Brevet FR3120856A1 — publié le 20220923

- Membrure et nœud pour des assemblages de structures multi-nodales. - Un nœud (40) et une membrure (20) se raccordent pour former une structure multi-nodale (10), la membrure (20) présentant une rigidité de membrure à la flexion (E S I S ). Le nœud (40) présente un corps principal et un bras se raccordant au corps principal et s'étendant le long de l'axe de membrure vers la membrure (20). Le bras présente une extrémité de nœud se fixant au corps principal, une extrémité de membrure se raccordant à la membrure (20) et une section médiane entre celles-ci. La section médiane comprend une partie col présentant une rigidité de col à la flexion (E N I N ) inférieure à 20 % de la rigidité de membrure à la flexion (E S I S ). La membrure (20) comprend une section primaire et une section secondaire se raccordant axialement de manière coulissante pour partiellement se chevaucher. Figure 1. Membrure et nœud pour des assemblages de structures multi-nodales. La présente invention concerne le domaine des structures ou assemblages multi-nodaux, et plus particulièrement une membrure et un nœud pour un assemblage multi-nodal généralement utilisé dans les engins spatiaux, les structures d'antennes et autres éléments similaires. Etat de la technique Il est bien connu dans l'art des structures multi-nodales d'avoir une pluralité de nœuds (ou jonctions ou joints) inter-raccordés avec des membrures (ou barres ou tubes), de sorte que l'assemblage a un poids généralement léger avec des capacités de manipulation structurelle relativement grandes et une rigidité élevée. Nonobstant le fait que de telles structures multi-nodales sont largement utilisées, elles ne sont pas toujours pratiques, en particulier pour les applications d'engins spatiaux et de structures d'antennes (pour servir de support à un(e) ou plusieurs réflecteurs d'antennes et/ou alimentations d'antennes, ou éléments similaires) en raison de différentes contraintes/exigences de conception (mécanique, électrique, etc.) et de fabrication (approvisionnement en matériaux, assemblage, etc.) qui rendent ces structures relativement complexes, longues et coûteuses à produire, compte tenu de toutes les analyses mécaniques (notamment l'analyse de la distorsion thermoélastique (TED)) réalisées à l'aide de logiciels de pointe, eux-mêmes coûteux. Les structures multi-nodales existantes sont habituellement soumises à une séquence d'assemblage qui peut être un défi logistique, en particulier dans les situations nécessitant des réparations et/ou des remplacements de pièces. En conséquence, il existe un besoin de nœud et/ou de membrure amélioré(e) pour les structures multi-nodales. La présente invention a par conséquent pour objet général de fournir un nœud et/ou une membrure amélioré(e) pour les structures multi-nodales permettant d'éviter les problèmes mentionnés ci-dessus. Un avantage de la présente invention est que le nœud et/ou la membrure permettent de réduire considérablement la complexité globale de la conception et de la fabrication, le temps de fabrication nécessaire et le coût de la structure multi-nodale par rapport aux structures conventionnelles, les membrures ne subissant essentiellement que des forces axiales de traction et de compression (peu ou pas de torsion ou de moments transmis) grâce à la section en « striction » (basée sur les dimensions caractéristiques et les propriétés mécaniques du matériau) et donc sans pièces mobiles et/ou éléments à l'origine d'un moment/d'une torsion tels que des chapes, des rotules, etc. Cela permet de simplifier dans une large mesure l'analyse structurelle de la structure multi-nodale globale. Un autre avantage de la présente invention est qu'elle simplifie significativement l'optimisation globale du coefficient de dilatation thermique (CTE) axial et l'analyse de la structure multi-nodale globale avec un outil d'analyse simple tel qu'un tableur classique, plutôt qu'avec des outils spécialisés coûteux (tels que des outils d'analyse par éléments finis ou autres outils similaires). Un autre avantage de la présente invention est que le nœud et/ou la membrure des structures multi-nodales permet de réduire le poids total, la durée et les coûts de conception et d'analyse, ainsi que le temps et le coût de fabrication. Un autre avantage de la présente invention est que les nœuds des structures multi-nodales sont relativement