Brevet FR2937303A1 — publié le 20100423

PLANCHER EN MATERIAU COMPOSITE POUR VEHICULE DE TRANSPORT ET PROCEDE DE FABRICATION D'UN TEL PLANCHER Domaine de l'invention L'invention concerne un plancher en matériau composite pour véhicule de transport et, en particulier, pour aéronef. Elle concerne également un procédé de fabrication d'un tel plancher. L'invention trouve des applications dans le domaine des transports de passagers ou de fret, tels que les trains, les poids lourd et les aéronefs. Elle trouve, en particulier, des applications dans le domaine de l'aéronautique où la diminution de la masse totale du véhicule constitue un effort permanent de la part des constructeurs aéronautiques. Etat de la technique Dans les domaines du transport de passagers ou de fret, et en particulier dans le domaine de l'aéronautique, les constructeurs de véhicules cherchent à diminuer la masse des véhicules tout en leur assurant une haute résistance. Pour cela, ils cherchent à remplacer, au moins en partie, la structure métallique des véhicules par une structure allégée/plus légère. En particulier, dans le domaine de l'aéronautique, la structure des aéronefs est réalisée généralement à partir de panneaux métalliques, assemblés les uns avec autres par des systèmes de fixation, également métalliques. En particulier, les planchers des aéronefs sont réalisés à partir d'une structure horizontale métallique fixée sur une structure d'encadrement verticale, également métallique. La structure horizontale est généralement constituée de longerons et de traverses métalliques, par exemple en aluminium ou autres alliages. Cette structure horizontale est fixée sur des cadres métalliques placés de part et d'autre du fuselage de l'aéronef et constituant la structure d'encadrement de l'aéronef. Dans le cas du transport de passagers, la structure horizontale comporte aussi des rails de reprise de sièges, ou autres aménagements de cabine. Les rails de reprise sont des rails métalliques sur lesquels sont fixés les sièges passagers et la plupart des aménagements cabines, spécifiques au transport de fret ou au transport de passagers, comme des offices (galleys), des toilettes, des cloisons de séparation, etc. Ces rails de reprise sont perpendiculaires aux traverses. Ils sont soit posés sur les traverses, soit traversant lesdites traverses. Dans les aéronefs dédiés au transport des passagers, au moins deux rails de reprise sont montés dans le plancher, espacés l'un de l'autre et s'étendant longitudinalement dans une direction avant/arrière de l'aéronef. Des châssis comportant chacun deux ou plusieurs sièges sont fixés sur ces rails pour former une travée de fauteuils. D'autres éléments d'aménagement cabine sont fixés sur ces mêmes rails. La structure horizontale ainsi constituée est recouverte de panneaux de marche posés sur les rails. En effet, l'ensemble formé par les rails et les traverses est une surface sensiblement plane, mais non uniforme. Des panneaux de marche sont donc nécessaires pour rendre cette surface continue et uniforme afin d'assurer la sécurité des passagers et du personnel de bord, lors de leurs déplacements à bord de l'aéronef. De tels planchers sont relativement encombrants du fait notamment de la superposition des différents éléments le constituant. En outre, avec de tels planchers, la position des rails de reprise est peu flexible : les rails sont disposés dans le plancher et ne peuvent plus être déplacés à moins de modifier totalement le plancher. De plus, pour préserver au mieux le volume de la cabine passagers et celui des soutes, les différents câblages de l'aéronef (câbles électriques, tuyauteries hydrauliques, tuyauteries de conditionnement d'air, et autres moyens de transfert d'énergie) sont installés à l'intérieur des traverses. Autrement dit, une grande partie, voire la totalité des câblages de transfert d'énergie, chemine à l'intérieur des traverses du plancher de l'aéronef afin de limiter l'espace nécessaire pour leur passage. Or, le fait que ces câblages sont placés à l'intérieur des traverses rend, d'une part, leur installation difficile et, d'autre part, leur remplacement délicat. En effet, dans une structure métallique classique, le remplacement d'un câblage nécessite de démonter au moins partiellement