Brevet FR3019606A1 — publié le 20151009

Système d'absorption d'énergie à organe en composite métallique déformable plastiquement La présente invention concerne le domaine des 5 systèmes d'absorption d'énergie à organe déformable plastiquement. De tels systèmes sont utilisés notamment pour les véhicules de transport. On connaît dans l'état de la technique des systèmes d'absorption d'énergie cinétique, ou absorbeurs de choc, qui 10 comprennent au moins un organe adapté à absorber de l'énergie par déformation plastique en cas de choc. Par exemple, pour la protection des occupants d'un véhicule automobile, train, bateau, etc., on connaît un système d'absorption constitué par un organe déformable plastiquement. 15 L'organe d'absorption est généralement un corps solide, et fréquemment un cylindre à paroi mince. Ce cylindre est conformé de manière à être écrasé axialement en cas de collision du véhicule. Du fait de la stabilité de la charge moyenne 20 d'écrasement ainsi que de l'importance de la course d'écrasement par unité de masse, de tels cylindres sont des éléments clés très intéressants pour quantifier la capacité à l'absorption. En revanche, leur comportement durant le processus d'écrasement est difficilement prévisible. La 25 déformation plastique de la paroi du tube peut se faire selon deux modes de déformation principaux: le mode dit axisymétrique (ou "concertina") et le mode non axisymétrique (nommé aussi "diamant"). Du fait des incertitudes sur le comportement en 30 écrasement axial des tubes durant le choc, il est très difficile de modéliser le comportement du véhicule en cas de choc en fonction de la vitesse. Par ailleurs, pour des applications demandant l'absorption d'une grande quantité d'énergie cinétique, par exemple dans le cas de trains et plus spécifiquement de trains à grande vitesse, l'encombrement de l'organe d'absorption devient trop important. Le but de la présente invention est de proposer un 5 système d'absorption d'énergie cinétique permettant notamment d'améliorer la capacité des tubes à absorber davantage l'énergie cinétique pendant le choc. L'invention concerne un organe tubulaire en composite métallique-métallique absorbant par déformation 10 plastique de l'énergie cinétique lors d'une sollicitation de cet organe, caractérisé par un traitement thermique spécifique appliqué uniquement sur la surface extérieure du tube. La zone surfacique traitée thermiquement prend différentes formes géométriques. Afin de comparer convenablement l'effet de forme 15 de cette zone traitée thermiquement à l'énergie absorbée, l'aire de cette zone est la même quelle que soit la forme géométrique choisie. Pour chaque cas, un pourcentage choisi de la surface extérieure est uniquement traitée. Avantageusement, ledit organe déformable est un 20 cylindre à paroi mince. Les cylindres peuvent présenter toutes sortes de sections, de formes et de longueurs initiales. Tous types de matériaux métalliques peuvent être utilisés en dehors des matériaux fragiles. La sollicitation s'exerçant sur le dispositif 25 amortisseur est bien entendu généralement une sollicitation de nature instantanée comme un choc, mais il peut également s'agir d'une sollicitation de nature progressive. Un système absorbeur d'énergie cinétique selon l'invention présente un coût relativement faible et il est 30 facile à adapter à un usage donné. Il peut trouver application pour tout type de véhicules de transport comme voitures, bateaux, avions, etc. Il est particulièrement intéressant dans le domaine du transport par train où les chocs subis sont quasi-35 systématiquement des chocs frontaux. L'incorporation d'organes d'absorption selon l'invention peut se faire facilement. Les trains à grande vitesse (T.G.V) pour lesquels l'énergie cinétique à absorber est particulièrement importante sont spécialement concernés par la présente invention. Un autre domaine d'application est celui des moyens de transport suspendus, tels qu'ascenseurs, téléphériques ou autres, dans lesquels l'invention peut servir d'amortisseur de choc en cas de chute accidentelle. Ce dispositif pourra être installé dans une partie inférieure du moyen de transport suspendu, entre un socle et un habitacle dans lequel se trouvent des personnes à protéger. Il peut être utilisé dans tout dispositif nécessitant une absorption d'énergie cinétique, y compris dans le domaine de la recherche, notamment en ce qui concerne 15 l'étude du comportement plastique des différents matériaux. L'invention sera mieux comprise à la lecture des schémas et photos annexés, correspondant à un mode de réalisation non limitatif, où : 20 - la figure 1 représente le système d'absorption d'énergie selon l'invention où toutes les configurations proposées sont photographiquement présentées. En effet, on prend en compte l'influence de la forme de zone traitée thermiquement thermique par la cémentation appliqué uniquement 25 sur la surface extérieure du tube. Pour cela, cinq différentes formes géométriques traitées thermiquement sont testées: trois différentes configurations avec des zones d'une forme d'anneau traitées thermiquement horizontalement (par rapport à l'axe du tube) : 2 anneaux (notée 3H), 4 anneaux (5H) et 6 anneaux 30 (7H), une configuration ayant 3 zones traitées verticalement (forme de trais, notée 3V) parallèle à l'axe du tube et enfin une zone traitée sous forme hélicoïdale avec un angle d'inclinaison de 45° (notée Hélico). Pour chaque cas, 15% de la surface extérieure est uniquement traitée. Techniquement, pour le traitement thermique des tubes fabriqués en acier doux, la cémentation est un procédé qui consiste à mettre les matériaux dans un four durant une période de 1h30 à une température de 860 degré, et ensuite à les mettre immédiatement dans un bac à huile afin de refroidir les tubes jusqu'à la température ambiante. - la figure 2 représente des histogrammes pour un dispositif montrant la charge moyenne d'écrasement ainsi que la charge maximale en fonction des cinq différentes formes géométriques traitées thermiquement; - les figures 3 et 4 sont des courbes représentant 15 la charge appliquée et l'énergie absorbée en fonction de la course d'écrasement pour les cinq formes géométriques traitées thermiquement. Initialement, tester la structure tubulaire en acier doux sans traitement thermique considérée comme référence à l'aide d'une 20 machine sous régime quasi-statique en compression uniaxiale. Tester, par la suite, les cinq différentes formes géométriques obtenues après le traitement thermique appliqué uniquement sur la surface extérieure du tube à l'aide d'une machine sous régime quasi-statique en compression uniaxiale. 