Brevet FR2983772A1 — publié le 20130614

PAROI EN MATERIAU COMPOSITE RENFORCEE DE MANIERE A LIMITER LA PROPAGATION D'UNE CRIQUE SELON UNE DIRECTION La présente invention se rapporte à une paroi en matériau composite renforcée de manière à limiter la propagation d'une crique selon une direction donnée. Pour limiter l'impact des nuisances sonores des aéronefs, des techniques ont été développées pour réduire le bruit, notamment en disposant, au niveau de 5 certaines parois, des panneaux ou revêtements visant à absorber une partie de l'énergie sonore, notamment en utilisant le principe des résonateurs d'Helmholtz. Ce type de panneau comprend de l'extérieur vers l'intérieur une couche poreuse acoustiquement résistive, au moins une structure alvéolaire et une paroi réflectrice ou imperméable. En variante, le panneau peut comprendre plusieurs 10 structures alvéolaires superposées entre lesquelles sont prévues des couches poreuses acoustiquement résistives. Les cellules de la ou des structure(s) alvéolaire(s) sont dimensionnées pour assurer un traitement acoustique optimisé. Par couche, on entend une ou plusieurs couches de même nature ou non. Selon un mode de réalisation, la structure alvéolaire se présente sous la forme 15 d'un nid d'abeilles en matériau composite. La paroi réflectrice peut être en matériau composite et obtenue par drapage de fibres noyées dans une matrice de résine. La structure acoustiquement résistive est une structure poreuse ayant un rôle dissipatif, transformant partiellement l'énergie acoustique de l'onde sonore la 20 traversant en chaleur. Elle comprend des zones dites ouvertes susceptibles de laisser passer les ondes acoustiques et d'autres dites fermées ou pleines ne laissant pas passer les ondes sonores mais destinées à assurer la résistance mécanique de ladite couche. Cette couche acoustiquement résistive se caractérise notamment par un taux de surface ouverte qui varie essentiellement en fonction du moteur, des composants constituant ladite couche. Généralement, la structure acoustiquement résistive comprend au moins une 5 couche poreuse et au moins une structure de renfort. La couche poreuse doit permettre de rendre le traitement acoustique linéaire et de piéger les ondes acoustiques dans les cellules Helmholtz formées par la structure alvéolaire. Selon un mode de réalisation, la couche poreuse est un tissu métallique, 10 notamment un grillage métallique avec des fils métalliques ayant un diamètre de l'ordre de 0,1 mm. Selon un avantage, ce tissu métallique est un excellent conducteur pour la foudre balayante. Selon une contrainte, ce grillage métallique en contact avec les flux d'air ne doit 15 pas générer des aspérités trop importantes si bien que le diamètre des fils est limité et inférieur à 0,1 mm voire 0,2 mm. Au-delà, les fils du grillage génèreraient des aspérités rédhibitoires sur le plan aérodynamique. Selon un point important, le grillage métallique est collé sur une partie de sa surface aux autres couches de la structure acoustiquement résistive. 20 La structure de renfort se présente sous la forme d'une plaque en matériau composite ou métallique dans laquelle sont ménagés des orifices de section plus ou moins importante. Selon un mode de réalisation, la structure de renfort se présente sous la forme d'une tôle avec des perforations oblongues, rondes. Selon l'art antérieur, la couche poreuse et la structure de renfort sont réalisées 25 indépendamment l'une de l'autre et sont simplement reliées par collage de manière à être plaquées l'une contre l'autre. Les panneaux pour le traitement acoustique sont de plus en plus performants sur le plan acoustique. Ils sont extrêmement résistants, pour certaines sollicitations comme par exemple les efforts de compression selon la direction transversale (direction perpendiculaire aux couches), de traction selon une direction longitudinale (direction contenue dans le plan des couches). Toutefois, ces panneaux ne sont pas résilients et peuvent casser en cas de choc. Enfin, à partir d'une zone d'endommagement localisée, des criques peuvent se propager selon une trajectoire non contrôlée. Aussi, dans les conditions normales d'utilisation, les panneaux pour le traitement