Note : Les descriptions sont présentées dans la langue officielle dans laquelle elles ont été soumises.
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WO 2014/023901 PCT/FR2013/051873
PIECE STRUCTURALE EN MATÉRIAU COMPOSITE TELLE QU'UN RAIL POUR
CAPOT COULISSANTID'INVERSEUR DE POUSSÉE DE NACELLE DE MOTEUR
D'AERONEF
La présente invention se rapporte à une pièce structurale en
matériau composite telle qu'un rail pour capot coulissant d'inverseur de
poussée de nacelle de moteur d'aéronef.
Comme cela est connu en soi, une nacelle pour moteur d'aéronef
comporte un certain nombre d'éléments mobiles.
En particulier, lorsque cette nacelle est équipée d'un inverseur de
poussée à grilles, elle peut comporter un ou plusieurs capots montés
coulissants sur des poutres fixes de la nacelle, grâce à des systèmes de rails
et de glissières interposés entre ces poutres et ces capots.
L'actionnement de ces capots coulissants s'effectue, comme cela
est connu en soi, par des actionneurs hydrauliques ou électriques.
Dans un souci constant de gain de masse, on envisage aujourd'hui
de réaliser les poutres et les rails susmentionnés en matériaux composites.
On a ainsi représenté à la figure 1, en coupe transversale, un voile
de poutre 1 sur lequel est fixé un rail 3 accueillant la glissière 5 d'un
capot
coulissant de nacelle à inverseur de poussée à grilles.
Le voile 1 et le rail 3 sont formés chacun par un empilement de plis
de composite.
Ces plis sont empilés de manière à conférer au rail 3 une forme en
gouttière, permettant de recevoir une extrémité 7 de la glissière 5 de forme
correspondante.
Comme cela est connu en soi, les zones de liaison 9a, 9b des
branches 11a, llb de la gouttière 3 avec le fond 13 de cette gouttière, sont
des
zones de forte concentration de contraintes.
Ces zones de concentration nécessitent un dimensionnement
important du rail 3, et donc une augmentation non négligeable du poids de ce
rail.
La présente invention vise notamment à améliorer cette situation.
On atteint notamment ce but de l'invention avec une pièce
structurale en matériau composite telle qu'un rail pour capot d'inverseur de
poussée de nacelle de moteur d'aéronef, cette pièce comprenant une partie
principale en matériau composite définissant une forme en gouttière, et une
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partie de renfort en matériau composite au fond de cette gouttière définissant
une surface d'appui au fond de cette gouttière.
La partie de renfort joue le rôle d'une zone de transition des efforts.
Dans le cas particulier où la pièce est un rail pour capot d'inverseur de
poussée
de nacelle de moteur d'aéronef, la partie de renfort permet une transition des
efforts entre la glissière associée du capot coulissant et la partie
principale de
du rail : du côté de la glissière, cette partie de renfort présente une
surface
sensiblement plane permettant une répartition optimale des efforts imprimés
par la glissière ; du côté de la partie principale du rail, cette partie de
renfort
peut épouser la forme de cette partie principale qui est la plus adaptée pour
reprendre les contraintes engendrées par la glissière.
En particulier, grâce à la présence de cette partie de renfort, on
peut choisir une partie principale présentant une section en C dont les
branches sont reliées au fond par des zones à rayons de courbures supérieurs
à ceux d'une pièce en composite de la technique antérieure, limitant ainsi la
concentration des contraintes dans ces zones de liaison.
Les matériaux composite formant les parties principale et de renfort
de la pièce structurale peuvent être obtenus par tissage, tressage, drapage,
etc. de fibres de verre ou de carbone par exemple, suivi d'une étape de
polymérisation de résine, comme cela est connu en soi.
Suivant d'autres caractéristiques optionnelles de cette pièce
structurale :
- ladite surface d'appui est sensiblement plane ;
- ladite partie de renfort comprend des plis de composite qui
viennent en partie épouser l'intérieur de la forme en gouttière de ladite
partie
principale : ceci permet d'éviter une concentration des contraintes dans la
zone
de liaison entre la partie principale et la partie de renfort ;
- les parties principale et de renfort de ladite pièce structurale sont
fixées entre elles avec des fils de renfort dans la troisième dimension,
disposés
dans l'alignement des efforts pour une efficacité optimale ;
- ladite partie principale est fermée à l'une des extrémités de cette
pièce structurale : ceci permet de consolider cette pièce structurale à cette
extrémité : ceci est particulièrement utile lorsque la pièce structurale est
un rail
pour capot d'inverseur de poussée, étant noté qu'en règle générale le rail
subit
de la part de la glissière associée de plus fortes contraintes à ses
extrémités ;
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- ledit renfort présente une forme adaptée aux contraintes à
absorber.
