Brevet FR2922537A1 — publié le 20090424

L'invention concerne une pièce bombée en matériau composite ainsi qu'une structure renfermant un volume et comportant une telle pièce. De telles pièces composites forment par exemple des cloisons étanches dans des structures renfermant un volume et qui sont destinées à être utilisées sous pression interne ou externe, comme par exemple des réservoirs, des citernes ou des fuselages d'avion. Plus particulièrement, la présente invention concerne une pièce bombée en matériau composite réalisée par infusion de résine liquide en une seule opération d'infusion par opposition à des opérations de cocuisson en plusieurs étapes. Il existe de nombreuses structures composites pourvues de raidisseurs. Un exemple en est décrit dans le document US-A-2006/172121. Il s'agit d'une structure plate comportant des raidisseurs disposés de manière à former une grille. Cette grille est posée sur un côté de la structure plate. Bien que de tels agencements de renfort aient fait leurs preuves, il n'en reste pas moins qu'ils entraînent des limitations en ce qui concerne les propriétés mécaniques de la structure, les efforts que la structure est capable de supporter et l'utilisation de la structure, notamment lorsqu'il s'agit d'utiliser la structure comme un élément d'interface de fixation. En effet, les propriétés mécaniques d'une structure en matériau composite dépendent essentiellement de la nature des fibres, tissées ou non, utilisées pour former le squelette de la structure et de la nature de la résine avec laquelle les fibres sont imbibées. Ceci est également valable pour des raidisseurs réalisés en matériau composite. Et les efforts que la structure est capable de supporter dépendent ensuite, pour partie, des dimensions et de la forme des raidisseurs. En conséquence, si la structure doit être utilisée comme interface de fixation, il faut la pourvoir de raidisseurs qui puissent remplir à la fois le rôle de raidisseur et celui de support de fixation et qui puissent, de plus, supporter eux-mêmes les efforts qui en découlent. Cette tâche est particulièrement difficile lorsque la structure n'est pas plate, mais lorsqu'elle est courbe ou bombée. Le but de l'invention est en conséquence de proposer une pièce bombée en matériau composite qui puisse avoir des propriétés mécaniques élargies et qui offre des possibilités de montage augmentées. Avantageusement, la pièce bombée peut être réalisée de manière plus facile, voire de manière plus économique qu'auparavant. Le but de l'invention est atteint avec une pièce bombée en matériau composite ayant un ou plusieurs rayons de courbure, comprenant une cloison avec une face convexe, une face concave et un bord périphérique, ainsi que des raidisseurs. Conformément à l'invention, la face convexe est pourvue de raidisseurs creux et la face concave est pourvue de raidisseurs pleins. Grâce à ces dispositions de l'invention, il est possible de cumuler les propriétés mécaniques de chaque type de raidisseurs et, par l'obtention d'une synergie des effets, d'obtenir un raidissement optimisé de la pièce selon l'application spécifique qui en est faite. Il en résulte une grande plage de variations des propriétés mécaniques de la pièce bombée en fonction des variations des paramètres élémentaires de définition des raidisseurs et des renforts périphériques. De plus, les dispositions de l'invention permettent de proposer des zones d'interface pour la fixation d'éléments sur la face concave. Enfin, pour ne citer ici que les avantages les plus importants, l'agencement des raidisseurs selon l'invention permet de réaliser la pièce par infusion de résine en une seule opération et de réduire ainsi le temps de fabrication de la pièce d'une manière significative. De manière plus générale, l'utilisation d'un matériau composite pour la réalisation des raidisseurs et des renforts périphériques permet de réduire la masse de la pièce et d'augmenter en même temps les performances par rapport à celles obtenues avec des éléments métalliques. La pièce bombée peut avoir en outre, selon le mode de réalisation choisi, l'une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, considérées isolément ou selon toute combinaison techniquement possible : - le bord périphérique est pourvu d'un renfort continu s'étendant sur la périphérie entière de la 15 cloison ; - le bord périphérique est pourvu de plusieurs renforts périphériques permettant d'augmenter localement l'épaisseur de la cloison par ajout de fibres ; - les renforts périphériques sont constitués par 20 des éléments en fibres imprégnées de résine ; - les renforts périphériques sont formés au cours de la préparation de la cloison par une pose de fibres additionnelles ; - les raidisseurs creux sont disposés de manière 25 rayonnante ; - les raidisseurs creux sont disposés en dehors d'une zone centrale démunie de raidisseurs ; - la pièce comporte un plan de symétrie normal à la cloison et les raidisseurs creux sont disposés 30 symétriquement par rapport au plan de symétrie ; les raidisseurs pleins sont disposés parallèlement les uns aux autres ; - la pièce comporte un plan de symétrie normal à la cloison et les raidisseurs pleins sont disposés 35 parallèlement et symétriquement par rapport au plan de symétrie ; les renforts périphériques sont disposés symétriquement par rapport au plan de symétrie ; - les raidisseurs creux sont de forme en oméga. Le but de l'invention est également atteint avec une structure renfermant un volume et qui est destinée à être utilisée sous pression interne ou externe, la structure comprenant une pièce bombée en matériau composite telle que décrite plus haut. D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description ci- après d'un mode de réalisation de la pièce de l'invention. La description est faite en références aux dessins dans lesquels : - la figure 1 représente le côté convexe d'une pièce bombée en matériau composite selon un mode de 15 réalisation de l'invention ; - la figure 2 représente le côté concave de la pièce de la figure 1 ; - la figure 3 représente un raidisseur creux en coupe transversale suivant la ligne III-III de la figure 20 1 ; - la figure 4 représente un raidisseur plein en coupe transversale suivant la ligne IV-IV de la figure 1 ; et - la figure 5 représente un renfort périphérique en 25 coupe transversale suivant la ligne V-V de la figure 1. La figure 1 est une vue sur la face convexe d'une pièce bombée en matériau composite qui, selon l'invention, comporte une cloison 1 avec une face convexe 11, une face concave 12 et un bord périphérique 4, ainsi 30 que huit raidisseurs creux 2 disposés sur la face convexe 11 et quatre raidisseurs pleins 3 disposés sur la face concave 12. La figure 2 est une vue sur la face concave de cette pièce. Dans l'exemple représenté, la cloison 1 est formée 35 par une structure composite monolithique, obtenue par superposition de plusieurs couches de fibres, par exemple plusieurs couches de tissu en fibres de carbone, fibres de Kevlar� ou en d'autres fibres d'un ou de plusieurs types appropriés, et par imprégnation de ces fibres par une résine. La cloison 1 présente, en projection selon un axe passant par un centre C de la pièce et orienté perpendiculairement à la surface de la cloison en ce centre C, la forme d'une ellipse. La pièce bombée est ainsi symétrique par rapport à un plan de symétrie PS normal à la cloison 1 passant par le centre C et orienté suivant le petit axe de l'ellipse. La forme bombée de la pièce résulte d'un ensemble de rayons de courbure variant entre un rayon de courbure minimal qui détermine la courbure de la pièce dans le plan de symétrie PS et un rayon de courbure maximal qui détermine la courbure dans un plan passant par le centre C et qui est perpendiculaire au plan de symétrie PS. Toutefois, il convient de préciser que la pièce selon l'invention peut avoir, sans sortir du principe de la présente invention, différentes formes, symétriques ou non, et ne présente pas nécessairement une surface de révolution. De plus, la cloison 1 peut être réalisée avec une épaisseur constante ou avec une épaisseur variable selon l'endroit considéré sur la cloison. La figure 1 représente par ailleurs l'agencement de huit raidisseurs creux 2 sur la face convexe 11 de la pièce bombée. Toutefois, le nombre de raidisseurs creux 2 est variable, il peut être pair ou impair. Chacun des raidisseurs creux 2 est réalisé en un matériau composite avec une section transversale en oméga représentée sur la figure 3. Les huit raidisseurs 2 sont disposés sur la cloison 1, à partir de la périphérie d'une zone centrale 6 démunie de raidisseurs, de manière rayonnante et diamétralement opposés par deux : deux de ces raidisseurs creux sont disposés symétriquement et dans le sens du plan de symétrie PS de la pièce bombée, deux autres raidisseurs creux 2 sont disposés perpendiculairement au plan de symétrie PS et les quatre raidisseurs creux 2 restants sont orientés approximativement suivant des diagonales d'un rectangle dans lequel s'inscrivent les raidisseurs creux 2 orientés respectivement suivant le plan de symétrie PS et perpendiculairement à celui-ci, comme largeur et comme longueur du rectangle. La forme d'un raidisseur creux 2 est caractérisée par les dimensions des différentes parties formant le profil en coupe transversale, à savoir la largeur de chacune des deux parties de base 21L, 21R et leur épaisseur A, la