Domaine de l'invention

La présente invention concerne un panneau composite destiné à former un élément de structure, muni d'une terminaison d'assemblage perfectionnée et une structure comportant un tel panneau. Le panneau de l'invention s'applique à des structures comportant des panneaux composites de type sandwich dans le but d'assurer une liaison structurale entre le panneau composite sandwich et d'autres éléments de la structure, ces derniers pouvant être des structures métalliques ou d'autres panneaux composites.

L'invention est plus particulièrement applicable sur des structures de grandes dimensions dans le domaine, comme par exemple les parois de voitures de transport ferroviaire.

Arrière plan technologique

De façon générale, et comme en particulier dans le transport terrestre et notamment le domaine ferroviaire, les liaisons entre différents panneaux de structure sont assurées par lignes de soudures par des rivets structuraux ou des liaisons boulonnées.

Les concepteurs de structures de trains, comme c'est le cas dans tous les domaines du transport, cherchent à diminuer la masse des structures afin d'augmenter la charge utile et/ou à réduire les consommations d'énergie, tout en maîtrisant les coûts de production.

Il est alors intéressant dans le domaine des transports terrestres de rechercher des solutions utilisant des matériaux composites à hautes performances, comme cela est le cas dans les domaines de l'aéronautique et du spatial. L'introduction de pièces de structures en matériaux composites à hautes performances nécessite de mettre en oeuvre des solutions techniques économiques et fiables pour assurer les liaisons mécaniques entre les différents sous-ensembles.

La présente invention concerne le domaine technique relatif à l'assemblage de grandes structures, en général métallique, et souvent de type sandwich, ou de panneaux constitués de deux peaux reliées par des pièces de liaison, et plus particulièrement le domaine des structures de trains, auquel on se référera pour la suite de la description.

Le document EP0392828A1 aux figures 4 et 7 à 10 décrit des jonctions boulonnées entre différents types de planchers de caisses de voitures de train et des parois verticales de ces caisses. L'exemple de la figure 4 propose notamment de réaliser un caisson avec deux cornières fixées entre elles et pourvues d'ailes de reprise du plancher extrudé.

Le document JP2001278039A propose de réaliser la jonction d'un plancher avec une paroi en panneau sandwich avec une pièce en équerre.

Le document US6065261 A décrit, dans le cadre de la fixation de panneaux composites sandwich avec des panneaux tubulaires métalliques en alliages légers, des pièces de jonction entre lesdits panneaux réalisées au moyen de profilés tubulaires pourvus d'ailes d'appui sur les panneaux tubulaires métalliques, ces derniers étant eux mêmes pourvus d'ailes qui sont boulonnées ou rivetées sous une face inférieure des profilés tubulaires.

Pour les liaisons avec des panneaux composites sandwich, dans le domaine aéronautique il existe notamment des dispositifs à bride en U comme représenté à la figure 1 et des dispositifs d'éclissage comme représenté à la figure 2. Les fixations se reprennent sur les peaux avec dans le cas de la figure 2 une technique dite de retour à la peau pour laquelle les peaux dépassent de l'âme et sont solidarisées ensemble avec une contre plaque métallique.

Dans le cadre de l'art antérieur, la liaison représentée en figure 2 présente l'inconvénient de réduire fortement l'inertie en flexion de la structure dans la zone de liaison, ce qui peux présenter un point faible non acceptable. La liaison présentée en figure 1 permet de remédier à ce problème, mais au prix d'un nombre important de lignes de liaisons à réaliser ce qui représente du cycle et donc du coût.

Il est à noter que ces deux exemples de liaisons ont en commun l'utilisation d'une éclisse, dont la présence nécessite des lignes de liaison spécifique et donc supplémentaires

Brève description de l'invention

Dans le cadre de la présente invention, l'architecture envisagée pour les pièces de structure en matériaux composites est constituée de panneaux sandwich comportant deux peaux en matériaux composite constituées de fibres et de résine synthétique à base de matériau polymère.

Les peaux sont collées de chaque côté d'une âme de faible densité qui permet d'obtenir les propriétés d'inertie de flexion souhaitée. Ce type de structure est avantageux en termes de performance et de coût.

