Brevet FR2766968A1 — publié le 19990129

PROCEDE DE FABRICATION D'UNE STRUCTURE COMPOSITE La présente invention concerne un procédé de fabrication d'une structure composite pour des actionneurs, dans laquelle des éléments, se présentant sous la forme de plaquettes composites renforcées par des fibres, sont appliqués sur les deux côtés plats d'un élément piézo-électrique en forme de plaquette. Des structures composites constituées par des éléments en forme de plaquettes, entre lesquels est disposée une céramique piézo- électrique en forme de plaquette, sont de plus en plus utilisés en tant que composants pour des actionneurs à grande vitesse, par exemple pour une lutte active contre le bruit; il existe également le désir de pouvoir utiliser de telles structures composites pour la commande des rotors d'hélicoptères. Les céramiques piézo-électriques en forme de plaquettes, couramment utilisées à cet effet, présentent une grande rigidité à la traction et à la compression ainsi qu'une haute résistance à la pression. Par contre,25 la résistance à la traction et les allongements actifs possibles sont réduits. Ces inconvénients empêchent d'utiliser avec succès des structures composites pourvues de céramiques piézo- électriques, pour la commande des rotors d'hélicoptères. Les rotors produisent, en effet, des allongements à la traction du fait des forces centrifuges; les allongements du fait de la traction, résultant des moments de flexion, ne peuvent pas non plus être supportés par les céramiques piézo-électriques. Le but de la présente invention consiste donc à proposer un procédé de fabrication d'une structure composite pour la commande de rotors d'hélicoptères ou 5 bien d'actionneurs, dans laquelle, d'une part, l'allongement actif utilisable ne s'amoindrit pas sensiblement tandis que, d'autre part, lors de la sollicitation en traction de la structure composite, la céramique piézo-électrique n'est pas soumise à l'effort de traction. En partant d'une structure composite du type ci- dessus mentionné, le but est atteint par l'invention en ce que, notamment dans le cas d'une structure composite destinée à la commande de rotors pour hélicoptères, les15 deux plaquettes composites renforcées par fibres sont d'abord soumises à une précontrainte, appliquée dans leur plan de manière appropriée en direction et en grandeur, en ce que, ensuite, les plaquettes composites renforcées par fibres, ainsi précontraintes, sont assemblées par20 collage à la céramique piézo-électrique sur la totalité des surfaces de contact et en ce que, une fois le collage terminé, les plaquettes composites renforcées par fibres, précontraintes, sont libérées. On recommande donc, selon l'invention, que la céramique piézo-électrique en forme de plaquette soit solidement prise, par collage, entre les plaquettes composites renforcées par fibres, anisotropes ou isotropes et mises en précontrainte. La précontrainte, sous la forme d'un allongement, peut être obtenue au30 moyen de charges mécaniques mais aussi par d'autres effets. Après la fabrication de la structure composite, celle-ci est libérée des forces de précontrainte. La précontrainte appliquée doit être choisie de manière appropriée en fonction de la structure composite, de35 telle manière que les allongements passifs sous traction puissent être supportés mais que, cependant, les allongements actifs exploitables ne s'amoindrissent pas sensiblement. 5 Grâce à la précontrainte appliquée de manière adéquate, avec une direction et une grandeur prédéterminées, la structure composite peut être optimisée de telle sorte que les allongements passifs sous traction, imposés à la céramique piézo-électrique, peuvent être choisis d'une grandeur telle que celle-ci puisse encore justement les supporter. Ainsi, le domaine de l'allongement actif exploitable est maximisé. La sélection exacte de la précontrainte, suivant la grandeur et la direction, est particulièrement avantageuse, compte15 tenu du cas d'application considéré ici, à savoir un rotor d'hélicoptère, dans lequel apparaissent des forces élevées de traction et, par conséquent, des sollicitations élevées en service. On va à présent décrire l'invention plus en détail, en liaison avec les dessins, sur lesquels est représenté un exemple avantageux de réalisation, et qui montrent: figure 1: un exemple de réalisation d'une structure composite, fabriquée par un procédé selon l'invention; figure 2: une vue de dessus de l'une des plaquettes composites