Brevet FR2693701A1 — publié le 19940121

A SAFRANS POUR NAVIRES DE MOYEN ET GROS TONNAGE La présente invention concerne des safrans en général safrans de stabilisation pour navires de surface, safrans de direction, et safrans de plongée pour sous-marins Dans tous les cas, il s'agit d'ailerons orientables à partir du navire par l'intermédiaire d'une mèche. Actuellement, pour les navires au-delà d'un certain tonnage, les safrans sont entièrement métalliques Ils comportent une ossature mécano-soudée sur laquelle est montée l'enveloppe hydrodynamique, obtenue par soudage de tôles préalablement formées à chaud L'interface avec la mèche est une pièce massive réalisée par moulage, dont les surfaces sont usinées La mèche, en acier, est forgée puis usinée. Cette solution est onéreuse et met en oeuvre des procédés de fabrication pénibles, notamment le formage à chaud D'autre part, elle aboutit à des produits très lourds, dans un domaine o le gain de poids est toujours intéressant. Un objet de l'invention est de pallier ces inconvénients, soit de réduire sensiblement la masse de tels safrans et de rendre leur fabrication moins ouvrageuse en éliminant le formage à chaud, par l'uitlisation de matériaux composites. Un autre objet important de l'invention est l'utilisation quasi- exclusive de matériaux composites pour la réalisation de ces safans, tant au niveau de l'aileron que de la mèche et de l'interface de liaison entre les deux, pour éviter notamment des associations structurelles métal-composite qui ne sont jamais sans inconvénients. Dans ce contexte, un problème majeur a été celui de la liaison entre la mèche et l'aileron, qui est le siège d'efforts importants puisque c'est par elle que sont transmis les couples de rotation, et qui, pour des raisons pratiques, se doit d'être démontable. Conformément à l'invention, la solution apportée consiste à prévoir dans la structure de l'aileron un caisson de réception de la partie inférieure de la mèche, leurs sections étant polygonales, par exemple hexagonales, pour assurer entre eux un blocage en rotation. Ledit caisson de réception de la partie inférieure de la mèche est joint par la totalité d'au moins une de ses faces latérales au reste de la structure de l'aileron Il est avantageusement en composite verre-résine. Dans une forme de réalisation préférée, la structure de l'aileron comprend un assemblage de caissons distincts dont fait partie ledit caisson de réception de la partie inférieure de la mèche. Cette dernière nécessite elle aussi une technique de fabrication particulière, du fait des importants efforts en torsion et en flexion auxquels elle est soumise. Selon une caractéristique importante de l'invention, elle est réalisée par association de la technique d'enroulement filamentaire et de la technique de drapage La première permet de donner une orientation oblique des fibres de renfort par exemple à + 450 et à -450 par rapport à l'axe longitudinal de la mèche, et la deuxième une orientation à 00 Il s'agit, de préférence, de fibres de carbone. En plus de la mèche et de l'aileron, les safrans de direction comportent un aiguillot, lequel est soumis à d'importants efforts de cisaillement De ce fait, il est avantageusement réalisé sous la forme générale d'un cylindre plein constitué de joncs en composite verre-résine pultrudé, compactés et liés par de la résine. D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à l'aide des explications qui vont suivre et des dessins annexés, dans lesquels: la Fig 1 illustre un safran de direction du type dit à compensation monté sur un navire et présentant une liaison mèche- aileron, vue en coupe axiale, conforme à l'invention, la Fig 2 est une vue agrandie, également en coupe axiale, de la liaison mèche-aileron du safran de la Fig 1, la Fig 3 est une vue en coupe selon la ligne III-III de la Fig 2, la Fig 4 est une vue agrandie en coupe axiale illustrant la liaison aiguillot-aileron dusafran de la Fig 1, la Fig 5 est une vue en coupe selon la ligne V-V de la Fig 4, la Fig 6 est une vue en coupe verticale d'une forme de