La liaison de ces pièces de structure en matériaux composite avec des éléments de structure complémentaires nécessite de réaliser une liaison réalisant une transition entre lesdits panneaux et lesdits éléments reprenant les efforts subis par les panneaux et assurant l'intégrité physique des extrémités desdites pièces de structure. Le choix de la technologie de liaison objet de l'invention repose sur l'utilisation d'éléments de liaisons mécaniques tels que rivets, boulons aveugles ou vis/écrous et l'utilisation d'inserts renforçant la liaison.

L'invention a en particulier comme objectifs d'assurer une liaison structurale entre un panneau sandwich et une structure métallique ou entre deux panneaux sandwich, de préservant une inertie optimale en flexion et de minimiser le nombre de lignes de fixation et donc le cout de l'assemblage.

Plus précisément l'invention propose un panneau composite comprenant une peau supérieure et une peau inférieure de part et d'autre d'une âme en mousse ou nid d'abeille, qui comprend au niveau d'un bord du panneau composite une terminaison d'assemblage comportant un élément renfort intégré au panneau et longeant le bord du panneau, l'élément renfort comportant au moins une première paroi en regard d'une desdites peaux, au moins une seconde paroi en regard de l'autre desdites peaux et au moins une paroi de liaison entre lesdites première et seconde parois, la terminaison d'assemblage comportant en outre au delà de l'élément renfort une bordure de retour à la peau réalisée en solidarisant ensemble les deux peaux.

Selon un mode de réalisation préférentiel, un profilé est disposé entre l'élément renfort et la bordure où les peaux se rejoignent, ledit profilé étant muni d'une face inclinée au bord de la structure, ledit profilé formant un support de drapage incliné réalisant une face de transition permettant à la peau supérieure de venir s'appliquer sur la peau inférieure pour réaliser la bordure.

Selon un premier mode de réalisation, le renfort est un tube de section rectangulaire ou carrée pour lequel la première et la seconde parois forment respectivement une face supérieure et inférieure du renfort, lesdites faces étant reliés par des parois latérales du tube.

Selon un deuxième mode de réalisation, le renfort est un profilé oméga et comporte une première paroi centrale reliée à deux secondes parois par des nervures latérales du profilé oméga.

Selon une première alternative, l'espace interne au renfort est comblé par un matériau de même structure que l'âme du panneau.

Selon une seconde alternative, l'espace interne au renfort est laissé vide.

Selon un troisième mode de réalisation, le renfort est un profilé en Z et comporte une première paroi supérieure en porte à faux reliée à une seconde paroi inférieure en porte à faux par une paroi de liaison du profilé.

Selon un premier mode de réalisation, le renfort est réalisé en matériau composite.

Le matériau composite du renfort est préférablement constitué de fibre de verre ou carbone et de résine synthétique.

Le matériau composite du renfort comporte avantageusement un empilement de couches transversales ou circonférentielles à 90° et de couches inclinées à ± 40° à 50° par rapport à un axe longitudinal du renfort.

Selon un second mode de réalisation, le renfort est réalisé dans un métal compatible en terme de dilatation différentielle avec le cycle de polymérisation du panneau composite en sorte de ne pas dégrader les collages.

Les liaisons âme/renfort et peau/renfort sont préférablement réalisées avec un adhésif en film mais peuvent aussi être réalisées avec une résine autoadhésive. L'invention propose en outre un assemblage d'un panneau composite selon l'invention formant un premier élément de structure avec un second élément de structure qui comporte un élément de liaison comportant un profil pourvu d'un face d'appui et de fixation de l'élément sur le panneau au niveau de la première paroi du renfort, une face de liaison et une face d'appui et de fixation sur la bordure de retour à la peau du panneau.

Dans le cas où le panneau composite comporte une face de transition, la face de liaison longe la face de transition.

L'élément de liaison fait préférablement partie d'un élément de structure à fixer au panneau composite.

L'invention concerne en outre un assemblage de deux panneaux composite selon l'invention disposés opposés tête bêche au niveau de leurs terminaisons d'assemblage, des moyens de fixation fixant la bordures de retour à la peau de chacun desdits panneaux sur le renfort du panneaux opposé au travers d'une face dudit panneau opposé.

