Brevet FR3161874A1 — publié le 20251107

L’invention se rapporte à un élément de structure (100) à tube composite (1) pour structure tridimensionnelle, configuré pour être attaché à un point d’ancrage comprenant une cheville (9) présentant une bague extérieure (91) extensible radialement pour fixation par frottement statique de la cheville (9) dans le tube composite (1), ledit tube composite (1) comportant : - des fibres longitudinales (3), - une résine d’enrobage, dans laquelle sont enrobées les fibres longitudinales (3), caractérisé en ce qu’il comporte en outre au moins un renfort (5) de fibres (51) sur une longueur prédéterminée au niveau d’au moins une extrémité, la ou les fibres (51) formant le renfort (5) étant enroulées autour du tube composite (1) et enrobées dans la résine d’enrobage, lesdites fibres (51) du renfort (5) formant avec l’axe longitudinal ( L ) du tube (1) un angle (α) d’au moins soixante degrés. Figure pour l’abrégé : [Fig. 1] FIXATION MECANIQUE A L’EXTREMITE D’UN TUBE COMPOSITE La présente invention se rapporte au domaine général des armatures en matériau composite, notamment à destination d’un usage en aéronautique, par exemple comme structure rigidifiante de ballon aérostat, de carlingue d’aéronef etc. L’invention se rapporte au domaine des tubes et des structures tridimensionnelles composites, avec des propriétés mécaniques particulières découlant de leur structure interne, et notamment des fixations de tubes à un raccord extrémal de façon solide au moyen d’une fixation mécanique. Techniques antérieures Les matériaux composites, et notamment les tubes en fibres de carbone enrobées de résine permettent, à solidité égale voire supérieure, de réaliser des renforts ou des structures tridimensionnelles allégés et à forte résistance. Cette légèreté est particulièrement indiquée et recherchée dans le domaine aéronautique, tant pour les aéronefs, planeurs et avions, que pour les aérostats, ballons et dirigeables. Les structures sont notamment composées de tubes cylindriques, présentant des fibres longitudinales leur conférant une grande solidité. Ces tubes cylindriques sont fixés à des points d’ancrage avec, en général, des pièces métalliques de type manchons ou embouts externes collés à des chevilles et systèmes vis-écrou. On connaît par exemple le document WO2022/123124 qui décrit un dispositif de fixation utilisant une cheville à insert tronconique, insérée dans l’extrémité du tube. La fixation de l’embout et son serrage insèrent l’insert tronconique dans la cheville pour exercer une force radiale vers l’extérieur qui solidarise la cheville et le tube. La vis sert alors au raccord au point d’ancrage, avec une solidité permettant une résistance en traction importante, notamment supérieure à la tonne voire dizaine de tonnes. La force radiale vers l’extérieur exercée par la cheville permet la solidarisation, mais est susceptible d’entraîner un éclatement du faisceau de fibres formant l’âme du tube. Pour empêcher cet éclatement, le document WO2022/123124 et les dispositifs de l’art antérieur utilisent une bague extérieure ou un manchon tubulaire métalliques, qui viennent coiffer l’extrémité du tube sur la longueur de la cheville, afin de contrer la force radiale et empêcher l’éclatement. Il en résulte un poids encore important, même en utilisant du titane pour les pièces métalliques, alors que la légèreté est au centre des performances dans l’aéronautique. Pour répondre à ce besoin, l’invention propose un élément de structure à tube composite pour structure tridimensionnelle, configuré pour être attaché à un point d’ancrage, comprenant une cheville présentant une bague extérieure extensible radialement pour fixation par frottement statique de la cheville dans le tube composite, ledit tube composite comportant : - des fibres longitudinales, - une résine d’enrobage, dans laquelle sont enrobées les fibres longitudinales, caractérisé en ce qu’il comporte en outre au moins un renfort de fibres sur une longueur prédéterminée au niveau d’au moins une extrémité, la ou les fibres formant le renfort étant enroulées autour du tube