le plancher afin de retirer le câblage existant puis de le remplacer par un nouveau câblage qu'il faut faire cheminer à travers différentes traverses. D'une façon générale, les aéronefs à structure métallique présentent l'inconvénient d'être lourds. Aussi, pour diminuer la masse structurelle des aéronefs, les constructeurs aéronautiques cherchent à remplacer certains éléments métalliques par des éléments en matériau composite. En effet, les matériaux composites ayant l'avantage d'être relativement légers par rapport au métal, la masse totale d'un aéronef à structure composite est significativement allégée par rapport à celle d'un aéronef à structure métallique. Il pourrait donc être envisageable de remplacer les planchers métalliques actuels par des planchers en matériaux composites, de même structure. Cependant, même si de tels planchers permettaient de gagner en masse, ils ne permettraient pas de résoudre les inconvénients des planchers actuels décrits précédemment (encombrant, position des rails de reprise peu flexible, installation et remplacement des câblages difficiles). Exposé de l'invention L'invention a pour but de remédier aux inconvénients des techniques exposées précédemment en proposant un plancher réalisé au moins partiellement en matériaux composites. Pour cela, le plancher de l'invention comporte une structure caissonnée, en matériaux composites. Cette structure caissonnée est constituée d'une association de caissons en matériaux composites placés les uns à côté des autres afin de former une surface continue et uniforme. Cette structure caissonnée est montée sur une poutre, elle-même fixée sur la structure d'encadrement de l'aéronef. De façon plus précise, l'invention concerne un plancher pour véhicule de transport, apte à être fixé sur une structure d'encadrement verticale dudit véhicule, caractérisé en ce qu'il comporte : - une structure horizontale caissonnée comprenant une pluralité de caissons positionnés les uns à coté des autres et formant une surface supérieure et une surface inférieure continues et uniformes, la surface supérieure étant recouverte d'une peau supérieure et la surface inférieure étant recouverte d'une peau inférieure, et - des moyens de fixation pour fixer latéralement la structure caissonnée sur la structure d'encadrement. Le plancher de l'invention peut comporter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes : - la structure caissonnée est en matériaux composites. - les moyens de fixation comportent une poutre longitudinale de reprise de la structure caissonnée et des ferrures de liaison de la poutre sur la structure d'encadrement. - la poutre longitudinale a un profil en C. - la poutre longitudinale est réalisée dans un matériau composite. - les ferrures assurent des liaisons pivots entre la structure caissonnée et la structure d'encadrement. - les ferrures sont réalisées dans un matériau composite. - les moyens de fixation comportent des bielles de support verticales. L'invention concerne également un procédé de fabrication d'un tel plancher. Ce procédé se caractérise par le fait qu'il comporte les opérations suivantes : - fabrication de caissons en matériaux composites, - assemblage des caissons les uns à coté des autres, cet assemblage formant au moins une surface supérieure continue et uniforme, - application d'une peau supérieure et d'une peau inférieure en matériaux composites sur les caissons ainsi assemblés, - solidarisation des caissons et des peaux supérieure et inférieure pour former une structure caissonnée, - installation de la structure caissonnée dans au moins une poutre longitudinale à profil en C, - fixation des poutres longitudinales sur la structure d'encadrement verticale du véhicule. L'invention concerne également un aéronef comportant un plancher 25 tel que décrit précédemment. Brève description des dessins La figure 1 représente une vue générale d'un plancher en matériau composite selon l'invention. 