Brève description des dessins

D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront apparents à la lecture de la description qui suit d'un exemple non limitatif de réalisation de l'invention en référence aux dessins qui représentent:

En figure 1 : un premier exemple de fixation d'un élément structurel de type panneau composite avec un élément de liaison selon l'art antérieur;

en figure 2: un exemple de liaison de deux panneaux composites par éclissage de l'art antérieur;

en figure 3: une vue en coupe d'une terminaison de panneau composite selon un premier mode de réalisation de l'invention;

en figure 4: une vue en coupe d'un exemple de dispositif d'assemblage selon l'invention du panneau de la figure 3 avec un élément structurel;

aux figures 5a, 5b, 5c, 5d: des vues en coupe d'exemples de réalisation de panneaux selon différents modes de réalisation de l'invention;

en figure 6: une vue en coupe d'une variante de dispositif d'assemblage de l'invention;

En figure 7: une jonction de deux panneaux selon l'invention.

Description détaillée de modes de réalisation de l'invention Les figures 1 et 2 représentent des dispositifs de liaison de l'art antérieur notamment dans le domaine aéronautique et spatial. La figure 1 concerne une liaison sandwich/métal par bride en « U » où le panneau A est repris entre deux plaques B et C, la plaque C étant rapportée et fixée sur une pièce de liaison D comportant la plaque B. La figure 2 représente une liaison sandwich/métal par éclissage avec retour à la peau. L'éclisse est fixée sur les retours à la peau H1 , H2 de deux panneaux composites G1 , G2.

La liaison présentée en figure 2 présente l'inconvénient de réduire fortement l'inertie en flexion de la structure dans la zone de liaison, ce qui peux présenter un point faible non acceptable par le design. La liaison présentée en figure 1 ne pose pas ce problème, mais au prix d'un nombre important de lignes de liaisons à réaliser et de la présence d'une éclisse.

Le principe de la liaison de l'invention basé sur un renfort intégré au panneau est décrit à la figure 3 et les principaux éléments qui constituent la terminaison de fixation du panneau sont représentés à la figure 4. Le panneau composite 1 comporte deux peaux en composite 10, 1 1 notamment réalisés en fibre de verre et/ou de carbone associée à une résine synthétique par exemple une résine époxy dont les épaisseurs et le drapage sont optimisé pour garantir les exigences de tenue mécanique et de raideur du panneau. Il comporte un matériau d'âme 12 préférentiellement en mousse polyéthylène (PET), polyméthacrylimide (PMI), nid d'abeille aluminium ou à fibre aramide connue sous la marque Nomex. La réalisation de la terminaison inclut un profilé d'extrémité 1 6 creux ou plein.

Le profilé, qui peut être réalisé dans le même matériau que l'âme, est pourvu d'une face inclinée au bord de la structure. La pente de la face inclinée réalise un support de drapage incliné adapté à permettre à une peau 10 de venir s'appliquer sur l'autre 1 1 par une transition progressive par exemple selon une pente entre 30° et 60° jusqu'à la zone de retour à la peau 17 où les peaux sont superposées. En figure 3, les peaux sont représentées avant collage ou polymérisation, notamment au niveau du retour à la peau 17. Des exemples de terminaisons polymérisées sont représentés en particulier aux figures 5A à 5D. Selon la figure 5A, le profilé est découpé en triangle et selon la figure 5D, le profilé comporte une section pourvue d'une portion rectangulaire sous une paroi supérieure 14"a du renfort et d'une portion triangulaire entre le bord de la paroi 14"a du renfort et la bordure 17. Les liaisons âme/peau 20 sont réalisées avec un adhésif en film ou une résine autoadhésive et un élément renfort 13a est intégré lors de la fabrication du panneau parallèlement au bord du panneau séparé dudit bord par le profilé.

L'élément renfort 13a en forme de tube carré ou rectangulaire intégré au panneau et longeant le bord du panneau comporte une première paroi 14a en regard d'une des peaux, une seconde paroi 14b en regard de l'autre des peaux et deux parois de liaison 15a, 15b entre lesdites première et seconde parois. La terminaison d'assemblage comportant au delà de l'élément renfort une bordure de retour à la peau 17 réalisée en solidarisant ensemble les deux peaux 10, 1 1 et le profilé 1 6 découpé en triangle est disposé entre l'élément renfort 13a et la bordure 17 où les peaux se rejoignent, ledit profilé formant un support de drapage incliné réalisant une face de transition 21 permettant à la peau supérieure de venir s'appliquer sur la peau inférieure pour réaliser la bordure.