composite et enrobées dans la résine d’enrobage, lesdites fibres du renfort formant avec l’axe longitudinal du tube un angle d’au moins soixante degrés. Ce renfort additionnel peut être aisément ajouté autour d’un tube préexistant, prédécoupé et conditionné, et remplace avantageusement le manchon métallique de l’art antérieur, en étant plus léger à résistance comparable. L’élément de structure à tube composite peut notamment présenter une ou plusieurs des caractéristiques suivantes, prises seules ou en combinaison. La ou les fibres formant le renfort forment, avec l’axe longitudinal du tube composite, un angle d’au moins quatre-vingts degrés. Les fibres de renfort peuvent être des fibres préimprégnées de résine. Les fibres de renfort peuvent en alternative ou en complément comporter des fibres sèches enduites de résine. La cheville peut notamment être une cheville conique présentant : - une bague externe, formant jupe extérieure d’un diamètre sensiblement égal au diamètre intérieur du tube composite, avec une surface intérieure conique et un épaulement pour la prise de force d’une vis ou d’un écrou, pouvant être écartée radialement, - au moins un insert tronconique, avec un angle de cône égal ou supérieur à celui de la surface intérieure de la bague externe, et dont l’insertion dans la bague externe écarte radialement la bague externe, - un arbre traversant la bague externe et l’insert tronconique, et dont exerçant, lors de la fixation de l’élément de structure une force qui insère l’insert tronconique dans la bague externe. La surface externe de la bague externe peut alors avantageusement être texturée pour une meilleure tenue. Le renfort de fibres peut notamment présenter une longueur correspondant au moins à la longueur insérée de la bague externe de la cheville conique dans le tube composite. La cheville conique peut en particulier comporter deux inserts tronconiques parallèles, et en deux bagues internes présentant deux surfaces coniques consécutives, la force exercée par l’arbre écartant radialement les bagues externes lors de la fixation de l’élément de structure. La bague externe de la cheville peut comporter un épaulement venant en appui, à l’état assemblé, contre la surface radiale extrémale du tube composite. La surface extérieure de la bague externe de la cheville peut être texturée pour augmenter la friction avec la surface intérieure du tube composite. L’invention se rapporte aussi au procédé d’assemblage d’un élément de structure à tube composite tel que précédemment décrit, caractérisé en ce qu’il comporte les étapes : - préparation d’un embout de tube composite, - enroulement d’une fibre de renfort au niveau de l’embout de tube composite, la fibre de renfort formant avec l’axe longitudinal du tube composite un angle d’au moins soixante degrés d’angle pour former un renfort, - durcissement d’une résine imprégnant la fibre de renfort, - insertion d’une cheville dans l’embout du tube composite pourvu de l’enroulement de fibre de renfort formant le renfort, - serrage de la cheville dans l’embout du tube composite. Notamment, l’enroulement de la fibre de renfort peut se faire en exerçant une contrainte constrictive au moyen de la fibre de renfort. Description sommaire des figures D’autres avantages et caractéristiques de l’invention apparaîtront à la lecture de la description suivante des figures jointes, parmi lesquelles : FIG. 1 est une représentation schématique en perspective de l’extrémité d’un tube composite pour élément de structure selon l’invention selon un premier mode de réalisation, FIG. 2 est une représentation schématique en perspective d’un mode de réalisation alternatif de tube composite pour élément de structure selon l’invention, FIG. 3 est une vue en coupe longitudinale d’une cheville conique pour former un raccord à l’extrémité du tube composite des figures précédentes, FIG. 4 est une vue de côté en éclaté de la cheville conique de la FIG. 3 , FIG. 5 est une vue en coupe d’un élément de structure comportant le tube composite et la cheville des figures précédentes selon un premier mode de réalisation, FIG. 6 