acoustique donnent satisfaction. Cependant, en cas d'incident, si la structure de l'aéronef à laquelle est relié le panneau acoustique tend à se déformer, les contraintes supportées par le panneau peuvent provoquer l'apparition de fissures ou criques qui, si les chargements sont suffisamment sévères, peuvent se propager entrainant ainsi la dislocation du panneau en plusieurs parties. Si dans cette situation, le traitement acoustique devient secondaire, il est important que la structure de l'aéronef soit la moins endommagée possible afin de lui permettre d'atteindre sa destination finale. Cette problématique peut être généralisée à toutes les parois en matériau composite d'un aéronef comme par exemple celles formant le fuselage. Comme pour le panneau pour le traitement acoustique, il est important de limiter la propagation d'une crique selon une direction donnée afin que la structure de l'aéronef soit la moins endommagée possible et puisse permettre à l'aéronef de poursuivre sa mission. Selon une problématique plus précise, les pièces en matériau composite d'un aéronef ayant des sections dans un plan transversal avec un pourtour fermé, comme par exemple un tronçon d'un fuselage, un panneau pour le traitement acoustique d'une entrée d'air, un tronçon d'une aile, ont une structure avec des renforts orbitaux qui limitent la propagation des criques selon une direction perpendiculaire au plan transversal. Cependant, ces pièces en matériau composite ont une faible rentabilité par rapport à la masse pour limiter les risques de propagation d'une crique dans un plan transversal qui peut alors s'étendre sur toute la circonférence. Aussi, la présente invention vise à remédier aux inconvénients de l'art antérieur en proposant une paroi en matériau composite renforcée de manière à limiter la 5 propagation d'une crique selon une direction donnée sans toutefois trop impacter la masse embarquée de l'aéronef. A cet effet, l'invention a pour objet une paroi en matériau composite comprenant au moins deux couches de fibres noyées dans une matrice en résine, une crique étant susceptible de se propager dans ladite paroi selon une direction de 10 propagation, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un renfort métallique, longiligne, orienté selon une direction sécante à la direction de propagation, intercalé entre deux couches de fibres de la paroi. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui va suivre de l'invention, description donnée à titre d'exemple uniquement, en regard 15 des dessins annexés sur lesquels - la figure 1 est une coupe selon un plan transversal d'un panneau pour le traitement acoustique, - la figure 2 est un schéma illustrant une plaque en matériau composite de référence, 20 - la figure 3A est un schéma illustrant une plaque en matériau composite renforcée avec des plis de fibres supplémentaires dans laquelle s'est propagée une crique, - la figure 3B est un schéma illustrant une plaque en matériau composite renforcée avec des renforts sous forme de bande en Kevlar dans laquelle 25 s'est propagée une crique, - la figure 3C est un schéma illustrant une plaque en matériau composite renforcée avec des renforts métalliques selon l'invention qui ont permis de dévier la propagation d'une crique, - la figure 4 représente des courbes d'essais de traction sur des plaques selon une direction parallèle aux renforts respectivement sans renfort, avec des plis supplémentaires, avec des renforts en Kevlar et avec des renforts métalliques, - la figure 5 représente des courbes d'essais de traction sur des plaques selon une direction perpendiculaire aux plaques respectivement sans renfort, avec des plis supplémentaires, avec des renforts en Kevlar et avec des renforts métalliques, - les figures 6A à 6G sont des vues latérales de renforts selon différentes variantes de l'invention, - la figure 7 est une coupe du renfort illustré sur la figure 6B selon la ligne de coupe VII-VII, - la figure 8 est une représentation en perspective d'un panneau pour le traitement acoustique d'une entrée d'air d'une nacelle d'aéronef illustrant l'implantation des renforts, - la figure 9 est une coupe transversale du panneau de la figure 8, et - la figure 10 