réalisation préférée de l'aileron du safran de la Fig 1, et les Fig 7 et 8 sont des vues agrandies en coupe, respectivement selon la ligne VII- VII et la ligne VIII-VIII de la Fig 6. A la Fig 1, un safran de direction est représenté en place sur un navire dont seuls le fond F et la crosse C apparaissent de façon très schématique Il s'agit d'un safran du type à compensation du fait que dans le bas de l'aileron 1 une partie de celui-ci se trouve de l'autre côté de l'axe de rotation X-X par rapport à sa partie principale L'aileron 1 est suspendu et articulé par l'intermédiaire d'une mèche 2 et d'un aiguillot 3, tous deux axés sur X-X. Conformément à l'invention, la quasi-totalité du safran, à savoir l'aileron 1, la mèche 2 et l'aiguillot 3, est réalisée en matériaux composites Les seules pièces métalliques sont deux inserts de liaison permettant des modes de fixation classiques et des bagues rapportées sur la mèche 2 au niveau des paliers P. Dans la version connue de ces safrans, entièrement métallique, la mèche est reliée à l'aileron par l'intermédiaire d'un moyeu Elle est généralement engagée dans le moyeu par emmanchement conique, celui-ci étant soudé à l'ossature de l'aileron Ce système de liaison est simple et n'induit pas de difficultés techniques particulières. Par contre, dans le cadre de l'invention, il n'aurait pas été judicieux de transposer çe système du fait de sa non-adaptation aux caractéristiques des matériaux composites, et du fait également qu'il aurait induit des formes de pièces relativement complexes. La difficulté, pour les inventeurs, a donc été de s'affranchir totalement de la technique connue pour trouver une solution optimale, eu égard à l'utilisation quasi-excîlusive de matériaux composites. Conformément à l'invention, la solution trouvée consiste en un caisson tubulaire 4 solidarisé avec le reste de la structure de l'aileron 1, de section polygonale, et de préférence hexagonale comme sur le dessin, Fig 3, admettant la partie inférieure de la mèche 2 de section correspondante Le blocage en rotation est donc assuré par la forme des sections, et parfait par adjonction d'une résine de calage en 5. Pour le blocage en translation, une bague métallique 6, Figs 2 et 3, est collée à l'intérieur du caisson 4, et un embout 7 à l'extrémité inférieure de la mèche 2, l'embout 7 et la bague 6 étant assujettis l'un à l'autre par clavetage. Le caisson 4 est avantageusement réalisé en composite verre- résine Comme on peut le voir à la Fig 1, il se prolonge nettement au- delà de l'extrémité inférieure de la mèche 2, en fait jusqu'à l'appendice Ca de la crosse C dans lequel tourillonne l'aiguillot 3. Pour permettre la mise en place de ce dernier au montage du safran sur le navire, le caisson 4 présente une trappe latérale 8, et est ouvert à son extrémité inférieure, ayant donc en fait une forme tubulaire. Le fait d'allonger au maximum le caisson 4 procure l'avantage de disposer d'une surface d'autant plus importante pour sa jonction au reste de la structure de l'aileron 1 Dans une forme de réalisation préférentielle, cette jonction est réalisée par collage sur toute l'étendue d'une face latérale du caisson 4. Dans un safran de forme différente tel q'un safran de stabilisation notamment, o le caisson 4 occupe une position intermédiaire dans la structure de l'aileron, on dispose bien entendu de deux faces latérales opposées du caisson 4 pour la jonction avec le reste de ladite structure: La mèche 2 a également fait l'objet d'une recherche particulière, quant au problème de sa résistance en fonction des couples de torsion et des efforts en flexion très importants auxquels elle est soumise, et quant à la meilleure façon de la réaliser. Il en a résulté une mèche creuse 2, obtenue en combinant deux techniques de mise en oeuvre de matériaux composites: l'enroulement filamentaire et le drapage, et en utilisant un mandrin dont la section évolue progressivement, dans une zone intermédiaire, de la forme circulaire à la forme polygonale En matière de renforts, le choix a été arrêté sur des fibres de