est une vue en coupe d’un élément de structure comportant le tube composite et la cheville des figures précédentes selon un autre mode de réalisation, FIG. 7 est une représentation en coupe d’une cheville à deux inserts tronconiques, FIG. 8 est un organigramme linéaire reprenant les principales étapes d’assemblage de l’élément de structure des figures 6 et 7, FIG. 9 , FIG. 10 , FIG. 11 et FIG. 12 illustrent les étapes du procédé de la FIG. 8 . Les exemples sont donnés à titre illustratif et non limitatif. D’autres modes de réalisation de l’invention sont aisément obtenus par des variations et combinaisons des modes de réalisation représentés. Les dimensions et proportions illustrées aux figures peuvent différer de la réalité, et ont pu être adaptées dans le but de faciliter la compréhension de l’invention. Description détaillée La FIG. 1 est une vue en perspective schématique d’un tube composite 1, notamment destiné à être attaché, au niveau d’une extrémité à un point d’ancrage. Le tube composite 1 est composé de fibres longitudinales 3, enrobées de résine ou fibre de renfort pré-imprégnée. Les fibres longitudinales 3 forment notamment un angle faible, inférieur à trente degrés d’angle (30°) avec l’axe longitudinal L du tube composite 1. Les fibres longitudinales 3 peuvent notamment être des fibres carbones longues. Les figures représentent des fibres 3 longitudinales, donc parallèles à l’axe longitudinal L (angle de 0°). En outre, le mode de réalisation de la FIG. 1 présente en outre des fibres 31, 33 inclinées par rapport à l’axe longitudinal L, lesdites fibres longitudinales inclinées 31, 33 sont vrillées et composées de deux faisceaux vrillés superposés dans des angles opposés et égaux par rapport à l’axe longitudinal, par exemple d’un faisceau 31 à +30° et d’un faisceau 33 à -30°. D’autres valeurs d’angle pour les faisceaux 31, 33 inclinés sont notamment possibles, allant typiquement jusqu’à 45°. Le tube composite 1 représenté présente au niveau de son extrémité un renfort 5 de fibres ajoutées, composé de fibres de renfort 51 transverses, formant avec l’axe longitudinal L un angle important, typiquement de soixante à quatre-vingt-dix degrés d’angle (60-90°), et enrobées de résine. La FIG. 2 montre un mode de réalisation alternatif de tube composite 1, dans lequel les fibres 51 du renfort 5 sont des fibres longues, qui sont enroulées autour de l’extrémité du tube composite 1 avec un angle d’inclinaison α avec l’axe longitudinal L important, notamment supérieur à soixante degrés d’angle, et plus particulièrement supérieur à quatre-vingts degrés d’angle. L’angle α peut notamment être aussi proche de quatre-vingt-dix degrés d’angle que possible, en formant un renfort serré de fibres 51 de renfort enroulées, boucle contre boucle. Le renfort 5 peut notamment comprendre plusieurs enroulements de renfort superposés de fibres 51, typiquement de deux à dix selon la solidité requise. Le renfort 5 permet ainsi d’augmenter la résistance à l’éclatement du tube composite 1 au niveau de son extrémité, afin de permettre l’utilisation d’une attache exerçant une force radiale pour sa solidarisation par frottement statique avec le tube composite 1. La ou les fibres 51 du renfort 5 peuvent notamment être des fibres préimprégnées, enroulées en exerçant une tension compressive importante, de l’ordre de plusieurs centaines ou milliers de newtons. Il en résulte alors une précontrainte, permettant notamment d’exercer une contrainte radiale vers l’extérieur sans déformation jusqu’aux valeurs dépassant ladite précontrainte. En alternative ou en complément, des fibres 51 dites sèches, sans résine initialement peuvent être enroulées et ensuite enduites de résine. L’invention consiste à remplacer le manchon métallique par l’enroulement formant renfort 5 qui va reprendre les efforts d’expansion de la cheville sur l’extérieur du tube composite 1. Le nombre de couches de l’enroulement formant renfort 5 et la longueur de l’enroulement formant renfort 5 permettent de générer une résistance adaptée à une gamme importante d’efforts selon leur valeur attendue, pouvant