est une coupe transversale d'une paroi selon l'invention. Sur la figure 1, on a représenté un panneau pour le traitement acoustique 10 comportant de l'extérieur vers l'intérieur une couche poreuse acoustiquement résistive 12, au moins une structure alvéolaire 14 et une paroi réflectrice ou imperméable 16. La couche acoustiquement résistive 12 et la structure alvéolaire 14 ne sont pas plus décrites car elles sont connues de l'homme de métier et peuvent être réalisées de la même manière que celles des panneaux pour le traitement acoustique selon l'art antérieur. La couche acoustiquement résistive 12 et la structure alvéolaire 14 peuvent être en matériau composite. La paroi réflectrice 16 est en matériau composite. Elle comprend au moins deux couches de fibres 18, 18' orientées parallèlement au plan du panneau et noyées dans une matrice en résine. Selon un mode de réalisation, la paroi réflectrice 16 comprend au moins deux couches de fibres 18, 18' tissées ou non tissées, pré-imprégnées ou non, les couches étant drapées les unes sur les autres. La paroi peut comprendre plus de deux couches de fibres. Comme illustré sur la figure 10, les couches 18, 18' peuvent se croiser ou être entrelacées. Selon un mode de réalisation, ces fibres peuvent être en carbone. A titre 10 d'exemple, pour donner un ordre de grandeur, les fibres de carbone ont un diamètre compris entre 0,005 mm et 0,015 mm soit une section inférieure à 0,0002 mm2. L'invention est applicable à tout type de fibres : fibres courtes ou fibres longues. 15 Cette paroi 16 est susceptible d'être soumise à des contraintes susceptibles de faire apparaitre une crique également appelée fissure. Par crique, on entend la rupture d'au moins un pli. Elle est appelée crique traversante lorsqu'elle traverse de manière droite ou oblique la totalité de l'épaisseur. 20 Compte tenu des contraintes, une crique peut se propager selon une direction appelée direction de propagation. Selon l'invention, la paroi 16 comprend au moins un renfort métallique 20, longiligne, disposé de manière sécante à la direction de propagation de la crique et intercalé entre deux couches de fibres 18, 18'. Le ou les renforts 20 peuvent 25 être disposés entre des couches parallèles entre elles comme illustré sur la figure 1 ou intercalés entre des couches qui se croisent et qui passent pardessus/par-dessous les renforts, comme illustré sur la figure 10. Le renfort est métallique en raison des propriétés ductiles des métaux qui peuvent plus se déformer avant de se rompre que des fibres. Ainsi, le matériau utilisé pour le renfort doit avoir un allongement à la rupture supérieur de 50% à celui des fibres. Par métal, on englobe aussi les alliages métalliques et les nanotechnologies à matrice métallique. Par longiligne, on entend que le renfort a une dimension nettement plus grande que les autres dimensions. Comme illustré sur les figures 6F et 6G, le renfort n'est pas forcément rectiligne mais peut avoir un profil courbe comme par 10 exemple des ondulations. Pour la suite de la description, on entend par direction longitudinale X la direction correspondant à la plus grande dimension du renfort, à savoir sa longueur. Lorsque le renfort n'est pas rectiligne, la direction longitudinale en un point 15 donné correspond à la direction de la tangente au renfort au point donné. Par plan transversal, on entend un plan perpendiculaire à la direction longitudinale. Selon un point important de l'invention, le renfort métallique 20 doit avoir des formes lui permettant d'être immobilisé entre les couches de fibres 18, 18' 20 lorsqu'un effort de traction est exercé à l'une de ses extrémités et de ne pas se déchausser. A cet effet, comme illustré sur les figures 6A à 6E, le renfort 20 n'a pas une section constante, cette dernière variant selon la direction longitudinale. En variante, comme illustré sur les figures 6F et 6G, le renfort 20 a un profil non 25 rectiligne selon la direction longitudinale mais décrit par exemple des ondulations. En variante, comme illustré sur la figure 6G, le renfort 20 comprend des points de fixation 22 pour le relier à au moins une des couches 18, 18' adjacentes. Le fait que le renfort métallique 20 a des formes lui