Le renfort est réalisé dans un métal compatible en terme de dilatation différentielle avec le cycle de polymérisation du panneau composite en sorte de ne pas dégrader les collages.

En référence à la figure 4, un dispositif d'assemblage d'un élément de structure de type panneau composite 1 avec un second élément de structure 35 comporte un élément de liaison 31 comportant un profil pourvu d'un face 32 d'appui et de fixation de l'élément sur le panneau au niveau de la première paroi 14a du renfort 13a, une face de liaison 34 et une face 33 d'appui et de fixation sur la bordure 17 de retour à la peau du panneau.

La face de liaison 34 longe la face de transition 21 et la première face d'appui se trouve d'un premier côté du panneau alors que la seconde se trouve sur le côté opposé du panneau.

Dans le cas de la figure 6, l'élément de liaison 31 est solidaire d'un élément de structure 35 à fixer au panneau composite alors que dans le cas de la figure 6, le panneau de l'invention est fixé directement sur une terminaison pliée d'une tôle 30 formant un panneau métallique.

Dans le cas de la figure 4, l'élément de liaison 31 est fixé au panneau au niveau du renfort et de la bordure par des moyens de fixation de type boulons aveugles 40, 41 de même que dans le cas de la figure 6, le boulon fixant l'élément de liaison au niveau du renfort.

Dans le cas où les peaux du panneau sandwich sont constituées à partir de fibres de carbone, les moyens de fixation sont préférablement réalisés en matériaux en acier inoxydable (type A286) et/ou en alliage de titane type TA6V afin d'assurer la compatibilité du dispositif d'assemblage vis-à-vis de la corrosion galvanique.

Les moyens de fixation sont choisis soit à tête protubérante 40 ou à tête fraisée 41 .

Les fonctions du renfort 13a sont de renforcer localement la peau interne vis-à-vis des efforts locaux d'arrachement induit par le boulon aveugle, d'assurer une protection de la peau externe vis-à-vis des dégradations induites lors du perçage (délaminage en sortie de trou) et/ou de formation du bulbe du boulon aveugle, de diffuser l'effort d'arrachement localisé au niveau du boulon aveugle vers le matériau d'âme et vers la peau composite externe et de reprendre mécaniquement les efforts de compression introduit localement par la liaison, à la place de la mousse dont la tenue en compression est faible.

La figure 7 représente l'assemblage de deux panneaux de l'invention tête bêche.

Selon cet exemple, des premiers moyens de fixation 401 traversent la bordure 17' d'un premier 1 ' des deux panneaux composites, la peau 1 1 pourvue de la pente de transition du second 1 des deux panneaux et le renfort 13a de ce second panneau et des seconds éléments de fixation 402 traversent la bordure 17 du second des deux panneaux, la peau 1 1 ' pourvue de la pente de transition du premier des deux panneaux et le renfort 13'a de ce premier panneau. Un élément de comblement 42 rattrape le jeu au niveau de l'une des deux fixations.

Plusieurs géométries de renfort peuvent être prévues à la condition de relier les deux peaux du panneau sandwich et de présenter une largeur suffisante pour autoriser la pose des éléments de fixations. Plusieurs exemples de géométries de renforts sont indiqués aux figures 5A à 5D à titre d'exemples.

Selon la figure 5A, le renfort est un tube 13a de section rectangulaire ou carrée pour lequel la première 14a et la seconde 14b parois forment respectivement une face supérieure et inférieure du renfort, lesdites faces étant reliés par des parois latérales 15a, 15b du tube.

Selon les figures 5B et 5C le renfort est un profilé oméga 13b et comporte une première paroi centrale 14a' reliée à deux secondes parois 14c, 14d par des nervures latérales 15c, 15d du profilé.

Dans le cas des figures 5A et 5B l'espace interne au profilé peut être laissé vide.

Dans le cas de la figure 5C l'espace interne au profilé est comblé par un matériau 18 de même structure que l'âme du panneau.

Dans le cas de la figure 5D le renfort est un profilé en Z 13c et comporte une première paroi supérieure en porte à faux 14a' reliée à une seconde paroi inférieure en porte à faux 14e par une paroi de liaison 15e du profilé.