notamment dépasser la tonne voire dizaine de tonnes de traction. Notamment, le renfort 5 est uniquement présent au niveau de l’extrémité du tube composite 5, et ne représente donc qu’un surpoids modeste par rapport au tube composite 1 sans renfort 5, et surtout un surpoids inférieur à celui d’un manchon métallique. Notamment, la FIG. 3 montre en coupe une cheville 9 dite conique pouvant être utilisée en combinaison avec le tube composite 1 des figures 1 à 3. La FIG. 4 montre ladite cheville conique 9 en éclaté La cheville conique 9 présente une bague externe 91, pourvue de fentes longitudinales 97 en quinconce, donnant un caractère extensible radialement à la bague externe 91. La bague externe 91 présente une surface interne conique, et une extrémité 92 formant une prise de force par appui, par exemple sur une surface de carlingue, une tête de vis ou un écrou du point d’ancrage. Un perçage central traverse la bague externe 91. La cheville conique 9 présente aussi un insert tronconique 93, insérable dans la bague externe 91, avec une surface externe conique d’angle de cône égal ou légèrement supérieur à celui de la surface interne de la bague externe 91. L’insert tronconique 93 présente un perçage central pourvu d’un filetage, et présente des moyens de blocage en rotation par rapport à la bague externe 91. L’insertion de l’insert tronconique 93 dans la bague externe 91 écarte alors la bague externe 91 radialement. Un arbre 90 traverse la bague externe 91 et l’insert tronconique 93, et entre en prise avec l’insert tronconique 93. Par exemple, l’arbre 90 peut être une tige filetée, coopérant avec un filetage dans un perçage central de l’insert tronconique 93, ou une tige droite, pourvue d’un épaulement venant en prise avec l’insert tronconique 93. Lorsqu’un effort axial est appliqué sur l’arbre 90, l’insert radial 93 est inséré en force dans la bague externe 91, ce qui l’écarte radialement. La FIG. 6 montre en coupe un élément structurel 100 formant un point d’attache obtenu par une cheville conique 9 insérée dans le tube composite 1. La cheville conique 9 est d’un diamètre sensiblement égal au diamètre intérieur du tube composite 1, et présente un épaulement 95 formant butée lors de l’insertion. Le renfort 5 présente notamment une longueur au moins égale à la longueur l insérée de cheville conique 9 dans le tube composite 1. L’extrémité 92 de la cheville 9 est en appui contre un support S radial, par exemple une carlingue d’aéronef, ou bien un écrou ou une tête de vis. Lors de la fixation de l’élément structurel 100 au reste de la structure, une force tendant à insérer l’insert tronconique 93 dans la bague extérieure 91 est générée. Cette force, du fait du caractère conique de l’insert tronconique 91 et de la surface intérieure de la bague externe est transformée en force radiale tendant à écarter la bague externe 91. La force radiale exercée par l’écartement radial de la cheville 9 est notamment compensée par le renfort 5, et induit un frottement statique permettant à la cheville 9 de résister en traction à des forces de plusieurs tonnes voire dizaines de tonnes sans arrachement. Des flèches illustrent ces forces dans la FIG. 5 . Dans le cas d’un arbre 90 sous forme de tige filetée, ladite tige filetée se termine par exemple par une tête de boulon, et est insérée dans un trou contre lequel viennent en appui d’une part la tête de boulon et l’extrémité 92 de la cheville 9, formant ainsi un système vis-écrou. En alternative, un effort directement axial peut être exercé sur l’arbre 90, par exemple au moyen de coins ou de systèmes de traction hydrauliques. La FIG. 6 illustre une variante de cheville 9 dans laquelle la bague extérieure 91 est texturée sur sa surface radiale extérieure. Notamment, la bague extérieure 91 est ici pourvue d’une surface à stries annulaires 99, lui donnant une section en dents de scie. Ces stries annulaires 99 sont notamment insérées en force dans le matériau du tube composite 1 lors du serrage de la cheville 9 et de l’expansion radiale de la bague extérieure 91 en découlant. Cette texturation de la bague extérieure 91 