largeur de la partie de sommet 22 et son épaisseur B, la largeur des parties en pente 23L, 23R et leur épaisseur C, les valeurs des angles 24L, 24R définis entre chacune des parties de base 21L, 21R et la partie correspondante en pente 23L ou 23R, les valeurs des angles 25L, 25R définis entre chacune des parties en pente 23L, 23R et la partie de sommet 22, ainsi que par la largeur totale D du raidisseur creux 2 et sa hauteur E. La figure 2 représente l'agencement de quatre raidisseurs pleins 3 sur la face concave 12 de la pièce bombée. Toutefois, le nombre de raidisseurs pleins 3 est variable, mais toujours pair, comme cela est expliqué ci-après. Chacun des raidisseurs pleins 3 est réalisé en un matériau composite monobloc et est de forme pleine et formé par exemple avec une section transversale de forme en J représentée sur la figure 4. Les raidisseurs 3 sont disposés parallèlement entre eux et parallèlement par rapport au plan de symétrie PS de la pièce. De plus, l'agencement des raidisseurs pleins 3, c'est-à-dire leur disposition et leur orientation, est symétrique par rapport au plan de symétrie PS. Dans l'exemple de réalisation représenté, les raidisseurs pleins 3 ont chacun une section transversale en forme de J. Chaque raidisseur plein 3 comporte une âme 31 s'étendant entre une partie de base 32, 34 et une partie transversale 33. L'âme 31, la partie 32 de la partie de base et la partie transversale 33 forment un profilé en C auquel est adossé un profilé en L formé par la partie 34 de la partie de base du raidisseur et une partie 35 qui augmente l'épaisseur de l'âme 31 sur une partie de la hauteur de celle-ci. Alors que la partie transversale 33 et l'âme 31 forment généralement un angle droit, la partie de base 32, 34 et l'âme 31 ne le font pas en raison de la forme bombée de la cloison 1 et la nécessité d'orienter l'âme 31 suivant un plan parallèle au plan de symétrie PS de la pièce bombée. La forme des raidisseurs pleins 3 est par ailleurs caractérisée par les dimensions des différentes parties formant la section transversale en J, à savoir la hauteur F du raidisseur, les largeurs G, H respectivement de la partie 34 et de la partie 32 de la partie de base du raidisseur, la largeur I de la partie transversale 33 et les épaisseurs J, K et L respectivement des parties 32, 34 de la partie de base, de l'âme 31 et de la partie transverse 33. Comme décrit plus haut et indiqué sur la figure 2 par les numéros de référence des différentes parties de deux des raidisseurs 3, les raidisseurs pleins 3 sont disposés de manière symétrique par rapport au plan de symétrie PS. Ceci concerne non seulement leur espacement par rapport audit plan PS, mais aussi l'orientation des parties transversales 33. En effet, les raidisseurs pleins 3 sont orientés de manière que la partie transversale 33 de chacun des raidisseurs montre vers le plan de symétrie PS. Le bord extérieur ou périphérique 4 de la cloison 1 est pourvu, sur le pourtour entier de la cloison, d'un renfort périphérique 5 réalisé en un matériau composite. Le renfort 5 est représenté sur la figure 5 en une coupe transversale en position sur le bord périphérique 4 d'une cloison 1. Il est cependant rappelé que, comme indiqué plus haut, le bord extérieur 4 peut tout aussi bien être pourvu de plusieurs renforts périphériques dont chacun ne renforce qu'un secteur du bord périphérique. En effet, les renforts périphériques 5 permettent d'augmenter localement l'épaisseur de la cloison 1 par l'ajout de fibres imprégnées de résine. La longueur des renforts 5 est variable. Plus particulièrement, ces renforts peuvent présenter une rupture de forme avec la géométrie de la forme de la cloison 1. Ainsi, par exemple, les renforts 5 peuvent former un angle avec la surface de la cloison sur laquelle ils sont disposés, en conservant la symétrie de la cloison par rapport au plan de symétrie PS de la pièce. Selon le même principe, le bord extérieur 4 peut lui-même être en rupture de forme avec la forme générale bombée de la cloison 1, par exemple former un angle avec celle-ci, et être renforcé dans la partie angulaire. Dans l'exemple de réalisation représenté sur la figure 5, le bord extérieur 4 de la cloison 1 forme un angle avec une partie adjacente intermédiaire 6 de la cloison 1, qui s'étend en continuité de forme avec les surfaces extérieures 11 et intérieures 12 de la cloison 1. Le renfort périphérique 5 comporte une partie 51 disposée sur la partie intermédiaire 6 de la cloison 1 ainsi qu'une partie 52 disposée sur le bord extérieur 4 de la cloison 1. Sur la figure 5, la séparation entre la cloison 1 et le renfort 5 est représentée par une ligne interrompue 53 pour signaler que, avantageusement mais non