Brevet FR2921899A1 — publié le 20090410

Procédé de renforcement local d'un élément en matériau composite, et caisson central de voilure pour aéronef renforcé L'invention concerne un procédé de renforcement local d'un élément en matériau composite. Plus précisément l'invention concerne un procédé permettant de renforcer un élément en matériau composite uniquement aux endroits dudit élément destinés à supporter des efforts verticaux, alors que les fibres composant l'élément en matériau composite sont essentiellement disposées selon une direction longitudinale. L'invention concerne également un caisson central de voilure muni de poutres longitudinales en matériau composite, dans lequel au moins une poutre en matériau composite est renforcée localement de manière à supporter au moins à l'endroit du renfort des efforts verticaux. Le procédé selon l'invention trouve des applications dés lors qu'il est nécessaire de renforcer localement, ou ponctuellement, un élément en matériau composite de manière à ce qu'il soit apte à supporter à l'endroit de ces zones renforcées des efforts verticaux. Le procédé selon l'invention est avantageusement mis en oeuvre lors de la fabrication d'éléments de structures d'aéronef, tels que des poutres longitudinales situées au niveau des panneaux intrados et extrados du caisson central de voilure des gros avions porteurs du type Airbus A380 (marque déposée). Jusqu'à récemment les éléments de structure de grandes dimensions, c'est-à-dire ayant une longueur importante, étaient réalisés en matériaux métalliques tels que des alliages d'aluminium, obtenus à partir de profilés extrudés, usinés ou matricés. En effet, les matériaux métalliques, compte tenu de leur homogénéité, présentent à l'échelle de la matière une résistance mécanique constante quel que soit le sens de sollicitation auquel l'élément de structure est soumis. Par ailleurs, de tels éléments de structure en matériaux métalliques peuvent être dimensionnés selon un chargement global et des charges localisées, telles que celles engendrées par des points d'ancrage de ferrures ou des points de support d'équipement et dont la direction est différente de celle de la sollicitation globale. Ainsi, des charges verticales peuvent être facilement reprises au niveau des éléments de structure par des surépaisseurs ou des nervures locales obtenues par usinage alors que l'élément de structure dans son ensemble est dimensionné pour reprendre des charges principalement longitudinales. Cependant, il est aujourd'hui courant, et notamment dans le domaine de l'aéronautique, d'alléger les structures en utilisant des matériaux composites en lieu et place des matériaux métalliques. Il est ainsi connu de substituer des profilés composites aux profilés métalliques. De tels profilés composites à renforts fibreux continus présentent de très hautes caractéristiques mécaniques vis à vis des chargements sollicitant les renforts fibreux dans le sens de la traction ou de la compression, c'est-dire longitudinalement. Ces profilés composites sont obtenus par des techniques de drapage de fibres sèches ou pré-imprégnées suivies d'un procédé d'injection de résine ou d'une cuisson consolidation en autoclave. Les fibres étant disposées selon des directions essentiellement longitudinales, les profilés composites présentent des propriétés mécaniques très différentes selon que les chargements auxquels ils sont soumis les sollicitent essentiellement dans un sens longitudinal, en traction ou compression, ou dans un sens vertical. En effet, dans le premier cas, la résistance du profilé composite est donnée par les fibres continues, tandis que dans le second cas la résistance est essentiellement donnée par la résine, qui présente des caractéristiques mécaniques nettement inférieures. Certains éléments en matériau composite, et notamment les poutres longitudinales utilisées au niveau des panneaux intrados et extrados du caisson central de voilure d'un aéronef, encaissent des sollicitations essentiellement longitudinales. Cependant, ces éléments en matériau composite peuvent être localement sollicités verticalement par rapport à un plan dans lequel s'étend l'élément composite. Ainsi, dans le cas des poutres longitudinales d'un panneau du caisson central de voilure, lesdites poutres peuvent être sollicitées verticalement au niveau des attaches de bielle qui suspendent le carénage ventral de l'aéronef. Les poutres longitudinales des panneaux intrados sont ainsi