice constituée d'une résine polyester ou époxy, d'un polyimide, etc... De telles poutres, intrinsèquement plus coûteuses que des poutres en matériau classique, trouvent application là où on peut tirer avantage de leur faible poids et de leur capacité à stocker de grandes quantités d'énergie. Lorsqu'on applique un effort de flexion F à une poutre 1 encastrée dans un support 2 comme représenté à la figure 1 du dessin annexé, la distribution des efforts tranchants T dans la poutre, représentée en regard de celle-ci à cette figure, fait apparaître que ces efforts sont beaucoup plus grands dans la partie encastrée de cette poutre qu'à l'extérieur de cette partie encastrée. Lorsque la poutre est réalisée en un matériau composite comme décrit ci-dessus, ces efforts peuvent provoquer une détérioration de la poutre par matage dans la partie encastrée et surtout par délaminage, comme illustré à la figure 2. Le cisaillement de la matrice par les efforts tranchants provoque un glissement des fibres les unes par rapport aux autres, glissement illustré par la rotation d'angle a du plan P de l'extrémité libre de la poutre par rapport à un plan P' normal à la fibre moyenne de cette poutre. Ce glissement, ou délaminage, détruit ou altère la cohésion du matériau composite constituant la poutre et donc la résistance et autres propriétés mécaniques de celle-ci. On décrit dans le brevet européen No. 214 001 au nom de la demanderesse, un dispositif d'encastrement d'une lame élastique en matériau composite travaillant en flexion, conçu pour pallier cet inconvénient en conformant l'extrémité encastrée de la lame de manière à supprimer, ou du moins à réduire, à ce niveau, les efforts tranchants susceptibles de cisailler le matériau composite. Ce résultat est atteint au prix d'une conformation particulière de l'extrémité encastrée de la lame, en forme de boucle, et du support de cette extrémité. Le dispositif est efficace à l'égard d'efforts de flexion orientés dans un même plan, confondu avec un plan de symétrie de la poutre. La présente invention a pour but de réaliser un dispositif d'encastrement d'une poutre en matériau composite permettant de s'opposer à un délaminage de celle-ci sous effort de flexion, sans modification de la forme de l'extrémité encastrée de la poutre. La présente invention a aussi pour but de réaliser un tel dispositif qui soit efficace quelle que soit l'orientation des efforts de flexion appliqués à la poutre. On atteint ces buts de 1 invention, ainsi que d'autres qui apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre, avec un dispositif d'encastrement d'une poutre en matériau composite constituée de fibres parallèles à la longueur de la poutre et noyées dans une matrice, ce dispositif étant remarquable en ce qu'il comprend un renfort en matériau composite à fibres noyées dans un liant, adhérant à une face ou portion de surface latérale de la partie encastrée de la poutre, sensiblement parallèle à la direction des efforts appliqués, ledit renfort comportant des fibres d'orientation diagonale par rapport à celle de la poutre, la raideur en traction de ce renfort suivant la direction des fibres étant très supérieure à sa raideur en cisaillement dans son plan. Comme on le verra dans la suite, un tel renfort bride efficacement des déformations de la poutre par cisaillement, en empêchant ainsi le délaminage et la détérioration de celle-ci. Suivant un premier mode de réalisation de l'invention, le renfort comprend deux nappes de fibres croisées de manière à brider des déformations par cisaillement de la poutre dues à des efforts appliqués à celle-ci suivant deux sens opposés d'une même direction. Suivant un autre mode de réalisation de l'invention, le renfort est constitué de fibres tissées ou tressées, c est à-dire entrecroisées dans l'épaisseur du renfort. Suivant encore un autre mode de réalisation de l'invention, destiné à une poutre devant subir des efforts axisymétriques, le renfort entoure la surface latérale de la partie encastrée de la poutre, ce renfort étant formé de fibres continues constituant un bobinage ou une tresse. Le renfort prend alors une forme tubulaire ou même tronconique, par exemple. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description qui va suivre et à l'examen du dessin annexé dans lequel - les figures 1 et 2 illustrent le processus de génération d'un délaminage d'une poutre en matériau composite soumise à un effort de flexion, processus décrit en préambule de la présente description, - les figures 3 à 5 sont des schémas utiles à l'explication du fonctionnement du dispositif d'encastrement suivant l'invention, et - les figures 6 et 7 représentent schématiquement en perspective les extrémités de poutres en matériau composite garnies d'un renfort formant partie du dispositif suivant l'invention. On se réfère aux figures 3 et 4 du dessin annexé pour décrire le principe qui est à la base de la structure du dispositif suivant 1 invention. A la figure 3, on a représenté une poutre 1 en matériau composite du type décrit plus haut, de section carrée ou rectangulaire par exemple, susceptible d'être soumise à des efforts F,F' de sens opposés sur une même direction, verticale par exemple. La poutre est encastrée dans un support 2 et les faces de la poutre qui sont parallèles à la direction des efforts appliqués sont chacune garnie de renforts schématisés par des brides 3,3' diagonales par rapport à l'orientation de l'axe longitudinal de la poutre, constituées en un matériau présentant une raideur en traction très supérieure à celle du matériau composite, suivant l'axe de ces brides. Chaque bride 3,3' est fixée à la poutre 1 par collage par exemple, suivant une surface allongée diagonale s'étendant d'un point bas de la poutre situé au niveau de son ancrage dans le support 2 à un point haut de la poutre situé au niveau de son extrémité libre. On a représenté schématiquement à la figure 4 la déformée de la poutre soumise à l'effort F, étant entendu que les déformations observées séparément sous les efforts F et F' sont symétriques par rapport au plan moyen de la poutre qui est perpendiculaire au plan de la figure. Lorsque la poutre est soumise à l'effort F, les brides 3,3' sont toutes deux soumises à des efforts de traction tendant à les allonger. Comme leur raideur en traction est très grande, on peut alors assimiler les déplacements de leurs extrémités 4,4' dans le plan d'extrémité de la poutre, à des rotations d'angle p centrées sur leurs extrémités opposées 5,5' respectivement situées dans le plan d'ancrage 6 de la poutre dans son support 2. Le plan d'extrémité de la poutre tourne alors lui aussi de l'angle ss, ce plan restant alors perpendiculaire à la fibre moyenne 7 de la poutre, représentée en trait interrompu. Cette perpendicularité du plan d'extrémité de la poutre par rapport à la fibre moyenne est significative d'une absence de glissement des fibres de la poutre les unes par rapport aux autres, glissement que l'on observe en l'absence des brides 3,3' comme illustré sur la figure 2. On se réfère maintenant à la figure 5 où l'on a transposé les déformations observées sur la figure 4, à celles observées dans la partie d'une poutre qui est encastrée dans un support 2'. Les réactions F1, F'1 du support sur la partie encastrée de la poutre sont assimilables aux efforts subis par la partie libre de la poutre représentée à la figure 4.Le bridage de la partie encastrée de la poutre 1' de la figure 5 par des brides diagonales 31,3 analogues à celles représentées sur la figure 4, a alors les mêmes effets sur la rotation des plans d'extrémité de la partie encastrée de la poutre que ceux observés sur la figure 4, à savoir un maintien de ces plans perpendiculairement à la fibre moyenne de la poutre, maintien significatif de l'absence de délaminage des fibres de la poutre malgré le fort taux de cisaillement régnant dans celle-ci à l'intérieur de l'encastrement.Dans le cas d'un encastrement borgne classique, pour que les efforts d'encastrement restent perpendiculaires à l'axe longitudinal de la pouture, il est nécessaire que le fond de l'encastrement présente, en l'absence de jeu, une rigidité de compression inférieure à la rigidité longitudinale de la poutre, pour permettre la rotation éventuelle de la face en regard de la poutre (voir figure 5). On revient brièvement à la figure 4 pour observer que la déformation de la poutre représentée provoque un allongement + Ql de la longueur des fibres d'une face de la poutre par rapport à la