permet d’améliorer le frottement statique, et donc la force requise pour l’arrachage du tube composite de la cheville 9 et donc de la structure ainsi obtenue. La surface externe de la bague externe 91 peut notamment être texturée avec des excroissances de forme différente, par exemple avec des fraisages diagonaux formant des excroissances pyramidales, ou bien des picots. La FIG. 7 illustre un autre mode de réalisation de cheville conique 9 qui comporte deux inserts tronconiques 93 parallèles dans deux bagues externes 91 montées en série. La bague interne 91 présente alors deux surfaces coniques à chacune un insert tronconique 93, et l’effort appliqué à l’arbre insère les deux inserts tronconiques 93 chacun dans la bague externe 91 qui le contient, lors du serrage de la cheville 9 afin d’écarter radialement les bagues externes 91 et ainsi générer une longueur plus importante de surface d’appui en frottement statique. D’autres modèles de cheville 9 à écartement radial sont bien sûr utilisables dans le cadre de la réalisation d’un point d’attache avec le tube composite 1 selon l’invention. La FIG. 8 est un organigramme reprenant les principales étapes du procédé d’assemblage 200 de l’élément de structure utilisant le tube composite 1 et la cheville 9. Ces étapes sont illustrées dans les figures 9 à 12. La première étape 201 est la préparation de l’embout du tube composite 1, par exemple par nettoyage, traitement ou application d’une couche d’adhésion de résine. Le tube composite 1 seul est représenté en FIG. 9 . La deuxième étape 203 est l’enroulement d’une ou plusieurs fibres de renfort 51 au niveau de l’embout de tube composite 1, avec un angle avec l’axe longitudinal L du tube composite 1 important d’au moins soixante degrés d’angle. Notamment, la fibre 51 utilisée peut être préimprégnée et enroulée sous contrainte constrictive, comme précédemment détaillé. La FIG. 10 montre le tube composite 1 pourvu de cet enroulement formant renfort 5. La troisième étape 205 est éventuellement l’enrobage et surtout le durcissement de résine de l’enroulement formant renfort 5 de fibre de renfort 51, notamment dans le cas d’une fibre 51 préimprégnée. Notamment, l’embout du tube composite 1 peut être inséré dans un manchon chauffant pour déclencher ledit durcissement. La FIG. 11 montre le tube composite 1 pourvu de l’enroulement formant renfort 5 enrobé de résine durcie. La quatrième étape 207 est l’insertion de la cheville 9 dans l’embout du tube composite 1 pourvu de l’enroulement formant renfort 5 de fibre de renfort 51. Notamment, la longueur de l’enroulement formant renfort 5 peut être supérieure à la longueur insérée de la cheville 9 dans le tube composite 1. La cinquième étape est alors le serrage 209 de la cheville 9 dans l’embout du tube composite 1 pourvu de l’enroulement formant renfort 5, afin de la fixer par frottement statique du fait de l’effort radial engendré par l’écartement de sa bague extérieure 91. Comme précédemment décrit, le serrage de la cheville 9 peut notamment être confondu avec l’étape de fixation de l’élément de structure 100 au reste d’une structure composite, par serrage ou mise en tension de l’arbre 90. En augmentant la résistance radiale, le renfort 5 permet d’affranchir l’élément de structure 100 ou point d’attache d’un manchon extrémal métallique. Le renfort 5 permet ainsi d’alléger ledit point d’ancrage. Ces éléments structurels 100 sont notamment très nombreux dans les structures d’aéronefs ou aérostats, et leur allègement permet de diminuer grandement le poids de la structure totale. Elément de structure (100) à tube composite (1) pour structure tridimensionnelle, configuré pour être attaché à un point d’ancrage comprenant une cheville (9) présentant une bague extérieure (91) extensible radialement pour fixation par frottement statique de la cheville (9) dans le tube composite (1), ledit tube composite (1) comportant : - des fibres longitudinales (3, 31, 33), - une résine d’enrobage, dans laquelle sont enrobées les fibres longitudinales (3, 31, 33), caractérisé en ce qu’il comporte en outre au moins un renfort (5) de