renforcées par fibres, avec indication schématique de la précontrainte; figure 3: une coupe verticale d'une structure composite pendant sa fabrication; et figure 4: une représentation graphique des rapports précontrainte-rigidité en fonction du degré d'efficacité de l'allongement actif. La figure 1 montre une structure composite 3, qui consiste en un élément piézo-électrique 1 en forme de plaquette, qui est pourvu, sur ses deux côtés plats, de chaque fois une plaquette composite renforcée par fibres 2. Avant que la céramique piézo-électrique 1 ne soit reliée aux deux plaquettes composites renforcées par fibres 2, ces deux plaquettes composites renforcées par fibres 2 sont soumises, ainsi que le montre schématiquement la figure 2, à une précontrainte appliquée dans le plan des plaquettes et adaptée aux propriétés de rigidité des plaquettes composites renforcées par fibres et de la céramique piézo- électrique. La plaquette composite renforcée par fibres est alors soumise à un allongement par une force appliquée mécaniquement, dans le sens des flèches F1, F2. Il est également possible de soumettre la plaquette composite renforcée par fibres 2 à une précontrainte, qui résulte d'une force appliquée uniquement dans une20 direction, F1 ou F2. Les deux plaquettes composites renforcées par fibres 2 peuvent être sollicitées par une précontrainte FI et F2, agissant seulement dans une direction. En outre, les deux plaquettes composites renforcées par fibres 2 peuvent être sollicitées par des précontraintes F1 et F2, agissant dans des directions perpendiculaires l'une à l'autre. De plus, les deux plaquettes composites renforcées par fibres 2 peuvent être sollicitées par une précontrainte destinée à les allonger. La précontrainte peut être obtenue par application de forces mécaniques de traction sur les plaquettes composites renforcées par fibres 2. Une fois la précontrainte appliquée, de la manière indiquée schématiquement par les flèches Fj, F2, sur les deux plaquettes composites renforcées par fibres 2, celles-ci sont assemblées par collage à la céramique piézo-électrique en forme de plaquette, selon la figure5 3, avec application d'une pression de serrage q agissant perpendiculairement sur les côtés plats des deux plaquettes composites renforcées par fibres. Une fois le collage terminé, et éventuellement après un durcissement adéquat de l'adhésif utilisé, les deux plaquettes10 composites renforcées par fibres 2 sont libérées des forces de précontrainte appliquées. La structure composite, telle qu'elle est représentée à la figure 1, est donc mise en précontrainte au cours de sa fabrication de telle manière que, d'une15 part, l'allongement actif exploitable ne se modifie pas sensiblement mais, que d'autre part, lors d'une sollicitation de la structure composite à la traction, la céramique piézo-électrique 1 ne soit pas soumise à l'effort de traction.20 Pour que la structure composite puisse résister aux allongements passifs sous traction sans que, pour autant, les allongements actifs utilisables soient sensiblement amoindris, il faut procéder à une optimisation adéquate, notamment des plaquettes composites renforcées par25 fibres. On va maintenant indiquer des prescriptions dimensionnelles appropriées, pour la fabrication selon l'invention de la structure composite, en utilisant les désignations suivantes: ( Er tv/2 G O Ep tp Ev tv/2 1 Elément céramique piézo-électrique 2 Elément précontraint Ep Module d'élasticité de l'élément céramique piézo-électrique O tp Epaisseur de l'élément céramique piézo- électrique À Ev Module d'élasticité de l'élément précontraint 0 tv Epaisseur totale des éléments précontraints 0 Se Précontrainte de compression élastique de l'élément piézo-électrique O Ev Allongement préalable de l'élément précontraint 0 (avant le collage) V = Sv/Se Rapport des précontraintes Ev t S - Rapport des rigidités Ep À tp gp Allongement actif de l'élément piézo- électrique À seul sa Allongement actif de la structure composite Q E = Ea/Ep Degré d'efficacité de l'allongement actif de la structure composite F n - Flux de forces b b Largeur de la structure composite 1. Précontrainte élastique de la matière piézo- électrique I * nv/2Ev, tv/2 nv/2 82 = v D Ep, tp * nv/210 EV tv/2 nv/2 2 V avant le collage* nv/2 nv/2 82 = EV avant le collage * ne/2) Ev, tv/2 v ne/2 82 v= V- Se ne -> (D Ep, tp --ne = - e ne/2(- Ev, tv/2 - ne/2 82 = v se après le collage 82:Ev - Eel 62 Sv} 2 - v (1) 1= -s-e =-n e (2) Ep À tp rt / 2 ns 2 = ne =_ ne (3) Ev À tv / 2 Ev tv nv 82 = Sv = (4) Ev tv (2), (3), (4) dans (1) ne ne nv e + Ev tv Ep Ev tv ne Ep tp + = E Ev Ep tp + +2 Ev tv 28 Allongement actif de la structure composite L'2. Allongement actif de la structure composite peut L'allongement actif de la structure composite peut être calculé de manière analogue à celle utilisée pour le point 1, la céramique piézo- électrique étant la matière préallongée par l'effet piézo-électrique, qui déforme en même temps les couches des plaquettes composites renforcées par fibres.10 p E a=E (6) Sa = Ev (6) Ep tp 3. Dimensionnement On peut calculer, à partir de l'équation (6), un degré d'efficacité, qui définit la fraction de l'allongement actif de la matière piézo-électrique, qui peut être transférée dans la structure composite. Sa 1 1 Fp Ev *tv + S + 1 Ep tp A partir du degré souhaité d'efficacité, on obtient le rapport de rigidité S à respecter entre la plaquette composite renforcée par fibres, précontrainte, et la céramique piézo-électrique active. On peut donc25 déterminer, avec la précontrainte de compression Se nécessaire de la céramique piézo-électrique, du fait de la sollicitation en traction appliquée depuis l'extérieur, l'allongement préalable Ev, nécessaire à cet effet, des plaquettes composites renforcées par fibres et30 ce, à partir de l'équation (5): Ep tp 1__ Év 1 = p p + 1 = 1 + Se Ev tv S 1 - Les relations entre RE, Set V sont représentées sur le graphique de la figure 4, le rapport des précontraintes V étant indiqué à gauche en ordonnée, tandis que l'abscisse indique le degré d'efficacité de l'allongement actif et que l'on trouve, à droite sur l'ordonnée, le rapport des rigidités S. Pour le degré souhaité d'efficacité is = 70 %, on a besoin d'un rapport de rigidité S = 0,43 et d'un rapport de précontrainte V = 3,33. La plaquette composite renforcée par fibres, précontrainte, doit donc présenter 43 % de la rigidité de la céramique piézo-électrique et être soumise à un allongement préalable représentant 3,33 fois la précontrainte souhaitée en compression de la céramique piézoélectrique.20 Bien que l'invention ait été particulièrement montrée et décrite en se référant à un mode de réalisation préféré de celle-ci, il sera compris aisément par les personnes expérimentées dans cette technique que des modifications dans la forme et dans des détails25 peuvent être effectuées sans sortir de l'esprit ni du domaine de l'invention. O10 REVENDICATIONS 1. Procédé de fabrication d'une structure composite pour des actionneurs, dans laquelle des éléments, sous la forme de plaquettes composites renforcées par fibres, sont appliqués sur les deux côtés plats d'un élément piézo-électrique en forme de plaquette, caractérisé en ce que, notamment dans le cas d'une structure composite destinée à la commande de rotors pour hélicoptères, les deux plaquettes composites renforcées par fibres (2) sont d'abord soumises à une15 précontrainte, appliquée dans leur plan de manière appropriée en direction et en grandeur, en ce que, ensuite, les plaquettes composites renforcées par fibres (2), ainsi précontraintes, sont assemblées par collage à la céramique piézoélectrique (1) sur la totalité des surfaces de contact et en ce que, une fois le collage terminé, les plaquettes composites renforcées par fibres, précontraintes, sont libérées. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux plaquettes composites renforcées par fibres (2) sont sollicitées par une précontrainte F1 ou F2, agissant seulement dans une direction. 3. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce que les deux plaquettes composites renforcées par fibres (2) sont sollicitées par des précontraintes F1 et30 F2, agissant dans des directions perpendiculaires l'une à l'autre. 4. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les plaquettes composites renforcées par fibres (2) sont sollicitées par35 une précontrainte destinée à les allonger. 1l 5. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que l'assemblage par collage des plaquettes composites renforcées par fibres (2), précontraintes, et de la céramique piézo-électrique (1) en forme de plaquette s'effectue sous application d'une force de compression agissant perpendiculairement sur leurs côtés plats. 6. Procédé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la précontrainte est obtenue par application de forces mécaniques de traction sur les plaquettes composites renforcées par fibres (2).