faciles à fabriquer et permettent une analyse structurelle relativement simple avec la présence d'une zone de col ou « striction », de section transversale réduite, à chaque extrémité des membrures pour réduire de manière sensiblement significative le transfert des moments de flexion et des torsions entre les membrures et les nœuds sans articulations mécaniques complexes telles que des joints à rotule et autres articulations similaires, ainsi que pour réduire le poids des nœuds. Encore un autre avantage de la présente invention est que les membrures des structures multi-nodales comprennent typiquement deux sections axiales tubulaires faites de matériaux différents avec des coefficients de dilatation thermique (CTE) différents, afin de « régler » le CTE axial global de la membrure (essentiellement d'un point d'intersection avec d'autres membrures d'un nœud vers l'autre point d'intersection avec des membrures différentes au niveau de l'autre nœud) en sélectionnant, pour les deux sections, des matériaux et des longueurs appropriés. Le réglage des différents CTE des membrures permet d'ajuster la variation de la déformation de la structure multi-nodale en fonction de la température (distorsion thermoélastique - TED). Le CTE effectif est généralement identique pour toutes les membrures et est typiquement proche de zéro, assurant ainsi une déformation d'origine thermique faible ou nulle de la structure multi-nodale. Encore un autre avantage de la présente invention est que l'assemblage de chaque membrure est réalisé parallèlement au raccordement des tubes avec les deux nœuds adjacents de la structure multi-nodale, réduisant ainsi la durée et la complexité de l'assemblage et ne nécessitant aucun ordre spécifique d'assemblage, offrant une flexibilité totale dans la séquence d'assemblage, et permet un(e) réparation/remplacement facile des pièces. Encore un autre avantage de la présente invention est que les différents nœuds sont facilement et rapidement conçus et fabriqués par divers moyens (y compris le fraisage/tournage conventionnel/à commande numérique (CNC), la fabrication additive (AM) et d'autres moyens similaires), que les raccords de membrure sont simples et en stock ou rapidement achetés ou usinés, et les sections de membrure (ou tubes) sont rapidement obtenues à partir de matériaux tubulaires normalisés respectifs, coupés à longueur sur demande. Encore un autre avantage de la présente invention est que les membrures des structures multi-nodales comprennent deux raccords qui, fabriqués séparément, peuvent être réalisés dans des matériaux (titane, Invar, Kovar, graphite, etc.) présentant des coefficients de dilatation thermique (CTE) spécifiques, afin de « régler » plus précisément le CTE axial global de la membrure (essentiellement d'un point d'intersection avec d'autres membrures d'un nœud à l'autre point d'intersection avec différentes membrures de l'autre nœud) en sélectionnant des matériaux appropriés pour les raccords. Le réglage des différents CTE des membrures permet d'ajuster la variation de la déformation de la structure multi-nodale en fonction de la température (distorsion thermoélastique - TED). Le CTE effectif est généralement identique pour toutes les membrures et est typiquement proche de zéro, assurant ainsi une déformation d'origine thermique faible ou nulle de la structure multi-nodale. Selon un aspect de la présente invention, on fournit un dispositif de nœud à raccorder à au moins une membrure présentant une rigidité de membrure à la flexion (E S I S ) et définissant un axe de membrure généralement rectiligne, ledit dispositif de nœud comprenant : - un corps principal ; et - au moins un bras se raccordant au corps principal et s'étendant à partir de celui-ci le long de l'axe de membrure et vers l'au moins une membrure, ledit bras présentant une extrémité (proximale) de nœud qui se fixe au corps principal, une extrémité (distale) de membrure à raccorder à ladite membrure et une section médiane s'étendant entre l'extrémité de nœud et l'extrémité de membrure ; et étant caractérisé en ce que : la section médiane comprend une partie col présentant une rigidité de col à la flexion (E N I N ) inférieure à environ 20 % de la rigidité de membrure à la flexion. Dans un mode de réalisation, l'au moins une membrure présente une longueur de membrure (L S ) pour définir une rigidité de membrure à la flexion par unité de longueur (E S I S /L S ) et la partie col présente une longueur de partie col (L N ) pour définir une rigidité de col à la flexion par unité de longueur (E N I N /L N ), la rigidité de col à la flexion par unité de longueur étant inférieure à environ 600 %, typiquement inférieure à environ 300 %, et de préférence inférieure à environ 150 % de la rigidité de membrure à la flexion par unité de longueur. Dans un mode de réalisation, le nœud comprend une pluralité de bras à raccorder à une pluralité de membrures, chacun des bras de la pluralité de bras se raccordant à une membrure respective de la pluralité de membrures, et la partie col de chacun de la pluralité de bras présentant une rigidité de col à la flexion inférieure à environ 20 % de la rigidité de membrure à la flexion de la membrure respective. Commodément, tous les axes de membrure de la pluralité de membrures se croisent en un point d'intersection d'axes adjacent au (ou entouré par le) corps principal, chacun de la pluralité de bras s'étendant à partir du corps principal le long de l'axe de membrure respectif en s'éloignant du point d'intersection d'axes. Dans un mode de réalisation, la partie col présente une rigidité de col à la flexion inférieure à environ 10 %, et de préférence inférieure à environ 5 % de la rigidité de membrure à la flexion correspondante. Dans un mode de réalisation, le corps principal et la pluralité de bras forment intégralement une seule pièce. Dans un mode de réalisation, chaque extrémité de membrure se raccorde, de préférence de manière séparable, à la membrure respective par l'intermédiaire d'un raccord de membrure. Conformément à un autre aspect de la présente invention, on fournit un dispositif de membrure destiné à être utilisé dans une structure de châssis et monté entre un premier et un second nœud fixes présentant respectivement un premier et un second raccord de membrure, le dispositif de membrure comprenant : - une section primaire présentant une première et une seconde extrémité primaire et définissant un axe de membrure entre celles-ci ; et - une section secondaire présentant une première et une seconde extrémité secondaire ; et étant caractérisé en ce que : la seconde extrémité primaire se raccorde axialement de manière coulissante à la première extrémité secondaire, entre une première configuration dans laquelle la première extrémité primaire et la seconde extrémité secondaire sont positionnables contre le premier et le second raccord, respectivement, pour positionner axialement le dispositif de membrure entre elles, et une seconde configuration dans laquelle la première extrémité primaire et la seconde extrémité secondaire chevauchent axialement le premier et le second raccord, respectivement, pour s'y fixer, les sections primaire et secondaire se fixant l'une à l'autre. Dans un mode de réalisation, les sections primaire et secondaire sont cylindriques, de préférence de forme tubulaire. Dans un mode de réalisation, la section primaire a une première longueur et est faite d'un premier matériau présentant un premier coefficient de dilatation thermique axial, et la section secondaire a une seconde longueur et est faite d'un second matériau présentant un second coefficient de dilatation thermique axial, les première et seconde longueurs étant définies pour fournir au dispositif de membrure un coefficient de dilatation thermique axial de membrure combiné prédéterminé. Conformément à un autre aspect de la présente invention, on fournit une structure multi-nodale comprenant : - au moins une membrure présentant une rigidité de membrure à la flexion (E S I S ) et définissant un axe de membrure généralement rectiligne ; - au moins un nœud se raccordant à ladite membrure, ledit nœud comprenant : • un corps principal ; et •au moins un bras se raccordant au corps principal et s'étendant à partir de celui-ci le long de l'axe de membrure et vers ladite membrure, ledit bras présentant une extrémité (proximale) de nœud qui se fixe au corps principal, une extrémité (distale) de membrure à raccorder à ladite membrure et une section médiane s'étendant entre l'extrémité de nœud et l'extrémité de membrure ; et étant caractérisée en ce que : la section médiane comprend une partie col présentant une rigidité de col à la flexion (E N I N ) inférieure à environ 20 % de la rigidité de membrure à la flexion. Dans un mode de réalisation, l'au moins une membrure présente