La présente invention se rapporte également à un ensemble
comprenant une poutre formée au moins en partie en matériau composite et au
moins une pièce structurale conforme à ce qui précède.
Suivant des caractéristiques optionnelles de l'ensemble selon
l'invention :
- ladite partie de renfort dépasse des extrémités de cette pièce
structurale et est rabattue derrière une partie de cette poutre : ce
rabattement
de la partie de renfort permet une plus grande résistance de la fixation de la
pièce structurale sur la poutre ;
- la partie principale de ladite pièce structurale est fixée sur ladite
poutre par rivets ;
- ladite partie de renfort comporte des lamages de réception de ces
rivets ;
- les parties principale et de renfort dudit rail sont fixées entre elles
et à ladite poutre avec des fils de renfort dans la troisième dimension,
disposés
dans l'alignement des efforts pour une efficacité optimale.
La présente invention se rapporte également à une nacelle pour
moteur d'avion, remarquable en ce qu'elle est équipée d'un ensemble
conforme à ce qui précède.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention
apparaîtront à la lumière de la description qui va suivre, et à l'examen des
figures ci-annexées dans lesquelles :
- la figure 1 est une vue en coupe transversale d'une poutre, d'un
rail et d'une glissière de la technique antérieure, décrits ci-avant ;
- la figure 2 est une vue en coupe transversale d'un mode de
réalisation d'un rail selon la présente invention ;
- la figure 3a est une vue en coupe transversale d'un autre mode
de réalisation d'un rail selon l'invention ;
- les figures 3b et 3c sont des vues en perspective d'un ensemble
de poutre et de rail conforme au mode de réalisation de la figure
3a;
- la figure 4 est une vue partielle en coupe d'un autre mode de
réalisation d'un rail selon l'invention ;
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- la figure 5 est une vue en perspective d'une extrémité d'un mode
de réalisation d'un rail selon l'invention ;
- la figure 6 est une vue en coupe selon la ligne VI-VI du rail de la
figure 5;
- la figure 7 est une vue en perspective d'une extrémité de glissière
apte à coopérer avec le rail représenté aux figures 5 et 6 ;
- la figure 8 est une vue en perspective d'un voile de poutre sur
lequel on peut voir un mode de fixation particulier d'un rail
conforme à l'une quelconque des figures 2 à 7 ;
- la figure 9 est une vue en coupe de l'ensemble de la figure 8 prise
selon la ligne IX-IX ;
- les figures 10 à 12 sont des vues en coupe transversale de
différents modes de fixation d'un rail conforme à l'invention sur un
voile de poutre ;
- les figures 13 à 16 sont des vues en coupe transversale d'autres
modes de réalisation de rails selon l'invention, et
- les figures 17 à 19 sont des vues en coupe d'autres applications
de l'invention.
Sur l'ensemble de ces figures, des références identiques ou
analogues désignent des organes identiques ou analogues.
Les termes transversal et longitudinal s'entendent par
rapport à la plus grande longueur du rail selon l'invention.
Dans ce qui suit, on va particulièrement s'intéresser à un rail pour
capot d'inverseur de poussée conforme à l'invention, mais on verra à la fin de
la présente description que la présente invention peut s'appliquer plus
généralement à toute pièce en composite présentant une courbure.
On se reporte à présent à la figure 2, sur laquelle on peut voir que
le rail 3 selon l'invention comprend en réalité d'une part une partie
principale 14
définie par des plis de composite superposés de manière à définir une forme
en gouttière, et d'autre part une partie de renfort 15 comprenant des plis de
composite superposés au fond de cette gouttière, de manière à définir une
surface d'appui 17 sensiblement plane au fond de cette gouttière.
Dans le mode de réalisation de la figure 2, la partie principale 14
est sensiblement circulaire, avec une ouverture en forme de rainure 19
permettant d'accueillir une glissière notamment de capot d'inverseur de
poussée (voir figure 1).
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Dans l'exemple représenté à la figure 2, l'empilement de composite
définissant la partie de renfort 15 remplit sensiblement la moitié du cylindre
défini par la partie principale 14, mais cela n'est bien entendu nullement
limitatif.
5 Il faut
bien entendu comprendre que les plis définissant la partie
principale 14 et la partie de renfort 15 sont pris dans de la résine
polymérisée,
conférant à l'ensemble ainsi obtenu une très grande résistance, comme cela
est bien connu dans le domaine des matériaux composites.
On notera que les parties principale 14 et de renfort 15 peuvent
être obtenues part tout autre procédé de fabrication en matériaux composites :
tissage, drapage, tressage, couture avec des fibres de carbone, de verre, etc.