permettant d'être immobilisé entre les couches de fibres 18, 18' lorsqu'un effort de traction est exercé à l'une de ses extrémités, permet de limiter l'adhérence entre le renfort 20 et les couches 18, 18' adjacentes. De manière optimale, la surface extérieure du renfort 20 n'adhère pas aux couches 18, 18' adjacentes. Cette caractéristique favorise la déviation de la crique qui tend à se propager selon la direction du renfort 20. Selon l'invention, les couches de fibres 18, 18' de part et d'autre du renfort métallique 20 sont liées en dehors des surfaces recouvertes par le renfort. Ainsi, la matrice dans laquelle sont noyées les fibres des couches et le ou les renforts métallique(s) est continue de part et d'autre du ou des renfort(s) 20 et polymérisée lors d'une même phase de polymérisation. La paroi ne comprend pas de part et d'autre du plan du ou des renfort(s) deux matrices distinctes assemblées. Avantageusement, le renfort 20 se présente sous la forme d'une bande, comme illustré sur les figures 6A à 6E et 7. Cette caractéristique permet à section constante pour le renfort d'avoir une épaisseur réduite pour un renfort en forme de bande par rapport à un renfort en forme de tige cylindrique. Il est possible de prévoir une bande avec une épaisseur de 0,5 mm et une largeur de l'ordre de 0,7 mm, ce qui correspond à une section de 0,35 mm2. Pour obtenir la même section, un renfort cylindrique doit avoir un diamètre de l'ordre de 0,65 mm. Le fait de prévoir un renfort sous forme de bande permet de limiter les surépaisseurs et donc les risques de casser les fibres des couches adjacentes. Selon un autre avantage, le fait de prévoir un renfort sous forme d'une bande 25 permet de limiter les risques de cisaillement des fibres par rapport à un renfort avec une section circulaire qui peut se comporter comme un fil à découper. Selon un mode de réalisation préféré illustré sur les figures 6A et 6E, le renfort 20 se présente sous la forme d'une bande de métal avec des évidements 24 avec une largeur inférieure à celle du renfort et disposés de manière symétrique par rapport à l'axe médian longitudinal de la bande. Ces évidements définissent au niveau de la bande deux montants 26, 26' disposés au niveau des bords longitudinaux de la bande (parallèles à la direction longitudinale), reliés par des traverses 28. Au niveau des évidements, les couches 18 et 18' adjacentes sont noyées dans la même matrice. Pour donner un ordre de grandeur, un renfort a une largeur de l'ordre de 30 mm, comme illustré sur les figures 6A et 6B, de l'ordre de 20 mm comme illustré sur les figures 61) et 6E ou de l'ordre de de 10 mm comme illustré sur la figure 6C. Les montants 26, 26' peuvent avoir la même largeur ou non. La largeur des montants peut varier de 2 à 10 mm. Les évidements 24 peuvent être régulièrement espacés comme illustré sur les figures 6A à 6C et 6E, ou avoir entre eux des espacements différents comme illustré sur la figure 61). Les évidements 24 peuvent avoir une dimension L1 selon la direction longitudinale identique à ou au plus égale à 2 fois la dimension L2 selon la direction transversale comme illustré sur les figures 6B, 61), 6E. En variante, comme illustré sur les figures 6A et 6C, la dimension L1 des évidements est supérieure ou égale à 2 fois la dimension L2. Enfin, les montants 26, 26' et les traverses 28 peuvent avoir des largeurs sensiblement identiques comme illustré sur les figures 6A à 6C, ou certaines traverses 28 ont une largeur nettement supérieure à celle des montants comme illustré sur les figures 61) et 6E. Selon un mode de réalisation préféré, un renfort 20 métallique a une largeur de l'ordre de 30 mm, une épaisseur de l'ordre de 0,5 mm, les montants et les traverses ont une largeur de l'ordre de 2 à 4 mm, les évidements sont régulièrement espacés et ont une dimension L1 de 30 à 35 mm et une dimension L2 de l'ordre de 25 mm. Comme illustré sur les figures 8 et 9, dans le cas d'une paroi réflectrice 16 d'un panneau pour le traitement acoustique 10 en forme de portion d'un tube avec un axe 30, il convient de prévoir des renforts 20 orientés parallèlement à l'axe 30, répartis sur la circonférence, de préférence de manière régulière. Avantageusement, dans