longueur 1 de cette face (voir figure 3) et une contraction -Ql des fibres de la face opposée. Le renforcement suivant l'invention des faces verticales (dans l'exemple représenté) de la partie encastrée de la poutre, doit alors présenter à la fois une grande raideur "diagonale" et une certaine souplesse vis-avis d'efforts axiaux, de manière à autoriser ces allongements et contractions. A cet effet, on propose suivant l'invention, de garnir (voir figure 4) les deux faces de la partie encastrée de la poutre qui sont parallèles à la direction des efforts appliqués, de renforts 8,8' collés ou autrement fixés sur ces faces. Suivant l'invention, ces renforts sont réalisés en matériau composite comprenant des fibres noyées dans un liant, orientées diagonalement comme représenté à la figure 6, suivant deux directions également inclinées sur l'axe de la poutre. Chaque renfort peut etre ainsi constitué d'au moins deux nappes de fibres entrecroisées et superposées, comme représenté.Un tel renfort présente alors la grande raideur désirée suivant les deux directions diagonales, raideur obtenue grâce à celle des fibres utilisées, et une certaine souplesse axiale due à la moindre raideur du liant qui autorise une déformation des mailles par variation de l'angle d'entrecroisement des fibres des deux nappes. Suivant un autre mode de réalisation de l'invention, chaque renfort peut être constitué de fibres entrecroisées, c'est-à-dire tissées ou tressées. Un tel agencement de fibres est avantageux en ce qu'il assure d'une part l'indépendance du comportement des fibres dans les deux directions d'efforts et d'autre part la cohésion du renfort puisqu'il permet de répartir dans son épaisseur les efforts subis par les fibres et par le liant, du fait de la tridimensionnalité des passages des fibres dans un produit tissé ou tressé. Un tel agencement de fibres est simplifié si l'on adopte un croisement des fibres à 90 , qui modifie l'angle d'entrecroisement des fibres par rapport à celui illustré à la figure 6.Les fibres sont alors inclinées à 45" suivant l'axe de la poutre, comme cela apparaît sur les renforts 9,9' représentés à la figure 7. Suivant une caractéristique optionnelle du dispositif selon l'invention, on peut améliorer la souplesse des renforts vis-à-vis d'efforts axiaux en mélangeant aux fibres de grande raideur en traction des fibres présentant la même raideur en traction mais une raideur en flexion plus faible permettant à celle-ci de se plier plus facilement. De telles fibres, régulièrement réparties dans le renfort, assouplissent globalement celui-ci en autorisant la déformation des mailles nécessaire au développement des allongements et contractions observés en liaison avec la figure 4. On pourra ainsi, à titre d'exemple, mélanger à des fibres de carbone de forte raideur en traction et en flexion, des fibres aramides (par exemple celles vendues sous le nom de Kevlar, marque déposée) et présentant la même raideur en traction mais une raideur en flexion beaucoup plus faible.Toujours à titre d'exemple, les nappes de fibres du renfort, éventuellement tissées ou tressées, pourront comprendre une fibre en Kevlar adjacente à quatre fibres de carbone, suivant un motif répétitif. L'utilisation de fibres en Kevlar améliore en outre la résistance aux chocs du renfort. La fixation du renfort réalisé en matériau composite, sur une poutre également réalisée en matériau composite, peut être obtenue à l'aide de produits adhésifs adéquats couramment disponibles dans l'industrie, tels que le produit adhésif vendu sous le nom d'Araldite (marque déposée). Jusqu'à présent, on a envisagé seulement le cas de poutres soumises à des efforts unidirectionnels, éventuellement dans les deux sens d'une même direction. Dans certaines applications du dispositif d'encastrement suivant l'invention, par exemple à des suspensions antisismiques, les efforts appliqués à la poutre peuvent être multidirectionnels et il peut même être nécessaire que la poutre puisse supporter sans délaminage des efforts axisymétriques. Dans une telle hypothèse, les renforts plans décrits jusqu a présent ne suffisent plus. Pour satisfaire à de telles contraintes, l'invention propose de conformer le renfort de manière que celui-ci entoure complètement