Brevet FR2980451A1 — publié le 20130329

PROCÉDÉ D'OPTIMISATION DE LA TENUE MECANIQUE D'UN CAISSON DE STRUCTURE AUTONOME ET CAISSON DE MISE EN OEUVRE DESCRIPTION DOMAINE TECHNIQUE [0001]L'invention se rapporte à un procédé d'optimisation de la tenue mécanique d'un caisson d'une structure autonome, en particulier d'une structure d'avion de type panneau. L'invention se rapporte également à un caisson central de structure d'avion mettant en oeuvre d'un tel procédé. [0002]Les éléments constitutifs d'une structure autonome, en particulier d'un panneau d'architecture d'avion, peuvent généralement être soumis à deux types de sollicitation : - des sollicitations mécaniques appliquées dans le plan du panneau : ces sollicitations mécaniques génèrent des contraintes de traction, compression ou de cisaillement dans le panneau ; on parle alors de sollicitations « en membrane » ; - des sollicitations hors structure appliquées sensiblement perpendiculairement au panneau telles que celles produite par la pression de cabine, le remplissage carburant, le crash carburant, etc. ; on parle alors de sollicitations « hors plan ». [0003]L'invention s'applique en particulier à un caisson de structure d'avion qui subit une sollicitation importante au niveau de son longeron avant en cas de crash carburant. De manière plus générale, la présente invention s'applique à toute structure autonome dont le chargement hors plan - en d'autres termes en pression - est dimensionnant par rapport au chargement en membrane. ÉTAT DE LA TECHNIQUE [0004]Un caisson de structure est composé de panneaux et longerons, avec un longeron « avant » généralement soumis à des sollicitations importantes hors plan. De plus, des sollicitations mécaniques en membrane sont habituellement appliquées à de telles structures. La tenue mécanique du longeron avant, soumis à des sollicitations mécaniques de deux natures très différentes, est alors liée à l'agencement des raidisseurs ou des poutres sur le caisson. Le rôle de ces éléments est d'assurer des conditions de stabilité pour chaque maille du longeron et éviter ainsi le flambage du panneau. [0005]L'optimisation d'un tel panneau ou longeron doit pouvoir alors prendre en compte les deux types de sollicitations ci-dessus - membrane et hors plan - par un compromis entre les solutions optimales correspondant à ces deux types. Ce compromis est donc à déterminer entre la solution optimale pour une sollicitation en membrane et la solution optimale pour une sollicitation hors plan. [0006]L'état de la technique détermine alors un nombre optimal de raidisseurs et leurs positions sur le longeron avant du caisson afin de satisfaire aux deux types de sollicitation, membrane et hors plan. Dans le cas des 15 sollicitations hors plan, les raidisseurs sont généralement soumis à des contraintes de compression importantes. Ils sont alors dimensionnés par un niveau d'allongement maximal pour satisfaire au critère de tolérance aux dommages. 20 EXPOSÉ DE L'INVENTION [0007]L'invention vise à améliorer le compromis évoqué ci-dessus, obtenu par la prise en compte des deux types de sollicitation. Pour ce faire, l'invention propose de s'affranchir de la sollicitation hors plan. [0008]Plus précisément, la présente invention a pour objet un procédé 25 d'optimisation de la tenue mécanique d'un caisson d'une structure autonome comportant un longeron avant, ce longeron étant sollicité en membrane et hors plan. Le procédé consiste à optimiser la tenue mécanique du caisson en protégeant les zones du longeron avant, mises en compression sous une sollicitation hors plan, par un renforcement anti-crash dans ces zones. Ainsi, le 30 chargement mécanique hors plan n'est plus dimensionnant par rapport au chargement en membrane : il est alors fait quasiment abstraction de la sollicitation en pression afin de permettre une optimisation de la sollicitation mécanique en membrane du longeron avant. [0009]Dans ces conditions, un gain en masse peut généralement être réalisé car le compromis entre les deux types de sollicitation mécaniques n'est plus recherché. Le longeron avant travaille alors à son niveau de contrainte