le cas d'une paroi cylindrique d'une entrée d'air, il convient de prévoir 12 à 35 renforts répartis de manière régulière sur la périphérie qui forment entre eux un angle variant de 10 à 30° approximativement. Avantageusement, il convient de prévoir 16 à 18 renforts. bans le cas d'une paroi d'un fuselage pressurisé, il convient non seulement de limiter la propagation d'une crique, mais aussi d'assurer l'étanchéité de la paroi. bans ce cas, les renforts sont disposés de manière plus rapprochée et forment entre eux un angle variant de 2 à 10° approximativement. be manière plus générale, dans le cas d'une paroi en matériau composite d'un aéronef ayant des sections dans des plans parallèles avec un pourtour fermé, comme par exemple le fuselage ou une aile, les renforts sont disposés entre les couches de la paroi et orientés selon une direction perpendiculaire aux plans de section. Lorsqu'ils sont intégrés dans une paroi dans laquelle peut se propager une crique selon une direction de propagation, les renforts 20 sont espacés d'une distance supérieure ou égale à 5 fois la largeur du renfort selon la direction de propagation. be préférence, ils sont orientés perpendiculairement à la direction de propagation qui doit être évitée en priorité. Sur la figure 2, on a représenté une éprouvette 32 sous forme d'une plaque en matériau composite, comprenant au moins deux couches de fibres. Cette éprouvette 32 comprend une crique 34 et est soumise à des efforts de traction 36, 36' disposés de part et d'autre de la crique 34 orientés en sens opposés, selon une direction perpendiculaire Z au plan de l'éprouvette, de manière à provoquer la propagation de la crique 34 selon une direction Y matérialisée par la flèche 38. L'éprouvette 32 de référence ne comprend aucun renfort et comprend une superposition de plis, par exemple 7 plis, certains plis ayant des fibres orientées selon la direction longitudinale, d'autres des fibres orientées à +ou- 45° par rapport à la direction longitudinale. Selon un mode de réalisation, les fibres sont en carbone et noyées dans une résine époxy. Sur la figure 3A, l'éprouvette 32' a été renforcée par l'ajout de plis de même nature. Ainsi, l'éprouvette 32' comprend 20% de plis supplémentaires, ce qui se 10 traduit par une augmentation de 20% de la masse de l'éprouvette. L'éprouvette 32' est soumise aux mêmes contraintes que l'éprouvette 32. Comme illustré sur la figure 3A, la crique tend à se propager selon la direction de propagation. Comme le montrent les courbes de la figure 4, le gain en traction selon la 15 direction longitudinale X est de 15% entre la courbe 40 qui correspond à l'éprouvette de référence 32 et la courbe 42 qui correspond à l'éprouvette 32'. Comme illustré sur la figure 5, le gain en traction selon la direction perpendiculaire Z est de 2% entre la courbe 44 qui correspond à l'éprouvette 32 et la courbe 46 qui correspond à l'éprouvette 32'. 20 Ainsi, malgré une augmentation de 20% en masse, on n'obtient qu'un gain de 2% concernant la limitation de la propagation de la crique qui se propage de manière identique à celle de l'éprouvette 32 sans renfort. Sur la figure 3B, l'éprouvette 32" a été renforcée par l'ajout de renforts 48 sous forme de bandes en Kevlar. Ainsi l'éprouvette 32" a une masse supérieure de 5% 25 par rapport à l'éprouvette de référence 32. Comme illustré sur la figure 3B, la crique tend à se propager selon la direction de propagation Y. Comme le montrent les courbes de la figure 4, le gain en traction selon la direction longitudinale X est de 15% entre la courbe 40 qui correspond à l'éprouvette de référence 32 et la courbe 50 qui correspond à l'éprouvette 32". Comme illustré sur la figure 5, le gain en traction selon la direction perpendiculaire Z est de 50% entre la courbe 44 qui correspond à l'éprouvette 32 et la courbe 52 qui correspond à l'éprouvette 32". Sur la figure 3C, l'éprouvette 32"' a été renforcée par l'ajout de renforts 54 métalliques selon l'invention, espacés selon la direction de propagation Y. L'éprouvette 32"' a une masse supérieure de 2% par rapport à l'éprouvette de référence 32. Comme illustré sur la figure 3C, la crique tend à se propager selon la direction de