30 Les figures 2A et 2B représentent des vues de face, en coupe éclatée et en coupe, du plancher de la figure 1. La figure 3 représente une vue schématique d'un plancher fixé à la structure d'encadrement d'un fuselage d'aéronef. La figure 4 représente une vue de profil d'un plancher selon l'invention 35 monté sur la structure d'encadrement d'un fuselage d'aéronef. La figure 5 représente les moyens de fixation de la structure caissonnée sur la structure d'encadrement de l'aéronef. La figure 6 représente un exemple de rail installé sur un plancher selon l'invention. Description détaillée de mode de réalisation de l'invention Sur la figure 1, on a représenté, selon une vue en perspective, la structure caissonnée horizontale d'un plancher en matériau composite conforme à l'invention. Cette structure de plancher 10 comporte une peau supérieure 11 et une peau inférieure 12. Elle comporte, entre les peaux inférieure 12 et supérieure 11, une pluralité de caissons 13 positionnés les uns à côté des autres. Sur les figures 2A et 2B, on a représenté un exemple de structure caissonnée selon l'invention. La figure 2B montre une vue de face de la structure caissonnée 10. La figure 2A montre une vue éclatée de la structure caissonnée de la figure 2B. La figure 2A montre la structure caissonnée 10 réalisée à partir de plusieurs caissons 13 positionnés les uns à coté des autres. Un caisson est un élément structurel dont la section est un contour travaillant complètement fermé. Chaque caisson 13 consiste en un tube élémentaire, de section carrée ou rectangulaire, en matériau composite. Chaque caisson en matériau composite peut être réalisé à partir de nappes de fibres sèches, pré-enduites d'une résine thermodurcissable. Les nappes de fibres pré-enduites sont placées dans un moule de forme carrée, ou rectangulaire. Elles sont ensuite chauffées. Sous l'effet de la chaleur, la résine polymérise, ce qui permet au renfort fibreux de prendre la forme du moule. Après refroidissement, le moule est retiré, offrant un caisson 13, de section carré ou rectangulaire selon la forme du moule. Une pluralité de caissons, tous identiques, sont ainsi réalisés. Les caissons peuvent être monobloc. Dans ce cas, chaque caisson a une largeur prédéfinie et une longueur correspondant à la largeur du plancher. Autrement dit, la longueur du caisson correspond sensiblement à la dimension transversale du fuselage de l'aéronef. Les caissons peuvent aussi être multibloc. Dans ce cas, deux ou plusieurs caissons sont placés les uns à la suite des autres, des poutres de 35 reprise assurant une liaison mécanique entre chaque bloc de caissons. La pluralité de caissons identiques, ainsi réalisés, sont placés les uns à côté des autres puis assemblés les uns aux autres. Cet assemblage de caissons 13, représenté sur la figure 2B, forme un élément à surfaces planes. Il forme, en particulier, une surface supérieure 14 plane et une surface inférieure 15, également plane. Ces surfaces supérieures 14 et inférieures 15 sont continues et uniformes. Autrement dit, ces surfaces 14 et 15 de l'assemblage de caissons 13 ne comportent aucune aspérité ni protubérance, aussi bien sur les caissons qu'à la jonction de deux caissons. Comme on le verra par la suite, le fait que la surface supérieure 14 soit continue et uniforme permet de placer les rails de reprise des sièges en tout point de la surface, ce qui offre une grande flexibilité de l'aménagement cabine. Les caissons 13 ainsi assemblés forment, à leur jonction, des cloisons transversales 16, appelées aussi voiles transversaux. Pour solidariser les caissons 13 les uns aux autres, une peau supérieure 11 et une peau inférieure 12 sont placées, respectivement, sur la surface supérieure 14 et sur la surface inférieure 15 de l'assemblage de caissons. Les voiles transversaux 16 assurent alors une liaison entre la peau supérieure 11 et la peau inférieure 12. La peau supérieure 11 renforce la continuité et l'uniformité de la surface supérieure 14. Elle assure, avec la peau inférieure 12, la fixation des différents caissons 13 entre eux et permet l'installation des rails de reprise de sièges ou d'aménagement cabine. De préférence, les peaux inférieure et supérieures sont, chacune, réalisées d'un seul tenant de sorte que la structure caissonnée est recouverte, sur chaque face, d'une seule peau. Les peaux supérieure 11 et inférieure 12, de même que les cloisons des caissons, peuvent avoir des épaisseurs de dimensions différentes en fonction, notamment, du type d'aéronef et du type de transport prévu pour cet aéronef. De même, la section des caissons 13 peut être