localement sollicitées verticalement du fait de la masse du carénage et de son chargement aérodynamique en vol, du poids des systèmes mécaniques et hydrauliques situés dans cette zone, etc. A l'inverse des poutres métalliques qui peuvent être renforcées ponctuellement par une surépaisseur locale, une telle solution ne peut être transposée aisément aux poutres composites. Par ailleurs, les fibres s'étendant longitudinalement, une surépaisseur locale ne permettrait pas d'obtenir les résultats escomptés. De plus, il serait nécessaire de connaître au moment de la fabrication les endroits de la poutre en composite qui sont destinés à supporter des efforts verticaux. Un but de l'invention est de permettre de renforcer localement un élément en matériau composite présentant une plus grande dimension, tel que des poutres longitudinales en matériau composite, a posteriori, c'est-à-dire une fois la poutre fabriquée, en fonction de son utilisation. Le renforcement est spécifiquement adapté aux sollicitations auxquelles l'élément en matériau composite est destiné à être soumis. Un autre but de l'invention est de proposer un tel renforcement, qui ne pénalise pas pour autant la masse de l'élément en matériau composite. Pour cela dans l'invention on prévoit de disposer localement au moins un gousset de renfort en matériau métallique sur l'élément en matériau composite, de manière à ce que ledit gousset s'étende dans une hauteur de l'élément en matériau composite à renforcer. Par hauteur, on entend la dimension de l'élément considéré s'étendant verticalement par rapport à l'axe longitudinal dudit élément considéré. Le gousset est spécifiquement disposé à l'endroit de l'élément en matériau composite destiné à supporter des efforts verticaux. Préférentiellement le gousset métallique est muni d'un ou plusieurs voiles s'étendant verticalement dans la hauteur de l'élément composite à renforcer, de manière à ce qu'une largeur dudit gousset s'étende dans une largeur dudit élément composite à renforcer. Par largeur d'un élément, on entend la dimension dudit élément s'étendant transversalement par rapport à l'axe longitudinal dudit élément. La paroi du voile s'étend dans un plan vertical et perpendiculaire à l'axe longitudinal de l'élément en matériau composite à renforcer. Les goussets métalliques utilisés peuvent être fabriqués en série et installés sur l'élément en matériau composite également fabriqué en série aux emplacements où une résistance verticale est requise. Les goussets peuvent être obtenus par usinage ou matriçage et sont avantageusement en aluminium ou en alliage de titane ou tout autre matériau métallique en fonction des sollicitations verticales que l'élément en matériau composite est destiné à encaisser. Dans le cas particulier d'un caisson central de voilure pour aéronef, muni de poutres longitudinales en matériau composite, au moins une poutre longitudinale d'un panneau extrados et/ou intrados dudit caisson peut ainsi être munie d'un ou plusieurs goussets métalliques. L'invention a donc pour objet un procédé de renforcement local d'un élément en matériau composite présentant une plus grande dimension, tel qu'une poutre en matériau composite, destiné à supporter des efforts multidirectionnels, caractérisé en ce qu'il comporte l'étape suivante : -on solidarise au moins une pièce de renfort métallique à l'élément en matériau composite, à un endroit de l'élément en matériau composite destiné à supporter des efforts verticaux. Par local, on entend que le renforcement ne se fait que ponctuellement, aux endroits où sont disposées la ou les pièces de renforts métalliques, contrairement à un renforcement global qui s'effectue sur la totalité de l'élément en matériau composite. La plus grande dimension de l'élément en matériau composite s'entend de la longueur dudit élément, parallèle à l'axe longitudinal dudit élément en matériau composite. Dans la mesure où la pièce de renfort métallique permet d'augmenter la résistance aux efforts verticaux de l'élément en matériau composite, ledit élément est avantageusement composé de renfort fibreux et de fibres continues s'étendant essentiellement parallèlement à l'axe longitudinal dudit élément en matériau composite. L'élément en matériau composite renforcé localement selon le procédé de l'invention est avantageusement destiné à supporter des efforts multidirectionnels, et principalement des efforts longitudinaux en traction ou compression selon l'axe longitudinal dudit