une longueur de membrure (L S ) pour définir une rigidité de membrure à la flexion par unité de longueur (E S I S /L S ) et la partie col présente une longueur de partie col (L N ) pour définir une rigidité de col à la flexion par unité de longueur (E N I N /L N ), la rigidité de col à la flexion par unité de longueur étant inférieure à environ 600 %, typiquement inférieure à environ 300 %, et de préférence inférieure à environ 150 % de la rigidité de membrure à la flexion par unité de longueur. Dans un mode de réalisation, le nœud comprend une pluralité de bras à raccorder à une pluralité de membrures, chacun des bras de la pluralité de bras se raccordant à une membrure respective de ladite pluralité de membrures, et la partie col de chacun de la pluralité de bras présentant une rigidité de col à la flexion inférieure à environ 20 % de la rigidité de membrure à la flexion de la membrure respective. Commodément, tous les axes de membrure de la pluralité de membrures se croisent en un point d'intersection d'axes adjacent au (ou entouré par le) corps principal, chacun de la pluralité de bras s'étendant à partir du corps principal le long de l'axe de membrure respectif en s'éloignant du point d'intersection d'axes. Dans un mode de réalisation, au moins une desdites membrures est située entre deux nœuds adjacents parmi lesdits nœuds. De préférence, ladite membrure située entre deux nœuds adjacents parmi lesdits nœuds a un coefficient de dilatation thermique axial de membrure combiné prédéterminé. Commodément, le coefficient de dilatation thermique axial combiné prédéterminé prend en considération le bras respectif de ladite pluralité de bras depuis chacun desdits deux nœuds adjacents de ladite pluralité de nœuds se raccordant à ladite membrure. Dans un mode de réalisation, ladite membrure comprend : - une section primaire présentant une première et une seconde extrémité primaire, l'axe de membrure s'étendant entre celles-ci ; et - une section secondaire présentant une première et une seconde extrémité secondaire, la seconde extrémité primaire se raccordant axialement de manière coulissante à la première extrémité secondaire, entre une première configuration dans laquelle la première extrémité primaire et la seconde extrémité secondaire sont positionnables contre le premier et le second raccord, respectivement, pour positionner axialement ladite membrure entre elles, et une seconde configuration dans laquelle la première extrémité primaire et la seconde extrémité secondaire chevauchent axialement le premier et le second raccord, respectivement, pour s'y fixer, les sections primaire et secondaire se fixant l'une à l'autre, au moins un raccord parmi le premier et le second raccord se raccordant à l'extrémité de membrure dudit bras. Dans un mode de réalisation, la section primaire présente une première longueur et est faite d'un premier matériau présentant un premier coefficient de dilatation thermique axial, et la section secondaire présente une seconde longueur et est faite d'un second matériau présentant un second coefficient de dilatation thermique axial, les première et seconde longueurs étant définies pour fournir à ladite membrure un coefficient de dilatation thermique axial de membrure combiné prédéterminé. Commodément, le coefficient de dilatation thermique axial combiné prédéterminé prend en considération respectivement ledit bras dudit nœud se raccordant à ladite membrure. Commodément, les coefficients de dilatation thermique axiaux combinés prédéterminés de toutes lesdites membrures sont sensiblement identiques. D'autres objets et avantages de la présente invention apparaîtront à la lecture attentive de la description détaillée fournie ici, en se référant si nécessaire aux dessins annexés. Brève description des figures D'autres aspects et avantages de la présente invention seront mieux compris en se référant à la description en association avec les figures suivantes, dans lesquelles des références similaires utilisées dans différentes figures désignent des éléments similaires, où : La est une vue en perspective d'une structure multi-nodale selon un mode de réalisation de la présente invention ; La est une vue en perspective agrandie brisée d'un nœud à six bras avec des membrures raccordées selon le mode de réalisation de la ; La est une vue en perspective latérale supérieure d'un nœud de base à deux bras avec des membrures