On comprend que la section circulaire de la partie principale 14
permet de réduire très sensiblement les contraintes imposées à cette partie
principale par la glissière (non représentée) susceptible de se déplacer à
l'intérieur de cette partie principale 14, au contact avec les surfaces
intérieures
du rail (branches 11a et 11b) : cette réduction des contraintes dans les zones
9a et 9b de la partie principale 14 est permise par l'augmentation du rayon de
courbure de cette partie 14 dans ces zones.
En d'autres termes, la partie de renfort 15 joue le rôle d'une zone
de transition, permettant d'un côté de créer une géométrie optimale pour les
efforts sur la surface correspondante de la glissière, et de l'autre côté
d'autoriser une géométrie optimale pour la glissière.
A noter toutefois que cette configuration circulaire de la partie
principale 14 n'est pas idéale pour permettre la fixation du rail selon
l'invention
à une poutre fixe de nacelle : une telle configuration circulaire a en effet
pour
conséquence de limiter l'étendue de la zone de contact du rail avec la partie
correspondante de la poutre.
C'est pourquoi, on pourra utilement mettre en oeuvre un autre
mode de réalisation représenté aux figures 3a à 3c, dans lequel la zone 21 de
la partie principale 14 du rail qui est destinée à coopérer avec une poutre
fixe
de nacelle 23, est aplatie.
Cette configuration, bien que légèrement moins favorable que celle
de la figure 2 vis-à-vis de la concentration des contraintes, permet toutefois
d'obtenir des rayons de courbure des zones de liaison 9a, 9b des branches
11a, llb avec le fond 13 du rail 3, qui sont nettement plus grands que ceux de
l'art antérieur (voir figure 1) : on peut de la sorte réduire considérablement
la
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concentration des contraintes dans la partie principale 14 (au niveau des
zones
9a et 9b) du rail 3.
La figure 4 montre que l'on peut avantageusement envisager de
faire en sorte que les plis de composite qui définissent la partie de renfort
15 du
rail, viennent en partie épouser l'intérieur de la forme en gouttière de la
partie
principale 14, comme cela est indiqué par la référence 25 de cette figure 4.
Afin de consolider le rail selon l'invention, on peut tout à fait
envisager de fermer l'une 27 de ces extrémités, comme cela est représenté
aux figures 5 et 6.
Pour ce faire, on prévoit des plis de composite 29 de fermeture de
l'extrémité 27 de ce rail, comme cela est plus particulièrement visible à la
figure
6 (le drapage de plis n'est qu'un exemple d'illustration, mais peut être
remplacé
part tout mode connu d'obtention de matériau composite).
On pourra à ce moment là utilement envisager que la glissière 5
présente une extrémité 31 correspondant au volume défini par l'extrémité
fermée 27 du rail 3, comme cela est visible à la figure 7.
Afin de renforcer la fixation d'un rail 3 conforme à l'une quelconque
des figures 2 à 6, sur le voile 1 de la poutre associée 23, on peut envisager
que
la partie de renfort 15 disposée au fond de la partie principale 14 du rail 3,
présente des sur-longueurs 33a et/ou 33b qui sont rabattues derrière le voile
1,
comme cela est visible aux figures 8 et 9 : ces sur-longueurs rabattues sont
prises dans la résine du voile 1 lors de la polymérisation, permettant ainsi
d'obtenir un ensemble à très forte cohésion.
La longueur de chaque rabat est fonction du passage des efforts à
effectuer entre le rail 3 et el voile 1, ainsi que de la place disponible à
l'arrière
de ce voile. Il est possible de renforcer ces liaisons par couture ou
touffetage
par exemple.
Sur les figures 10 à 12, on a représenté divers moyens de fixation
du rail selon l'invention sur le voile associé 1 de la poutre 23, pouvant être
utilisés seuls ou en combinaison avec l'un quelconque des modes de
réalisation représentés aux figures 2 à 9. La partie de renfort 15 permet
l'intégration de ces moyens de fixation.
Sur la figure 10, on peut voir que l'on fixe le rail selon l'invention 3
sur le voile 1 par touffetage (désigné couramment par le terme anglo-saxon
tufting ), c'est-à-dire par prise dans la résine du voile 1, de la partie
principale 14 et de la partie de renfort 15 de boucles 37 de fils 35 (par
exemple
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en carbone), disposés préalablement à la polymérisation de résine par les
aiguilles d'une machine adaptée, connue en soi.
Bien entendu, tout autre type de liaison tridimensionnelle, c'est-à-
dire réalisée par des fils disposés selon une direction sensiblement
perpendiculaire à celle du voile 1, pourrait convenir.
Comme on peut le voir sur la figure 10, les boucles 37 des fils 35
sont prises dans la masse des plis de la partie de renfort 15, de sorte
qu'elles
ne nécessitent aucune modification de l'outil d'injection de résine et de
drapage
des plis de composite.