la surface latérale de la partie encastrée de la poutre. En disposant quatre renforts tels que représentés aux figures 6 ou 7, suivant les quatre faces de la partie encastrée, on rend la poutre résistante à des efforts orientés suivant deux directions orthogonales, chacune perpendiculaire à deux faces de la poutre. Plus généralement, dans le cas d'une poutre de section circulaire soumise à des efforts axisymétriques, le renfort prend une forme tubulaire s'emboîtant sur l'extrémité de la poutre, avec entrecroisement des fibres de plusieurs nappes, comme représenté aux figures 6 ou 7, tissage ou tressage des fibres. Les fibres de chaque nappe peuvent être alors bobinées avec un angle d'hélice propre à assurer la transmission d'efforts diagonaux par ces fibres, ceci aussi bien sur un renfort de forme tubulaire à base polygonale ou circulaire, que sur un renfort de forme tronconique s'adaptant à une extrémité conforme de la poutre. Le dispositif d'encastrement suivant l'invention peut trouver de nombreuses applications, notamment dans des structures triangulées à noeuds rigides, dans des encastrements dits à flexion "courte", mettant en jeu des poutres massives et courtes, dans des emmanchements d'outils à fort cisaillement, dans des dispositifs de suspension, etc... Bien entendu l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits et représentés qui n'ont été donnés qu'à titre d'exemple. En particulier, si les efforts appliqués à la poutre sont dirigés suivant une orientation unique, on pourrait envisager l'utilisation d'un renfort à fibres unidirectionnelles, sans l'entrecroisement représenté aux figures 6 et 7, la direction des fibres étant choisie de manière à brider tout cisaillement de la poutre sous l'effet d'efforts tranchants développés dans l'encastrement. REVENDICATIONS 1. Dispositif d'encastrement d'une poutre en matériau composite constituée de fibres parallèles à la longueur de la poutre et noyées dans une matrice, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un renfort (8,8' ; 9,9') en matériau composite à fibres noyées dans un liant, adhérant à une face ou portion de surface latérale de la partie encastrée de la poutre, sensiblement parallèle à la direction des efforts appliqués, ledit renfort comportant des fibres d'orientation diagonale par rapport à celle de la poutre, la raideur en traction de ce renfort suivant l'orientation des fibres étant très supérieure à sa raideur en cisaillement dans son plan. 2. Dispositif conforme à la revendication 1, caractérisé en ce que le renfort (8,8'; 9,9') comprend deux nappes de fibres croisées de manière à brider des déformations par cisaillement de la poutre dues à des efforts appliqués à celle-ci suivant deux sens opposés d'une même direction. 3. Dispositif conforme à la revendication 2, caractérisé en ce que le renfort est constitué de fibres tissées ou tressées c ' est-à-dire entrecroisées dans 1 'épaisseur du renfort. 4. Dispositif conforme à la revendication 2 ou 3, caractérisé en ce que les fibres d'une nappe sont inclinées de 90" sur les fibres de l'autre nappe, les fibres de chaque nappe étant inclinées de 45" sur l'axe longitudinal de la poutre. 5. Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que le renfort entoure la surface latérale de la partie encastrée de la poutre, ce renfort étant formé de fibres continues constituant un bobinage ou une tresse. 6. Dispositif conforme à la revendication 5, caractérisé en ce que le renfort prend une forme tubulaire. 7. Dispositif conforme à la revendication 6, caractérisé en ce que le renfort prend une forme tronconique. 8. Dispositif conforme à l'une quelconque des revendications 2 à 7, caractérisé en ce que le renfort comprend des fibres sensiblement parallèles de raideurs transversales différentes, suivant une distribution répétitive propre à donner au renfort une raideur prédéterminée en traction parallèle aux fibres et une raideur plus faible sous effort de cisaillement. 9. Poutre en matériau composite constitué de fibres parallèles à la longueur de la poutre et noyées dans une matrice, caractérisée en ce qu'au moins une extrémité de la poutre est garnie d'un renfort (8,8' ; 9,9') conforme à celui énoncé dans l'une quelconque des revendications précédentes.