fibres (51) sur une longueur prédéterminée au niveau d’au moins une extrémité, la ou les fibres de renfort (51) formant le renfort (5) étant enroulées autour du tube composite (1) et enrobées dans la résine d’enrobage, lesdites fibres (51) du renfort (5) formant avec l’axe longitudinal ( L ) du tube (1) un angle (α) d’au moins soixante degrés. Elément de structure (100) à tube composite (1) selon la revendication 1, caractérisé en ce que la ou les fibres de renfort (51) formant le renfort (5) forment, avec l’axe longitudinal ( L ), un angle (α) d’au moins quatre-vingts degrés. Elément de structure (100) à tube composite (1) selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que les fibres (51) du renfort (5) comportent des fibres préimprégnées de résine. Elément de structure (100) à tube composite (1) selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que le renfort (5) comporte au moins une fibre (51) sèche enroulée autour de l’extrémité du tube composite (1) et enduite de résine. Elément de structure (100) à tube composite (1) selon l’une des revendications précédentes caractérisé en ce que la cheville (9) une cheville conique (9) présentant : - une bague externe (91), formant jupe extérieure d’un diamètre sensiblement égal au diamètre intérieur du tube composite (1), avec une surface intérieure conique et un épaulement pour la prise de force d’une vis ou d’un écrou (92), pouvant être écartée radialement, - au moins un insert tronconique (93), avec un angle de cône égal ou supérieur à celui de la surface intérieure de la bague externe (91), et dont l’insertion dans la bague externe (91) écarte radialement la bague externe (91), - un arbre (90) traversant la bague externe (91) et l’insert tronconique (93), venant en prise avec l’insert tronconique (93) et exerçant, lors de la fixation de l’élément de structure (100) une force qui insère l’insert tronconique (93) dans la bague externe (91). Elément de structure (100) à tube composite (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que le renfort (5) de fibres (51) présente une longueur correspondant au moins à la longueur insérée ( l ) de la bague externe (91) de la cheville conique (9) dans le tube composite (1). Elément de structure (100) à tube composite (1) selon la revendication 5 ou 6, caractérisé en ce que la cheville conique (9) comporte deux inserts tronconiques (93) parallèles, et deux bagues internes (91) montées en série, présentant deux surfaces coniques à chacune un insert tronconique (93), la force exercée par l’arbre (90) écartant radialement les bagues externes (91) lors de la fixation de l’élément de structure (100). Elément de structure (100) à tube composite (1) selon l’une des revendications 5 à 7, caractérisé en ce que la bague externe (91) comporte un épaulement (95) venant en appui, à l’état assemblé, contre la surface radiale extrémale du tube composite (1). Elément de structure (100) à tube composite (1) selon l’une des revendications 5 à 8, caractérisé en ce que la surface extérieure de la bague externe (91) de la cheville conique (9) est texturée pour augmenter la friction avec la surface intérieure du tube composite (1). Procédé d’assemblage (200) d’un élément de structure (100) à tube composite (1), caractérisé en ce qu’il comporte les étapes : - préparation (201) d’un embout de tube composite (1), - enroulement (203) d’une fibre de renfort (51) au niveau de l’embout de tube composite (1), la fibre de renfort (51) formant avec l’axe longitudinal (L) du tube composite (1) un angle d’au moins soixante degrés d’angle, - durcissement (205) de résine imprégnant la fibre de renfort (51) de l’enroulement, - insertion (207) d’une cheville (9) dans l’embout du tube composite (1) pourvu de l’enroulement de fibre de renfort (51) formant le renfort (5), - serrage (209) de la cheville (9) dans l’embout du tube composite (1). Procédé selon la revendication précédente, caractérisé en ce que lors de l’étape d’enroulement (203) de la fibre de renfort (51), ledit enroulement est effectué en exerçant une contrainte constrictive au moyen de la fibre de renfort (51).