propagation Y jusqu'au renfort puis est déviée et tend à se propager selon la direction longitudinale X. Comme le montrent les courbes de la figure 4, le gain en traction selon la direction longitudinale X est de 30% entre la courbe 40 qui correspond à l'éprouvette de référence 32 et la courbe 56 qui correspond à l'éprouvette 32"'. Comme illustré sur la figure 5, le gain en traction selon la direction perpendiculaire Z est de 120% entre la courbe 44 qui correspond à l'éprouvette 32 et la courbe 58 qui correspond à l'éprouvette 32"'. Ainsi, comme le montre cet essai, la crique ne se propage pas selon la direction de propagation mais est déviée grâce aux renforts selon l'invention. De plus, on note pour l'éprouvette avec des renforts métalliques selon l'invention un gain très nettement supérieur par rapport aux autres éprouvettes avec un impact plus limité sur la masse. Les essais tendent à vaincre un préjugé de l'homme du métier qui tend à penser qu'à iso-masse, les matériaux composites ont des caractéristiques mécaniques supérieures aux métaux si bien que les éléments métalliques d'un aéronef sont remplacées par des éléments en matériau composite. REVENDICATIONS1. Paroi en matériau composite comprenant au moins deux couches de fibres (18, 18') noyées dans une matrice en résine, une crique étant susceptible de se propager dans ladite paroi selon une direction de propagation, caractérisée en ce qu'elle comprend au moins un renfort (20) métallique, longiligne, orienté selon une direction sécante à la direction de propagation, intercalé entre deux couches de fibres (18, 18') de la paroi. 2. Paroi en matériau composite selon la revendication 1, caractérisée en ce que le renfort est réalisé en un matériau ayant un allongement à la rupture supérieur de 50% à celui des fibres des couches. 3. Paroi en matériau composite selon la revendication 2, caractérisée en ce que le renfort métallique (20) a des formes lui permettant d'être immobilisé entre les couches de fibres (18, 18') lorsqu'un effort de traction est exercé à l'une de ses extrémités. 4. Paroi en matériau composite selon la revendication 3, caractérisée en ce que le renfort (20) a une section qui varie sur sa longueur. 5. Paroi en matériau composite selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce que le renfort (20) se présente sous la forme d'une bande intercalée entre les couches de fibres (18, 18'). 6. Paroi en matériau composite selon la revendication 5, caractérisée en 20 ce que le renfort (20) se présente sous la forme d'une bande de métal avec des évidements (24) avec une largeur inférieure à celle du renfort et disposés de manière symétrique par rapport à l'axe médian longitudinal du renfort. 7. Paroi en matériau composite selon la revendication 6, caractérisée en ce que le renfort a une largeur de l'ordre de 30 mm. 25 8. Paroi en matériau composite selon la revendication 6 ou 7, caractérisée en ce que le renfort a une épaisseur de l'ordre de 0,5 mm. 9. Paroi en matériau composite selon l'une quelconque des revendications 6 à 8, caractérisée en ce que les évidements (24) sont régulièrement espacés de l'ordre de 2 à 4 mm et ont une dimension selon la longueur du renfort de 30 à 35 mm et une dimension selon la largeur du renfort de l'ordre de 25 mm. 10. Paroi en matériau composite selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'elle comprend plusieurs renforts (20) espacés d'une distance supérieure ou égale à 5 fois la largeur des renforts selon la direction de propagation. 11. Paroi en matériau composite selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ladite paroi a des sections selon des plans parallèles décrivant un pourtour fermé et en ce qu'elle comprend des renforts répartis de manière régulière sur la périphérie du pourtour fermé qui forment entre eux un angle variant de 10 à 30° approximativement. 12. Paroi en matériau composite selon l'une quelconque des revendications 1 à 10, caractérisé en ce que ladite paroi a des sections selon des plans parallèles décrivant un pourtour fermé et en ce qu'elle comprend des renforts répartis de manière régulière sur la périphérie du pourtour fermé qui forment entre eux un angle variant de 2 à 10° approximativement.