raccordées selon le mode de réalisation de la ; La est une vue en perspective du nœud de la avec raccordement des raccords de membrure ; La est une vue en perspective éclatée du nœud de la , montrant le raccord raccordé à celui-ci ; La est une vue en coupe en perspective prise le long de la ligne 6-6 de la ; Pour , la Figure 7 est une vue en élévation éclatée d'une membrure selon le mode de réalisation de la , montrée entre les deux nœuds dans une première configuration d'insertion avec les deux sections de membrure (ou tubes) intercalées entre les deux raccords fixés sur les nœuds ; La Figure 8 est une vue similaire à celle de la Figure 7, mais non éclatée, montrant la membrure dans la première configuration d'insertion avec les deux tubes raccordés téléscopiquement et de manière coulissante l'un à l'autre et insérés entre les deux raccords ; La Figure 9 est une vue similaire à la Figure 8, montrant la membrure dans une seconde configuration entièrement installée avec les deux tubes raccordés aux deux raccords et raccordés téléscopiquement l'un à l'autre ; et La est une vue de dessous en perspective schématique d'un autre mode de réalisation d'une structure multi-nodale selon la présente invention, qui est utilisée pour servir de support à un réflecteur d'antenne. Structure multi-nodale (10) comprenant : - au moins une membrure (20) présentant une rigidité de membrure à la flexion (E S I S ) et définissant un axe de membrure (22) généralement rectiligne ; et - au moins un nœud (40) comprenant un corps principal (42) et au moins un bras (44) se raccordant au corps principal (42) et s'étendant à partir de celui-ci le long de l'axe de membrure (22) et vers l'au moins une membrure (20), ledit bras (44) présentant une extrémité de nœud (46) qui se fixe au corps principal (42), une extrémité de membrure (48) à raccorder à ladite membrure (20) et une section médiane (50) s'étendant entre l'extrémité de nœud (46) et l'extrémité de membrure (48), la section médiane (50) comprenant une partie col (52) présentant une rigidité de col à la flexion (E N I N ) inférieure à environ 20 % de la rigidité de membrure à la flexion (E S I S ), et le nœud (40) se raccordant à ladite membrure (20) via l'extrémité de membrure (48) ; et étant caractérisée en ce que ladite membrure (20) comprend : - une section primaire (28) présentant une première (30) et une seconde (32) extrémité primaire, l'axe de membrure (22) s'étendant entre celles-ci ; et - une section secondaire (34) présentant une première (36) et une seconde (38) extrémité secondaire, la seconde extrémité primaire (32) se raccordant axialement de manière coulissante à la première extrémité secondaire (36), entre une première configuration (60) dans laquelle la première extrémité primaire (30) et la seconde extrémité secondaire (38) sont positionnables contre le premier et le second raccord (26), respectivement, pour positionner axialement ladite membrure (20) entre elles, et une seconde configuration (62) dans laquelle la première extrémité primaire (30) et la seconde extrémité secondaire (38) chevauchent axialement le premier et le second raccord (26), respectivement, pour s'y fixer, les sections primaire (28) et secondaire (34) se fixant l'une à l'autre, au moins un raccord parmi le premier et le second raccord (26) se raccordant à l'extrémité de membrure (48) dudit bras (44). Structure multi-nodale (10) selon la revendication 1, caractérisée en ce que la section primaire (28) présente une première longueur (L1) et est faite d'un premier matériau présentant un premier coefficient de dilatation thermique axial, et la section secondaire (34) présente une seconde longueur (L2) et est faite d'un second matériau présentant un second coefficient de dilatation thermique axial, les première (L1) et seconde (L2) longueurs étant définies pour fournir à ladite membrure (20) un coefficient de dilatation thermique axial de membrure combiné prédéterminé. Structure multi-nodale (10) selon la revendication 2, caractérisée en ce que le coefficient de dilatation thermique axial combiné prédéterminé prend en considération respectivement ledit bras (44) dudit nœud (40) se raccordant à ladite membrure (20). Structure multi-nodale (10) selon la revendication 3, caractérisée en ce que les coefficients de dilatation thermique axiaux combinés prédéterminés de toutes lesdites membrures (20) sont sensiblement identiques.