carbone, moins chères que des fibres d'aramide ou de bore plus performantes, orientées obliquement, par exemple à + et - 450 par enroulement filamentaire, et longitudinalement à 0 par drapage, les opérations d'enroulement et de drapage étant de préférence alternées Afin de pallier le risque de corrosion galvanique, il a été prévu de réaliser les plis extérieurs avec des fibres de verre. Comme déjà mentionné, la mèche 2 est finalisée par collage de l'embout 7 dans son extrémité inférieure et de bagues 9 pour la rotation dans les paliers P. L'aiguillot 3 est essentiellement, mais fortement sollicité en cisaillement, ce qui a conduit à le concevoir sous la forme d'un cylindre plein, avec des fibres orientées longitudinalement Un moyen simple et économique de le fabriquer consiste en un compactage de baguettes ou joncs en composite verre-résine pultrudé, dans une résine à hautes caractéristiques mécaniques On réalise ensuite une enveloppe par drapage pour obtenir sa forme finale. L'aiguillot 3 s'engage dans une cavité cylindrique 10 ménagée dans le corps de l'aileron 1, Fig 4 Comme pour la mèche 2, une liaison métallique est prévue pour le fixer à l'aileron, soit un embout il collé à son extrémité inférieure, se clavetant dans une bague 12 insérée dans le corps de l'aileron 1 Cette liaison est visible aux Figs 4, 5 On y remarque que l'on a donné à la bague 12 une forme extérieure carrée afin d'obtenir une bonne immobilisation dans le corps de l'aileron 1 qui peut être de la mousse syntactique dans cette zone. Un autre aspect important de l'invention réside dans la conception de la structure de l'aileron 1 qui doit avoir une résistance satisfaisante en compression et en flexion L'aileron 1 peut être constitué, pour l'essentiel, d'une enveloppe en matériaux de type sandwich avec une âme en nid d'abeille, ou bien d'un bloc usiné en nid d'abeille recouvert d'une enveloppe en composite verre-résine, ou bien de deux demi-coquilles que l'on vient coller sur un réseau de raidisseurs monolithiques, le matériau de remplissage étant de la mousse syntactique, ou bien encore d'un assemblage de pièces en composites verre-résine avec également de la mousse syntactique de remplissage. Toutefois, dans une forme de réalisation préférée, illustrée aux Figs 6 à 8, l'aileron 1 comprend, en plus du caisson 4 servant à la liaison avec la mèche 2, une pluralité de caissons collés entre eux, et dont l'ensemble a une forme proche de sa forme finale Ces caissons sont disposés de telle façon que les interfaces de colle soient sollicités en cisaillement Ce sont avantageusement des blocs de mousse usinés recouverts d'une enveloppe en composite verre-résine La mousse utilisée est par exemple une mousse de haute densité à base de polychlorure de vinyle Lorsque les caissons sont assemblés, on obtient une structure dans laquelle les parois adjacentes collées forment autant de raidisseurs A la Fig 6, le safran comprend deux caissons supérieurs superposés 13 et 14, collés par un de leurs côtés à l'ensemble d'une face latérale du caisson 4 recevant la mèche 2, Fig 7, un caisson intermédiaire 15 collé sous le caisson 14 et trois caissons inférieurs juxtaposés 16 à 18, dont deux, 16 et 17, sont collés par leur face supérieure au dessous du caisson intermédiaire 15 Bien entendu, le nombre et la disposition des caissons sont déterminés en fonction de la forme de l'aileron et de la façon dont il est sollicité. Pour obtenir la forme finale de l'aileron, les caissons assemblés sont ensuite introduit dans un moule o ils sont enrobés d'une mousse repérée en 19, avantageusement de la mousse syntactique, recouverte d'une enveloppe 20 en composite verre-résine. Cette conception de l'aileron 1 permet d'obtenir une excellente continuité dans la structure et a comme autre avantage de ne faire appel qu'à des techniques de fabrication simples et bien maîtrisées. L'invention qui vient d'être décrite est directement applicable à la réalisation de safrans de stabilisation S'agissant de safrans pour sous-marins, elle nécessite une simple adaptation quand au choix