élément en matériau composite, et de manière ponctuelle, c'est-à-dire à des endroits bien localisés de l'élément en matériau composite, des efforts verticaux. Par efforts verticaux on entend des efforts selon un axe vertical par rapport au plan dans lequel s'étend l'élément en matériau composite à renforcer. Selon des exemples de mise en oeuvre du procédé selon l'invention, il est possible de prévoir tout ou parties des caractéristiques supplémentaires suivantes : - on solidarise une paroi supérieure de la pièce de renfort à une aile supérieure de l'élément en matériau composite et une paroi inférieure de ladite pièce de renfort à une aile inférieure dudit élément en matériau composite, ladite pièce de renfort comportant au moins un voile vertical s'étendant entre la paroi supérieure et la paroi inférieure, transversalement à l'axe longitudinal de l'élément en matériau composite. - l'élément en matériau composite est muni d'une âme centrale s'étendant entre les deux ailes, et on solidarise au moins deux pièces de renfort sur ladite poutre, de part et d'autre de l'âme centrale. - l'élément en matériau composite est une poutre longitudinale d'aéronef. L'invention concerne également un caisson central de voilure pour aéronef muni de poutres longitudinales en matériau composite, caractérisé en ce qu'au moins une poutre longitudinale en matériau composite comporte au moins une pièce de renfort métallique s'étendant dans une hauteur de ladite poutre longitudinale de manière à reprendre des efforts verticaux s'exerçant localement sur ladite poutre longitudinale. Par longitudinal, on entend que l'axe longitudinal des poutres s'étend parallèlement à l'axe longitudinal de l'aéronef dans lequel le caisson central de voilure est destiné à être logé. Par hauteur, on entend la dimension de la poutre s'étendant entre les deux ailes de ladite poutre. Selon des exemples de réalisation du caisson central de voilure selon l'invention il est possible de prévoir tout ou parties des caractéristiques supplémentaires suivantes : - la pièce de renfort comporte une paroi supérieure solidaire d'une aile supérieure de la poutre longitudinale, une paroi inférieure solidaire d'une aile inférieure de ladite poutre longitudinale et au moins un voile vertical s'étendant entre les parois supérieure et inférieure de ladite pièce de renfort. - la paroi supérieure et la paroi inférieure de la pièce de renfort s'étendent parallèlement aux ailes de la poutre longitudinale, le voile vertical s'étendant perpendiculairement auxdites ailes et à l'âme de la poutre longitudinale. - la pièce de renfort comporte au moins deux voiles verticaux, de manière à ce que ladite pièce de renfort présente une section fermée. - au moins une poutre longitudinale en matériau composite du panneau intrados et/ou du panneau extrados dudit caisson est munie d'au moins une pièce de renfort métallique. L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit et à l'examen de la figure unique qui l'accompagne. Celle-ci est présentée à titre indicatif et nullement limitatif de l'invention. La figure représente une vue schématique partielle d'une poutre en matériau composite renforcée localement par une pièce de renfort conformément à l'invention. L'exemple décrit ci-dessous vise le cas particulier d'une poutre en matériau composite. Bien entendu, le procédé de renforcement selon l'invention peut s'appliquer de manière identique à tout élément de structure ayant une plus grande dimension et qui nécessite ponctuellement un renfort destiné à le rendre apte à supporter des efforts verticaux. Sur la figure unique est partiellement représentée une poutre longitudinale 1 en matériau composite. Un axe longitudinal de la poutre 1 s'étend parallèlement à l'axe X du repère X Y Z d'un aéronef dans lequel une telle poutre longitudinale est destinée à être logée. Plus précisément, la poutre longitudinale telle que représentée sur la figure est destinée à appartenir à un panneau extrados ou à un panneau intrados du caisson central de voilure d'un aéronef. La poutre 1 comporte une semelle, ou aile, supérieure 2 et une semelle, ou aile, inférieure 3 parallèles et séparées l'une de l'autre par une âme verticale 4. L'âme 4 s'étend dans un plan perpendiculaire aux plans des deux semelles 2 et 3. L'âme 4 s'étend sur toute une longueur L de la poutre 1, de manière à ce que la poutre 1 ait une section transversale en I. Par longueur, on entend la dimension de la poutre s'étendant