admissible maximal. [0010]Selon des modes de réalisation, le renforcement peut être réalisé par une protection additionnelle anti-crash dans lesdites zones du longeron avant mises en compression ou par un usinage sinusoïdal du longeron avant, augmentant le taux de raidissement du longeron dans lesdites zones du longeron avant mises en compression. [0011]L'invention se rapporte également à un caisson d'une structure autonome comportant un longeron avant. Ce longeron comporte une série de raidisseurs parallèles en face interne, horizontaux en mode d'utilisation conventionnelle. Ces raidisseurs sont munis de renforts anti-crash dans des zones potentielles d'impact sur chant où les raidisseurs sont mis en flexion pour la sollicitation hors plan. Dans ces conditions, les chants de ces raidisseurs sont donc protégés dans les zones où ils sont soumis aux plus fortes contraintes en compression. [0012]Selon certains modes de réalisation préférés : - des piquets verticaux sont agencés parallèlement, avec un pas constant, et verticalement en mode d'utilisation conventionnelle sur la face avant du longeron ; - les renforts sont des cavaliers de protection d'impact montés sur les raidisseurs selon une répartition, en particulier régulière, entre les piquets verticaux agencés sur la face opposée interne du longeron ; - les renforts sont formés par un usinage sinusoïdal des raidisseurs du longeron avant, formant des noeuds et des ventres de raidisseurs parallèles et horizontaux. Les ventres, c'est à dire les zones où les raidisseurs présentent une hauteur maximale, sont positionnés entre les piquets verticaux. Les noeuds, c'est à dire les zones où la hauteur des raidisseurs est minimale, sont positionnés au niveau de ces piquets. - les raidisseurs sont répartis selon un pas variable, déterminé par le chargement en flexion et cisaillement lié à une sollicitation mécanique de type membrane. PRÉSENTATION DES FIGURES [0013]D'autres données, caractéristiques et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture de la description non limitée qui suit, en référence aux figures annexées qui représentent, respectivement : - la figure 1, une vue perspective schématique d'un avion vu partiellement en transparence ; - la figure 2, une vue perspective du caisson central d'une structure d'aile d'avion ; - les figures 3a et 3b, des vues supérieure et perspective d'un exemple de longeron de caisson selon l'invention ; - les figures 4a et 4b, des vues en coupe et en perspective d'un cavalier de longeron de caisson selon l'invention ; et - les figures 5a et 5b, des vues supérieure et en perspective d'un longeron à raidisseurs usinés selon un profil sinusoïdal selon un autre exemple de l'invention. DESCRIPTION DETAILLÉE [0014]Les termes « supérieur », « inférieur », « vertical » et « avant », ainsi que leurs dérivés, se réfèrent aux positionnements relatifs d'éléments dans un avion en utilisation conventionnelle. Sur les figures, des signes de référence identiques renvoient aux mêmes éléments avec les mêmes fonctions. [0015]La figure 1 illustre schématiquement, et partiellement en transparence, un avion 1 muni d'ailes 2a, 2b. Les ailes sont équipées de nervures 3 sensiblement parallèles à l'axe X'X du fuselage 5 de l'avion 1 et de poutres 4a, 4b qui s'étendent le long de chaque aile. Les poutres se composent de longerons avant 10 et arrière 12, ainsi que de panneaux intrados 11 et extrados 13 (partiellement écorchés), Les panneaux et longerons des poutres 4a et 4b considérés entre deux nervures 3 constituent des caissons latéraux de voilure 21. Les caissons latéraux de voilure 21, situés de part et d'autres du fuselage, sont reliés entre eux par un caisson central de voilure 20. [0016] Les ailes 2a, 2b, sont l'objet d'efforts mécaniques importants : entre autres, des efforts tranchant verticaux de flexion sont principalement transmis aux longerons 10 et 12, et des moments de flexion sont également transmis aux panneaux intrados 11 et extrados 13. [0017]Ainsi, les moments de flexion appliqués aux ailes sont transmis aux panneaux 11, 13 qui sont ainsi chargés principalement en compression