Dans le mode de réalisation représenté à la figure 11, on utilise
des rivets 39 classiques, qui traversent le voile 1 et le fond 13 de la partie
principale 14 du rail 3, ces rivets 39 étant recouverts d'une part par les
plis de
composite formant la partie de renfort 15, et d'autre part par des plis
additionnels 41 disposés de l'autre côté du voile 1 par rapport au rail 3.
Le mode de réalisation de la figure 12 est en réalité une variante
du précédent, dans lequel on envisage un lamage 43 des plis de composite
définissant la partie de renfort 15 au droit des rivets 39, c'est-à-dire en
fait une
interruption de la partie de renfort 15 au droit de ces rivets 39, de manière
qu'ils
soient en retrait par rapport à la surface d'appui 17 de cette partie de
renfort
15, permettant ainsi le bon coulissement de la glissière associée.
Ce mode de réalisation peut être utilisé notamment lors d'une
réparation, à la suite d'un endommagement de la pièce par exemple ; la
réalisation du lamage 43 est effectué après polymérisation de la partie de
renfort 15.
Comme on peut le comprendre à la lumière de ce qui précède,
l'adjonction d'une partie de renfort 15 au fond de la partie principale 14 du
rail
3, permet d'une part d'assurer une réception plane de la surface
correspondante de la glissière associée, et d'autre part d'adopter la
géométrie
optimale pour la partie principale 14 du rail 3, vis-à-vis des questions de
concentration de contraintes.
On peut en particulier conférer à cette partie principale 14 des
rayons de courbure permettant de minimiser les concentrations de contraintes.
Grâce à cette optimisation, on peut réduire le dimensionnement de
la partie principale 14 du rail 3, et ainsi gagner de la masse.
L'invention a été décrite dans le cadre particulier d'un rail
permettant le coulissement d'un capot d'inverseur de poussée à grilles, mais
il
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va de soi que cette invention pourrait s'appliquer à tout autre système
coulissant d'une nacelle de moteur d'aéronef.
Plus généralement, la présente invention pourrait s'appliquer au
renforcement de toute pièce structurale en matériau composite présentant une
courbure.
D'autres variantes et applications de la présente invention vont être
mentionnées à présent.
Comme on peut le voir sur la figure 13, on peut traverser la partie
principale 14 du rail 3 avec des fils 35 de renfort (de verre ou de carbone
par
exemple) au plus près, et même à l'intérieur des zones 9a, 9b soumises à de
fortes contraintes, grâce à la présence de la partie de renfort 15 qui est
elle-
même traversée par ces fils. L'orientation de ces fils sera déterminée en
fonction des efforts en jeu.
Sans présence de la partie de renfort 15, ces fils seraient disposés
dans une zone sans concentration de contrainte, et leur efficacité serait donc
moindre.
De manière optionnelle, comme cela est visible à la figure 14, ces
fils 35 peuvent aussi traverser le voile 1, et ainsi permettre de renforcer la
fixation du rail 3 sur ce voile. Des zones martyres peuvent être ajoutées pour
une amélioration du cycle de production (installation des fils de renfort
directement dans l'outillage de polymérisation). En fonction de la géométrie
finale, un ajout de matière (dit tête de clou ) peut être nécessaire, comme
indiqué par la référence 45 sur la figure 14.
Par ailleurs, comme cela est visible du la figure 15, on peut adapter
la géométrie de la partie de renfort 15, de sorte qu'elle présente par exemple
une section interne 47 courbe et une section externe 49 polygonale, en
fonction des efforts à reprendre.
On notera également que l'on peut envisager d'usiner la partie de
renfort 15 afin d'obtenir exactement la section souhaitée, auquel cas on
prévoit
des plis sacrificiels lors de la fabrication de ce renfort.
On peut également incorporer un insert par exemple métallique 51
à l'intérieur du rail 3, sur la partie de renfort 15, comme cela est illustré
à la
figure 16.
D'autres applications de l'invention sont visibles aux figures 17 à
19.
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Sur la figure 17, les parties de renfort 15a et 15b sont disposées
dans les coins d'une liaison en T entre différentes séries de plis en
composite
51a, 51b, 51c ; de manière optionnelle, des fils de renfort 35 traversent ces
plis
et les parties de renfort 15a, 15b de manière à consolider l'ensemble.
Sur la figure 18, un rail secondaire en composite 53 d'inverseur de
poussée, qui présente normalement une section en U dont les angles sont à
900, présente ici une section arrondie, à l'intérieur de laquelle se trouve
une
partie de renfort 15 traversée par des fils de renfort 35 conformément aux
préceptes ci-dessus exposés.
Sur la figure 19, on peut voir une pièce en L 55 faisant partie d'une
structure de cadre avant d'inverseur de poussée : dans le coude de cette pièce
en L se trouve une partie de renfort 15 traversée par des fils de renfort 35
conformément aux préceptes ci-dessus exposés.