parallèlement à l'axe longitudinal X de l'aéronef dans lequel la poutre 1 est destinée à être logée. La poutre 1 est en matériau composite, le sens des fibres continus étant essentiellement longitudinal. Une face inférieure 5 de la semelle inférieure 3 comporte une ferrure 6 destinée à servir de point d'ancrage à une bielle verticale ou oblique (non représentée). Dans le cas où la poutre 1 est une poutre du panneau extrados du caisson central de voilure la bielle solidaire de la ferrure 6 relie la poutre 1 à un rail de plancher de l'aéronef. Si la poutre 1 est une poutre du panneau intrados du caisson central de voilure, la bielle vertical ou oblique solidaire de la ferrure 6 soutient le carénage ventral de l'aéronef. Dans tous le cas, la poutre 1 est destinée à supporter, à l'endroit de la ferrure 6 des efforts verticaux. Dans le repère X Y Z de l'avion, les efforts verticaux sont les efforts selon l'axe Z. Selon le procédé de renforcement de l'invention, on dispose au niveau de la ferrure 6 une pièce de renfort métallique 7 destinée à reprendre les efforts verticaux. Conformément au procédé de l'invention, il est possible de munir la poutre 1 de pièces métalliques 7 au niveau de chaque ferrure 6. Avantageusement, dans le cas d'une poutre en I telle que représentée sur la figure, on dispose deux pièces de renfort métallique 7 identiques, de part et d'autre de l'âme 4, de manière à ce que chacun des flancs de la poutre 1 soit renforcé verticalement. Dans le cas d'une poutre ayant une section transversale en C, une seule pièce de renfort métallique 7 suffit au niveau d'une ferrure 6. La pièce de renfort métallique 7 comporte une paroi inférieure 8 solidaire de la face interne 9 de la semelle inférieure 3. Par interne, on entend dirigé vers le volume ménagé entre les deux semelles 2 et 3 de la poutre 1, et par externe dirigé vers l'extérieur de la poutre 1. Une paroi supérieure 10 de la pièce de renfort métallique 7 est solidaire d'une face interne 11 de la semelle supérieure 2. Les parois supérieure 10 et inférieure 8 de la pièce de renfort métallique 7 sont solidarisées par tous moyens aux faces internes 11, 9 des semelles 2, 3 le long desquelles elles s'étendent. La pièce de renfort métallique 7 comporte par ailleurs trois voiles 12, ou parois verticales, s'étendant verticalement entre les parois inférieure 8 et supérieure 10 de la pièce de renfort métallique 7. Les voiles 12 sont solidaires par deux extrémités opposées de la paroi inférieure 8 et de la paroi supérieure 10, de manière à s'étendre dans une hauteur E de la poutre 1. Par hauteur, on entend la dimension de la poutre s'étendant entre les deux semelles 2, 3. Ainsi les voiles 12 de la pièce de renfort métallique 7 s'étendent dans une direction parallèle aux efforts verticaux auxquels la poutre 1 est destinée à être soumise. Chaque voile 12 s'étend dans un plan perpendiculaire d'une part au plan des semelles 2, 3 et d'autre part au plan comportant l'âme 4 de la poutre 1. La pièce de renfort métallique 7 forme ainsi un caisson permettant de renforcer localement la poutre 1 et de la rendre ainsi apte à supporter des efforts verticaux. Cela permet notamment de réduire les risques de rupture par arrachement ou flambage au niveau des zones de faibles capacités de chargement de la poutre 1. Le procédé selon l'invention est particulièrement intéressant pour réduire le coût de fabrication des poutres longitudinales, dans la mesure où il est possible de fabriquer en série et de manière connue des poutres en matériau composite, sans s'occuper des points de chargement vertical ultérieurs et variables en fonction de leur utilisation. Une fois la poutre fabriquée, et son utilisation déterminée, on dispose les points d'ancrage de bielles. On peut ensuite procéder au renforcement local de la poutre 1 au moyen des pièces de renfort métallique 7. En terme de masse, cela permet de ne pas augmenter inutilement le poids total de la poutre en matériau composite, puisqu'on ne renforce ladite poutre qu'aux endroits où c'est nécessaire. Les efforts verticaux s'exerçant sur la poutre 1 sont transmis par la pièce de renfort métallique 7 à la structure environnante, ce qui soulage ainsi les zones de faible capacité de ladite poutre 1. Le nombre de voiles verticaux 12 est bien entendu variable et peut notamment être fonction du niveau d'effort vertical auquel la poutre 1 est destinée à être soumise. Dans le cas d'une poutre ayant une section en I, telle qu'une