25 Comparer la capacité dissipatrice d'énergie cinétique absorbée des systèmes et leur force moyenne selon les différents types de composite. Pour identifier le système d'absorption d'énergie optimal, le comportement des structures tubulaires soumises à 30 un écrasement en compression est étudié en vue d'optimiser les capacités dissipatrices d'énergie d'un système selon l'invention. Chaque configuration est associée à un moyen de charge. Le système permet de travailler en régime quasi- statique (sollicitation fournie par une presse) ou dynamique (sollicitation fournie par la chute d'un corps). Une première série de tests expérimentaux a permis de valider la capacité d'un dispositif à optimiser la 5 dissipation d'énergie par déformation plastique de structures tubulaires en composite métallique à la base d'acier doux. Les tubes utilisés sont de section circulaire, avec un paramètre il (le rapport entre le diamètre moyen du tube et l'épaisseur de sa paroi) de 19,5 et un longitudinal paramètre X - 10 (le rapport entre le diamètre moyen du cylindre et sa longueur initiale) de 0,2, correspondant à un diamètre de 38 mm, une épaisseur de 1 mm et une longueur initiale de 180 mm. Les figures 3 et 4 représentent la charge appliquée en fonction du déplacement axial, la figure 3 pour une vitesse 15 de sollicitation de 5mm/min. Chacune de ces figures montre également la courbe charge appliquée-déplacement axial pour un tube géométriquement identique mais qui est simplement traité comme dans l'état de la technique. Si on considère par exemple la figure 2, on 20 remarque en premier lieu un accroissement pour les configurations du traitement thermique selon l'invention de plus de l5kN de la charge moyenne et de plus de 26kN de la charge maximale. En outre, l'amplitude des oscillations au delà du premier pic d'élasticité est largement supérieure pour 25 la présente invention, ce qui prouve que le matériau est davantage résisté. Le mode de déformation est pratiquement mixte (partiellement concertina et partiellement diamant). Sur la figure 4 a été également représentée la quantité d'énergie absorbée en fonction de la longueur écrasée 30 pour les cinq configurations du traitement thermique selon l'invention. Les courbes correspondant s'éloignent vers le haut progressivement durant l'écrasement. A titre d'exemple, pour un écrasement de 80 mm, les énergies absorbées sont de 1,57 kJ pour le cas dit de référence (tube en acier doux sans être subi traitement thermique) et de 2,72 kJ pour la configuration de 4 anneaux (5H) selon l'invention donnant le gain d'énergie absorbée maximal de 73%, Le même constat peut être fait pour l'essai 5 représenté sur la figure 3. Les histogrammes de la figure 2 représentent la charge moyenne d'écrasement ainsi que la charge maximale en fonction des cinq différentes formes géométriques traitées thermiquement selon l'invention (2 (3H), 4 (5H) et 6 (7H) 10 anneaux, 3 zones verticales (3V) et Hélico (forme hélicoïdale avec un angle d'inclinaison de 45°)). Suite aux tests en compression pour une vitesse de sollicitation uniaxiale de 5 mm/min, le gain en force moyenne (et en force maximale) est fonction de la forme de zone traitée thermiquement: 65.3% 15 (56.6%), 77.7% (69.3%), 53.8% (72.8%), 66.3% (60.9%) et 37.8% (52.6%), respectivement pour 3H, 5H, 7H, Hélioc et 3V. REVENDICATIONS1 - Système d'absorption d'énergie à organe en composite métallique ayant un organe déformable absorbant par déformation plastique de l'énergie cinétique lors d'une sollicitation uniaxiale de compression, caractérisé en ce que ledit organe déformable est associé à un traitement thermique spécifique appliqué uniquement sur la surface extérieure du tube. 2 - Système d'absorption d'énergie selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit organe déformable traité thermiquement à recevoir une charge de compression axiale. 3 - Dispositif amortisseur selon les revendications 15 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit organe déformable est un cylindre à paroi mince. 4 - Dispositif amortisseur selon la revendication 3, caractérisé en ce que la section dudit cylindre est circulaire, carrée, triangulaire ou hexagonale. 20 5 - Véhicule de transport routier, caractérisé en ce qu'un dispositif amortisseur selon l'une quelconque des revendications précédentes est intercalé entre une traverse, côté pare-chocs, et un longeron correspondant dudit véhicule. 6 - Véhicule de transport ferroviaire, caractérisé 25 en ce qu'un dispositif amortisseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 est installé au niveau de systèmes d'attelage. 7 - Véhicule de transport suspendu, caractérisé en ce qu'un dispositif amortisseur selon l'une quelconque des 30 revendications 1 à 4 est installé au niveau d'une partie inférieure dudit véhicule. 8 - Dispositif d'étude du comportement plastique de différents matériaux, caractérisé en ce qu'il comprend undispositif amortisseur selon l'une quelconque des revendications 1 à 4.