nécessairement, le renfort 5 n'est pas une pièce distincte comme un raidisseur creux 2 ou un raidisseur plein 3, mais une pièce formée en même temps que la cloison 1. En effet, le renfort périphérique unique 5, ou en cas de plusieurs renforts périphériques sectoriels 5 chacun d'entre eux, est réalisé - comme la cloison 1 par la pose d'un ensemble de fibres synthétiques, de carbone ou d'autres matériaux appropriés ou par superposition de tissus en de telles fibres et par imprégnation des fibres avec une résine. Il s'ensuit que les fibres ou tissus du renfort 5 peuvent être posés de deux façons différentes. Selon la première, on pose - de l'extérieur vers l'intérieur de la cloison à former d'abord les fibres ou les tissus pour la cloison 1 et on pose en suite les fibres ou tissus pour le renfort 5. Ensuite, l'ensemble de ces fibres ou tissus est imprégné d'une résine. Selon la seconde façon, on pose en alternance un tissu ou une couche de fibres pour la cloison 1, un tissu ou une couche de fibres pour le renfort 5, un tissu ou une couche de fibres pour la cloison 1 etc. Ensuite, l'ensemble enchevêtré de ces fibres ou tissus est imprégné d'une résine. Quelle que soit la façon selon laquelle le bord extérieur 4 de la cloison 1 est renforcé, il en résulte que l'épaisseur P de la cloison 1 est augmentée dans la partie intermédiaire 6 à une épaisseur N et que l'épaisseur du bord 4 est augmentée à une épaisseur M. Les épaisseurs M et N peuvent être égales entre elles tout comme elles peuvent être différentes l'une de l'autre. Grâce aux dispositions décrites ci avant et représentées sur les dessins, la pièce bombée de l'invention est raidie sur les deux côtés, et le raidissement peut être optimisé en variant les propriétés mécaniques des raidisseurs par le choix de la résine et des fibres et par le choix de la géométrie du raidisseur. Un autre élément d'influence sur les propriétés mécaniques des raidisseurs est l'orientation des fibres selon les sollicitations mécaniques. Pour les raidisseurs destinés à être disposés du côté convexe de la pièce bombée, la forme en oméga permet d'obtenir un effet important de raidissement de la pièce en apportant de l'inertie sur la face convexe. La disposition rayonnante permet d'obtenir une résistance symétrique dans le cas d'une pièce ayant une surface de révolution. De plus, cette disposition permet d'extraire les noyaux des raidisseurs, qui sont utilisés lors de la fabrication de la pièce bombée. Pour les raidisseurs destinés à être disposés du côté concave, la forme pleine permet d'apporter une inertie à la surface concave de la structure, et cela en particulier dans le sens d'une sollicitation orientée parallèlement à l'axe passant par la partie centrale C. REVENDICATIONS 1. Pièce bombée en matériau composite ayant un ou plusieurs rayons de courbe, comprenant une cloison (1) avec une face convexe (11), une face concave (12) et un bord périphérique (4), ainsi que des raidisseurs (2, 3), caractérisée en ce que la face convexe (11) est pourvue de raidisseurs creux (2) et en ce que la face concave (12) est pourvue de raidisseurs pleins (3). 2. Pièce selon la revendication 1, caractérisée en ce que le bord périphérique (4) est pourvu de renforts périphériques (5). 3. Pièce selon la revendication 1 ou 2, caractérisée en ce que les raidisseurs creux (2) sont 15 disposés de manière rayonnante. 4. Pièce selon la revendication 3, caractérisée en ce que les raidisseurs creux (5) sont disposés partant d'une zone centrale (6) démunie de raidisseurs (5). 5. Pièce selon l'une quelconque des revendications 20 1 à 4, caractérisée en ce que les raidisseurs pleins (3) sont disposés parallèlement les uns aux autres. 6. Pièce selon l'une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisée en ce qu'elle comporte un plan de symétrie (PS) normal à la cloison (1) et en ce que les 25 raidisseurs (2, 3) d'au moins une des faces (11, 12) de la cloison (1) sont disposés symétriquement par rapport au plan de symétrie (PS). 7. Pièce selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, caractérisée en ce qu'elle comporte un plan de 30 symétrie (PS) normal à la cloison (1) et en ce que les renforts périphériques (5) sont disposés symétriquement par rapport au plan de symétrie (PS). 8. Pièce selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisée en ce que les raidisseurs creux (2) 35 sont de forme en oméga. 9. Pièce selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisée en ce que les raidisseurs pleins (3)sont de forme en J. 10. Structure renfermant un volume et destinée à être utilisée sous pression interne ou externe, caractérisée en ce qu'elle comprend une pièce bombée selon l'une quelconque des revendications 1 à 9.