et traction. Ces panneaux 11 et 13 sont également soumis à des contraintes de cisaillement dues au moment de torsion appliqué aux ailes. Les longerons 10 et 12 quant à eux sont principalement chargés par les efforts tranchants verticaux appliqués aux ailes. Ils sont donc soumis à des contraintes de compression, traction et cisaillement. [0018] En référence à la vue perspective de la figure 2, le caisson central comporte une portion 10p du longeron avant 10, muni de piquets 14 positionnés verticalement en utilisation conventionnelle. Il comporte également 20 une portion 12p de longeron arrière 12 et, respectivement, des portions 11p et 13p des panneaux intrados 11 et extrados 13. Ces panneaux sont formés de parois minces et galbées constituant un revêtement. Des bras de renfort 22 sont disposés en entretoise dans le caisson 20. [0019]Le longeron avant 10p du caisson central 20 fléchit lorsqu'il est soumis à un effort tranchant vertical. La flexion se traduit par une charge principale en compression ou traction (flèches F1), dans la zone du longeron Zb proche du panneau extrados 13, et par une charge de sens inverse en traction ou compression (flèches F2) dans une zone du longeron Za proche du panneau intrados 11. [0020]A ces contraintes de traction et compression, se superposent des contraintes de cisaillement (flèches F3), ces contraintes étant prédominantes dans la zone centrale Zc du longeron, c'est à dire là où les contraintes de compression et traction sont faibles. [0021] Sur la vue supérieure du longeron 10p de la figure 3a, la face avant 10a et la face opposée ou interne au caisson 10i apparaissent. Une série de raidisseurs horizontaux et parallèles 30 sont formés sur la face interne 10i (comme cela apparaît mieux sur la vue en perspective de la figure 3b). Les piquets verticaux 14 sont répartis régulièrement sur la face avant 10a du longeron 10p. [0022] Le longeron avant 10p du caisson central 20 est également soumis à des efforts hors plan, comme pour le cas de crash carburant par exemple. Ce cas correspond à des efforts de pression appliqués au longeron avant 10p directement par le carburant contenu dans le caisson 20. Ces efforts de pression se traduisent par une mise en flexion du longeron avant 10p, les piquets verticaux 14 apportant généralement une condition d'appui aux mailles du longeron 10p. De part et d'autres des piquets verticaux 14, les raidisseurs sont alors soumis à des contraintes de flexion importantes. [0023]Chaque raidisseur 30 est muni de cavaliers anti-crash 50 localisés entre les piquets 14, afin de protéger le chant du raidisseur 30 dans la zone où il est particulièrement sollicité en compression en cas de crash (efforts hors plan). [0024]Des renforts anti-crash, constitués dans l'exemple illustré par des cavaliers de protection d'impact 50, sont montés sur les raidisseurs 30 selon une répartition régulière, entre les piquets verticaux 14 agencés sur la face avant 10a du longeron 10p. [0025] Les sollicitations hors plan telles que le crash carburant, peuvent générer des contraintes de compression importantes dans les raidisseurs de telle sorte que ceux-ci soient dimensionnés par le critère de tolérance aux dommages. Le renforcement des raidisseurs à l'aide de cavaliers de protection 50 permet de protéger ceux-ci du cas des impacts, rendant ainsi les cas de sollicitations mécaniques hors plan non critiques. Ainsi, le longeron 10 peut alors être optimisé en termes de nombre et position des raidisseurs 30 sans tenir compte des sollicitations hors plan. [0026]Sur la figure 3b, les cavaliers 50 apparaissent sur la face interne 10i du longeron 10p tels que répartis sur chaque raidisseur 30 et sur l'ensemble des raidisseurs 30. Cet ensemble est constitué ici d'une série de quatre raidisseurs parallèles de pas constant. [0027]Avantageusement, le pas des raidisseurs 30 peut être adapté pour répondre aux sollicitations en flexion du longeron, se traduisant par des flambages dans les zones Za et Zb et Zc à cause des contraintes de compression et cisaillement. Le longeron est alors parfaitement optimisé pour reprendre les sollicitations