Dans les configurations ou le renfort n'est pas supporté par un matériau d'âme, cas des figures 5A et 5B, il est nécessaire de s'assurer de la tenue mécanique du profilé sous les contraintes de pression et de température induites par le cycle de polymérisation du panneau sandwich.

Le renfort est constitué préférentiellement de fibre de verre ou de fibres de carbone en fonction des applications associé à une résine (époxy par exemple).

On s'assurera de la compatibilité en dilatation différentielle des matériaux du composite et du renfort.

Le renfort peut également être constitué de matériau métallique, à la condition de vérifier aussi dans ce cas la compatibilité en terme de dilatation différentielle avec le cycle de polymérisation du panneau composite en sorte de ne pas dégrader les collages. Par exemple, si le composite est un composite à base de fibres de carbone le métal peut être un acier fer nickel connu sous l'appellation INVAR.

En effet, si une dilatation différentielle entre le profilé et les peaux en composite existe, elles vont majoritairement apparaître dans le sens de la longueur lors de la montée en température et vont générer des contraintes internes dans les liaisons collées lors du refroidissement. Ces contraintes peuvent affaiblir l'assemblage, le gauchir ou au pire conduire à la rupture des adhésifs notamment pour des panneaux de longueur supérieure à une dizaine de mètres comme des panneaux réalisant une paroi continue de caisse de voiture ferroviaire. L'empilement du renfort est constitué préférentiellement de couches circonférentielles (90°) et de couches longitudinales ±a (par exemple ±45°), selon une proportion qui peut être à 50% pour l'une et l'autre. L'épaisseur de la paroi sera de l'ordre de grandeur de celle des peaux, soit de l'ordre de 2 à 4mm.

Le renfort peut être un profilé déjà polymérisé ; ou bien il peut être réalisé in situ lors de la fabrication du panneau sandwich et polymérisé en même temps que ce dernier.

Les éléments de liaison sont constitués préférentiellement de boulons aveugles compte-tenu de l'absence d'accès à l'intérieur de la structure « A» (et également potentiellement « C » pour assurer le passage d'une clef de serrage.

Les éléments de liaison pourront être choisis à têtes protubérantes ou à têtes fraisées en cas d'exigence de profil lisse en face externe de la caisse par exemple, de façon à masquer la présence des têtes sous la peinture.

De retour à la figure 4, l'élément de structure complémentaire 35 sur lequel se monte le panneau peut être constitué d'un matériau métallique, par exemple dans le cas d'une liaison avec une structure de caisse existante en alliage d'aluminium ou acier. Cet élément peut aussi être également un panneau sandwich en matériaux composite. Dans ce cas, il reprendra les principes constructifs du panneau composite de l'invention. Compte-tenu du fait que la liaison est hyperstatique, un jeu fonctionnel de montage est à prendre en compte au niveau de l'une des deux ailes 32, 33 de la liaison.

Ce jeu fonctionnel peut être comblé avant ou après la mise en place des éléments de liaison par un matériau de comblement 42. La solution peut par exemple consister à interposer une résine liquide dans le jeu à combler puis à effectuer le cycle de durcissement de cette résine.

Cette résine sera préférentiellement constituée d'une base époxy (par exemple connue sous la marque Hysol EA9394 ou autres solutions équivalentes) chargée afin de supporter les contraintes de compression dans le joint.

La mise en oeuvre de cette résine pourra aussi être réalisée par injection dans l'entrefer après accostage.

Une autre solution consiste à déposer une couche de mastic liquide en surépaisseur sur l'une des deux pièces avant accostage, les efforts d'accostage permettant d'assurer le fluage du mastic. Une autre solution pour assurer le comblement consiste à utiliser des cales solides et à les interposer dans l'entrefer, mais cela nécessite une opération supplémentaire de mesure des jeux résiduels suivi d'un démontage de la liaison, ce qui constitue un désavantage en termes de cout d'assemblage par rapport à la solution de comblement liquide.

La présente invention peut être utilisée notamment sur tous les types de véhicules de transport routier ou ferroviaires destinés au transport de passager, pour lesquels des liaisons structurales sont requises. L'invention n'est pas limitée à l'exemple représenté et notamment un ou plusieurs bords de la structure peuvent être pourvus du dispositif d'assemblage de l'invention. Dans le cas d'une structure à quatre côtés notamment les renforts peuvent être réalisés sous forme d'un cadre continu.