des matériaux pour l'aileron plus spécialement les mousses en fonction de leurs caractéristiques de résistance à la pression Notamment dans cette application aux sous-marins, l'invention est d'un grand intérêt en ce qu'elle procure un gain de poids très substantiel, puisque supérieur à 70 %, comparé aux versions métalliques actuelles Le gain est également réel du point de vue du coût de fabrication, et surtout du point de vue de l'entretien, du fait de la quasi- disparition des pièces métalliques, et par conséquent des risques de corrosion. REVENDICATIONS 1) Safran comprenant un aileron ( 1) orientable autour d'une mèche ( 2), caractérisé en ce que l'aileron ( 1) et la mèche ( 2) sont en matériaux composites, et en ce que la partie inférieure de la mèche a une section polygonale pour être engagée dans un caisson ( 4) de section correspondante faisant partie de la structure de l'aileron ( 1) de sorte qu'ils soient bloqués mutuellement en rotation, le caisson ( 4) étant assemblé au reste de la structure de l'aileron ( 1) par jonction sur la totalité d'au moins une de ses faces latérales. 2) Safran selon la revendication 1, caractérisé en ce que la partie inférieure de la mèche ( 2) et le caisson ( 4) ont une section hexagonale. 3) Safran selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que le caisson ( 4) est en composite verre-résine. 4) Safran selon l'une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la mèche ( 2) est obtenue en combinant les techniques d'enroulement filamentaire et de drapage. ) Safran selon la revendication 4, caractérisé en ce que la mèche ( 2) comporte des fibres orientées à + et -450 et des fibres orientées à 0 par rapport à son axe longitudinal. 6) Safran selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la mèche ( 2) comprend des fibres de carbone. 7) Safran selon la revendication 6, caractérisé en ce que les renforts des plis externes de la mèche ( 2) sont des fibres de verre. 8) Safran selon l'une dies revendications 1 à 7 du type com- partant en outre un aiguillot ( 3), caractérisé en ce que l'aiguillot ( 3) est également en matériau composite, constitué de joncs en composite verre-résine pultrudés, compactés et liés par de la résine. 9) Safran selon l'une des revendications 1 à 8, caractérisé en ce que le caisson ( 4) destiné à recevoir l'extrémité inférieure de la mèche ( 2) fait partie d'une structure multi-caissons. ) Safran selon la revendication 9, caractérisé en ce que lesdits caissons sont réunis les uns aux autres par collage de leurs parois adjacentes, l'arrangement des caissons étant tel que les efforts principaux sur les interfaces de colle soient des efforts en cisaillement. 11) Safran selon la revendication 10, s'agissant d'un safran de direction, caractérisé en ce qu'il comprend au moins deux caissons superposés ( 13, 14) collés entre eux, et collés chacun au caisson ( 4) de liaison avec la mèche ( 2) par une de leurs faces latérales. 12) Safran selon la revendication 11, caractérisé en ce qu'il comprend en outre des caissons ( 16 à 18) juxtaposés, collés entre eux, et collés aux caissons supérieurs par au moins la face supérieure de l'un d'entre eux. 13) Safran selon la revendication 12, caractérisé en ce qu'il comprend trois caissons supérieurs ( 13 à 15) superposés et trois caissons inférieurs ( 16 à 18) juxtaposés. 14) Safran selon l'une des revendications 9 à 12, caractérisé en ce que ladite structure multi-caissons est enrobée de mousse syntactique ( 19). ) Safran selon la revendication 14, caractérisé en ce qu'il comporte en outre une enveloppe extérieure ( 20) en composite verr-résine. la 16) Safran selon l'une des revendications 9 à 15, caractérisé en ce que les corps des caissons autres que le caisson ( 4) sont des blocs de mousse. 17) Safran selon la revendication 16, caractérisé en ce que la mousse constituant le corps des caissons est de la mousse de polychlorure de vinyle à haute densité. 18) Safran selon la revendication 16 ou 17, caractérisé en ce que lesdits blocs sont revêtus d'une enveloppe en composite verre-résine.