mécaniques en membrane sans pour autant être critique du point de vues des sollicitations hors plan. [0028]De manière plus détaillée, un cavalier 50 en liaison avec la face interne 10i du longeron 10p est illustré en vue en coupe et perspective sur les figures 4a et 4b. Sur ces figures, faisant apparaître la face avant 10a et les piquets 14 en transparence, le cavalier 50 présente deux faces parallèles et horizontales 50a, sensiblement trapézoïdales, reliées par une face verticale 50v. Le cavalier 50 est fixé sur le raidisseur 30 par tout moyen, par exemple des rivets 7. [0029]En variante, les renforts anti-crash peuvent être formés par un usinage sinusoïdal des raidisseurs de la face interne 10i du longeron 10p comme illustré par les vues supérieures et en perspective des figures 5a et 5b. L'usinage sinusoïdal réalise des raidisseurs sinusoïdaux 31 par la formation de ventres 51, positionnés entre les piquets verticaux 14, et de noeuds 15 formés au droit des piquets verticaux 14. Les ventres 51 agissent comme renforts anti-crash dans les zones de compression Za et Zb. [0030]L'invention n'est pas limitée aux exemples de réalisation décrits et représentés. Ainsi, l'invention s'applique à toute structure autonome qui est exposée à des efforts, combinant des sollicitations en membrane et des sollicitations hors plan, Entre autres, elle peut s'appliquer aux bateaux, locomotives, véhicules etc. En particulier, l'invention n'est pas limitée aux caissons centraux des avions mais peut s'appliquer à tous les caissons de la voilure. De plus, les empennages d'avion sont en général constitués d'éléments de type caisson. REVENDICATIONS1. Procédé d'optimisation de la tenue mécanique d'un caisson (20, 21) d'une structure autonome (1) comportant un longeron avant (10p), ce longeron étant sollicité en membrane et hors plan, caractérisé en ce qu'il consiste à optimiser la tenue mécanique du caisson (20, 21) en protégeant les zones du longeron avant (Za, Zb), mises en compression sous une sollicitation hors plan, par un renforcement anti-crash (50, 51) dans ces zones (Za, Zb). 2. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le renforcement est réalisé par une protection additionnelle anti-crash (50) dans lesdites zones du longeron avant mises en compression (Za, Zb). 3. Procédé selon la revendication 1, dans lequel le renforcement est réalisé par un usinage sinusoïdal (15, 51) du longeron avant (10p) augmentant le taux de raidissement du longeron dans lesdites zones du longeron avant mises de compression (Za, Zb). 4. Caisson d'une structure autonome comportant un longeron avant apte à mettre en oeuvre le procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que le longeron avant (10p) comporte une série de raidisseurs parallèles (30, 31) en face interne (10i), horizontaux en mode d'utilisation conventionnelle, ces raidisseurs (30, 31) étant munis de renforts anti-crash (50, 51) dans des zones potentielles d'impact sur chant où les raidisseurs sont mis en flexion pour la sollicitation hors plan. 5. Caisson selon la revendication précédente, dans lequel des piquets verticaux (14) sont agencés parallèlement, avec un pas constant, et verticalement en mode d'utilisation conventionnelle sur la face avant (10a) du longeron (10p). 6. Caisson selon la revendication précédente, dans lequel les renforts sont des cavaliers de protection d'impact (50) montés sur les raidisseurs (30) selon une répartition entre les piquets verticaux (14) agencés sur la face opposée interne (10i) du longeron (10p). 7. Caisson selon la revendication 5, dans lequel les renforts sont formés par un usinage sinusoïdal de la face interne (10i) du longeron (10p) 2 98045 1 10 formant des noeuds (15) et des ventres (51) de raidisseurs (31) parallèles et horizontaux, les ventres (51) étant positionnés entre les piquets verticaux (14) et les noeuds (15) en regard de ces piquets. 8. Caisson selon l'une quelconque des revendications 5 à 7, dans 5 lequel les raidisseurs (30, 31) sont répartis selon un pas variable, déterminé par le chargement en flexion et cisaillement lié à une sollicitation mécanique de type membrane.