carrée ou rectangulaire, de dimensions différentes selon l'épaisseur totale définie pour le plancher. Dans l'invention, la constitution de la structure caissonnée est indépendante de la structure d'encadrement ; autrement dit, le nombre de caissons et les dimensions de ces caissons sont indépendants de la structure d'encadrement et notamment du nombre de cadres formant ladite structure d'encadrement. Le nombre de voiles, dans la structure caissonnée, est donc décorrelé du nombre de cadres. Les caissons 13 forment, avec la peau supérieure 11 et de la peau inférieure 12, la structure caissonnée 10 du plancher de l'invention. La continuité de la peau supérieure 11 de la structure caissonnée permet de se dispenser de la présence de panneaux de plancher de marche. En outre, elle offre la possibilité de fixer les rails de reprise en tous points de la surface. Elle permet, en outre, une installation des rails de reprise après fabrication et même, après installation du plancher dans le fuselage. Il est donc possible d'installer les rails de reprise à des emplacements choisis et définis ultérieurement, après la fabrication du plancher. Comme expliqué précédemment, la structure caissonnée horizontale 10 du plancher 1 de l'invention peut être réalisée par un procédé de mise en oeuvre des matériaux composites, à partir de nappes de fibres sèches pré- enduites. Elle peut également être réalisée par un procédé d'injection sous vide, appelé procédé RTM (Resin Transfer Molding) ou bien par un procédé de résine fluide (Liquid Resin), un procédé d'infusion, ou par tout autre procédé connu de réalisation d'éléments en matériaux composites. Les tubes formant les caissons peuvent être obtenus par drapage de nappes de fibres, par bobinage, par pultrusion, ou par tout autre procédé connu de placement de fibres dans des moules. Les peaux supérieure 11 et inférieurel 2 sont drapées sur l'assemblage de caissons soit manuellement, soit au moyen d'une machine automatique. Dans un mode de réalisation de l'invention, les caissons sont fabriqués séparément puis assemblés les uns aux autres ainsi qu'aux peaux inférieure et supérieure par collage. Cet assemblage des caissons et des peaux peut également être obtenu par une polymérisation simultanée de toutes les pièces. Dans ce cas, les différents caissons sont polymérisés les uns aux autres et les peaux inférieure et supérieure sont polymérisées sur l'assemblage de caissons. Pour constituer un plancher d'aéronef, la structure caissonnée ainsi réalisée doit être fixée sur la structure d'encadrement du fuselage de l'aéronef. Cette structure d'encadrement peut être soit métallique, soit en matériau composite. Quelle que soit la structure d'encadrement, la structure caissonnée est fixée latéralement sur ladite structure d'encadrement, formant ainsi le plancher de l'aéronef. Cette fixation est réalisée grâce à des moyens de fixation comprenant au moins une poutre longitudinale de reprise de la structure caissonnée et des ferrures de liaison de la poutre sur la structure d'encadrement. Un exemple schématique de ces moyens de fixation est représenté sur la figure 3. Comme on le voit sur la figure 3, la structure caissonnée 10 est emboîtée dans une poutre longitudinale 21, elle-même fixée sur la structure d'encadrement 30 du fuselage par des ferrures 22. Sur la figure 4, on a représenté un exemple plus détaillé d'un plancher 1 selon l'invention. Comme on le voit sur cette figure, la poutre longitudinale 21 a un profil en forme de C. Cette poutre 21, ou profilé en C, s'emboîte autour d'un bord latéral de la structure caissonnée 10, constituant une fermeture de ladite structure. Cette poutre 21 peut être métallique, réalisée à partir d'un profilé filé, d'une tôle pliée, etc., ou en matériau composite, réalisée selon un des procédés de composites cités précédemment. La poutre 21 est fixée sur la structure d'encadrement 30 du fuselage au moyen d'une pluralité de ferrures de liaison 22. De préférence, une ferrure de liaison 22 est installée entre chaque cadre 31 de la structure d'encadrement 30 et la poutre 22. Toutefois, le nombre de ferrures peut être indépendant du nombre de cadres. Chaque ferrure 22 constitue une liaison mécanique entre la structure caissonnée 10 et le fuselage de l'aéronef. Dans