poutre longitudinale de l'intrados du caisson central de voilure, les pièces de renfort métallique 7 sont ajustées en terme de largeur par une résine d'interposition et fixées aux ailes du I par des fixations de type rivets pour les semelles ou directement par les fixations de liaison entre les panneaux et la poutre. Préférentiellement, le fond de la pièce de renfort métallique 7 est également fixé à l'âme du I de manière à stabiliser celle-ci vis à vis du flambage. Ainsi, pour une poutre en I en matériau composite carbone époxy, associée à une séquence de fibrage adéquate pour reprendre les efforts globaux dans cette zone, et dont l'épaisseur de l'âme est de 5 mm et l'épaisseur des ailes de 7mm, on utilise une pièce de renfort métallique 7 en aluminium présentant une épaisseur de fond de 2 mm, en contact avec l'âme 4 de la poutre 1, dont les semelles supérieure 2 et inférieure 3 ont une épaisseur de 4mm. Une telle poutre 1, sans gousset de renfort, est en mesure de prendre des efforts transversaux localisés d'une intensité d'une tonne, tandis que la même poutre munie d'une pièce de renfort métallique 7 selon l'invention est en mesure de reprendre des efforts transversaux localisés d'une intensité de 3,5 tonnes. REVENDICATIONS 1- Procédé de renforcement local d'un élément en matériau composite (1) présentant une plus grande dimension (L), tel qu'une poutre en matériau composite, destiné à supporter des efforts multidirectionnels, caractérisé en ce qu'il comporte l'étape suivante : - on solidarise au moins une pièce de renfort métallique (7) à l'élément en matériau composite, à un endroit de l'élément en matériau composite destiné à supporter des efforts verticaux. . 2- Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte l'étape supplémentaire suivante : - on procède de même à chacun des endroits de l'élément en matériau composite destiné à supporter des efforts verticaux. 3- Procédé selon l'une des revendications 1 à 2, caractérisé en ce qu'il comporte les étapes supplémentaires suivantes : - on solidarise une paroi supérieure (10) de la pièce de renfort à une aile supérieure (3) de l'élément en matériau composite et une paroi inférieure (8) de ladite pièce de renfort à une aile inférieure (3) dudit élément en matériau composite, ladite pièce de renfort comportant au moins un voile vertical (12) s'étendant entre la paroi supérieure et la paroi inférieure, transversalement à l'axe longitudinal de l'élément en matériau composite. 4- Procédé selon la revendication 3, caractérisé en ce que l'élément en matériau composite est muni d'une âme centrale (4) s'étendant entre les deux ailes, et en ce qu'on solidarise au moins deux pièces de renfort (7) sur ladite poutre, de part et d'autre de l'âme centrale. 5- Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que l'élément en matériau composite est une poutre longitudinale d'aéronef. 6- Caisson central de voilure pour aéronef muni de poutres longitudinales en matériau composite, caractérisé en ce qu'au moins une poutre longitudinale en matériau composite (1) comporte au moins une pièce de renfort métallique (7) s'étendant dans une hauteur (E) de ladite poutre longitudinale, de manière à reprendre des efforts verticaux s'exerçant localement sur ladite poutre longitudinale. 7- Caisson central de voilure selon la revendication 6, caractérisé en ce que la pièce de renfort comporte une paroi supérieure (10) solidaire d'une aile supérieure (2) de la poutre longitudinale, une paroi inférieure (8) solidaire d'une aile inférieure (3) de ladite poutre longitudinale et au moins un voile vertical (12) s'étendant entre les parois supérieure et inférieure de ladite pièce de renfort. 8- Caisson central de voilure selon la revendication 7, caractérisé en ce que la paroi supérieure et la paroi inférieure de la pièce de renfort s'étendent parallèlement aux ailes de la poutre longitudinale, le voile vertical s'étendant perpendiculairement auxdites ailes et à l'âme de la poutre longitudinale. 9- Caisson central de voilure selon l'une des revendications 7 à 8, caractérisé en ce que la pièce de renfort comporte au moins deux voiles verticaux, de manière à ce que ladite pièce de renfort présente une section fermée. 10- Caisson central de voilure selon l'une des revendications 6 à 9, caractérisé en ce qu'au moins une poutre longitudinale en matériau composite du panneau intrados et/ou du panneau extrados dudit caisson est munie d'au moins une pièce de renfort métallique.20