l'exemple de la figure 4, on a représenté un espace 32 dans la structure d'encadrement 30 où les cadres 31 sont coupés à hauteur de la poutre 21. Cet espace 32 correspond à une zone de porte d'entrée pour passagers. D'autres espaces 32 peuvent être implantés dans la structure d'encadrement 30 du fuselage correspondant, par exemple, à des portes de secours dans le cas du transport de passagers ou à des portes de soutes, dans le cas du transport de fret. Dans l'exemple de la figure 4, on a représenté une seule poutre longitudinale. Il est bien entendu qu'au moins une deuxième poutre est installée sur le bord opposé du plancher 1, afin de fixer la structure caissonnée au moins sur les deux cotés latéraux du fuselage. Dans l'exemple de la figure 4, on a représenté, sur la structure caissonnée 10, un exemple de rail de reprise de sièges. Dans cet exemple, des rails 40 de fixation de sièges sont montés sur un revêtement de sol 41, tel qu'une moquette, puis fixés dans la structure caissonnée 10. On comprend alors que les rails peuvent être installés sur la plancher après fixation de la structure caissonnée dans l'aéronef. De cette façon, les rails de fixation 40 peuvent être installés à des endroits particuliers, spécifiques à chaque aéronef. Il est bien entendu que les rails de fixation 40 peuvent également être montés sur le plancher avant que celui-ci ne soit installé dans l'aéronef, par exemple pour des raisons de fabrication en série. On comprend aussi que ces rails de fixations 40 peuvent être démontés puis remontés, par exemple pour être déplacés, en fonction de besoins spécifiques de l'aéronef. Sur la figure 5, on a représenté une vue de côté d'un plancher selon l'invention, fixé sur la structure d'encadrement d'un aéronef. Cette figure 5 montre en particulier les ferrures 22 de liaison entre le plancher 1 et les cadres 31 de la structure d'encadrement 30. On comprend que ces ferrures 22 constituent des liaisons pivots avec les cadres 31 du fuselage. Ces liaisons pivots permettent de limiter le moment fléchissant, dans la structure d'encadrement 30, et le moment de torsion dans la poutre 21. Comme pour la poutre 21, les ferrures 22 peuvent être en métal ou en matériau composite ; on peut utiliser, par exemple, des ferrures métalliques lorsque la poutre 21 est métallique et des ferrures 22 en matériau composite lorsque la poutre 21 est en composite. Selon leur réalisation, les ferrures 22 peuvent être vissées, rivetées, collées, ou fixées par tout autre procédé de fixation, sur la poutre 21 et sur les cadres 31. La figure 5 montre également que les moyens de fixation de la structure caissonnée 10 sur la structure d'encadrement 30 peuvent comporter aussi des bielles de support 23, placées sous la structure caissonnée. Ces bielles de support 23 renforcent la fixation de la structure caissonnée. Elle permettent de limiter le moment fléchissant dans la structure caissonnée afin d'assurer le support de ladite structure caissonnée. Les moyens de fixation tels qu'ils viennent d'être décrits ont l'avantage d'optimiser la structure caissonnée indépendamment de la position des cadres dans la structure d'encadrement. La figure 6 représente un exemple d'installation d'un rail 40 de fixation de sièges ou d'aménagement cabine, dans le plancher 1 de l'invention. Comme expliqué précédemment, le rail de fixation 40 est monté sur la structure caissonnée du plancher 1. La moquette 41, ou autre revêtement de plancher, est placée de part et d'autre du rail de façon à recouvrir l'embase 43 dudit rail tout en laissant la glissière 44 du rail en surface. Ainsi, la glissière 44 reste facilement accessible pour accrocher un siège ou autre équipement cabine tandis que l'embase 43 est cachée pour faciliter le déplacement des passagers. Un cache-rail 42 peut ensuite être placé au- dessus de l'ensemble du rail 40, notamment aux emplacements où il n'y a ni siège ni équipement cabine, pour ces mêmes raisons de sécurité de déplacement des passagers. Comme montré sur la figure 6, des plaquettes porte-écrous 45 peuvent être insérées dans le plancher 1 afin d'améliorer la fixation des rails 40. Ces plaquettes porte-écrous 45 ont une forme en T dont la partie supérieure 45a du T est placée entre l'assemblage des caissons et la peau supérieure 11 et la jambe 45b du T est insérée à l'intérieur des caissons. Le T de la plaquette porte-écrous peut comporter un pied 45c améliorant la tenue de la plaquette à l'intérieur de l'assemblage de caissons. Ces plaquettes porte-écrous ont pour rôle de renforcer la zone de la structure caissonnée sur laquelle le rail de reprise 40 est fixé. Comme montré sur la figure 6, le rail 40 est fixé dans la structure caissonnée, au regard d'une plaquette porte-écrous. Les plaquettes porte-écrous sont installées dans le plancher par l'intermédiaire d'orifices réalisés dans la peau inférieure 12 du plancher. Cette plaquette porte-écrous 45 peut être auto-raidie afin d'améliorer encore la tenue en flexion des rails. Le plancher d'aéronef, tel qu'il vient d'être décrit, offre un gain en masse de l'ordre de 10 à 20%, par rapport à un plancher classique de conception métallique. Il offre un gain en épaisseur de l'ordre de la hauteur des rails, soit de 80 à 100 mm. Ce plancher à structure caissonnée a l'avantage d'avoir une bonne rigidité tout en ayant une hauteur réduire par rapport à un plancher métallique classique. Il permet donc de gagner de l'espace dans la cabine ou dans la soute de l'aéronef. En outre, la surface inférieure de ce plancher étant continue et uniforme, le système de câblage est simplement installé sous le plancher. Du fait du gain de place par la hauteur même du plancher, il n'est pas nécessaire que ce système de câblage chemine dans l'épaisseur même du plancher, ce qui offre une installation simple et un remplacement aisé des différents câblages. REVENDICATIONS1- Plancher pour véhicule de transport, apte à être fixé sur une structure d'encadrement verticale (30) dudit véhicule, caractérisé en ce qu'il comporte : - une structure horizontale caissonnée (10) comprenant une pluralité de caissons (13) positionnés les uns à coté des autres et formant une surface supérieure (14) et une surface inférieure (15) continues et uniformes, la surface supérieure (14) étant recouverte d'une peau supérieure (11) et la surface inférieure étant recouverte d'une peau inférieure (12), et - des moyens de fixation (20) pour fixer latéralement la structure caissonnée (10) sur la structure d'encadrement (30). 2 û Plancher selon la revendication 1, caractérisé en ce que la structure caissonnée (10) est en matériaux composites. 3 û Plancher selon l'une quelconque des revendications 1 et 2, caractérisé en ce que les moyens de fixation (20) comportent une poutre (21) longitudinale de reprise de la structure caissonnée et des ferrures (22) de liaison de la poutre sur la structure d'encadrement. 4 û Plancher selon la revendication 3, caractérisé en ce que la poutre longitudinale (21) a un profilé en C. û Plancher selon la revendication 3 ou 4, caractérisé en ce que la poutre longitudinale (21) est réalisée dans un matériau composite. 6 û Plancher selon l'une quelconque des revendications 3 à 5, caractérisé en ce que les ferrures (22) assurent des liaisons pivots entre la structure caissonnée (10) et la structure d'encadrement (30). 7 û Plancher selon l'une quelconque des revendications 3 à 6, caractérisé en ce que les ferrures (22) sont réalisées dans un matériau composite.8 û Plancher selon l'une quelconque des revendications 3 à 7, caractérisé en ce que les moyens de fixation (20) comportent des bielles (23) de support verticales. 9 û Procédé de fabrication d'un plancher pour véhicule de transport selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comporte les opérations suivantes : - fabrication de caissons (13) en matériaux composites, - assemblage des caissons (13) les uns à coté des autres, cet assemblage formant au moins une surface supérieure (14) continue et uniforme, - application d'une peau supérieure (11) et d'une peau inférieure (12) en matériaux composites sur les caissons ainsi assemblés, - solidarisation des caissons et des peaux supérieure et inférieure pour former une structure caissonnée (10), - installation de la structure caissonnée (10) dans au moins une poutre longitudinale (21) à profil en C, - fixation des poutres longitudinales sur la structure d'encadrement verticale (30) du véhicule. 10 û Aéronef, caractérisé en ce qu'il comporte un plancher selon l'une quelconque des revendications 1 à 8.