EP3206931A1 - Architecture de paroi de face de voiture telle qu'une voiture de train en composite sandwich - Google Patents

Architecture de paroi de face de voiture telle qu'une voiture de train en composite sandwich

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Publication number
EP3206931A1
EP3206931A1 EP15781099.5A EP15781099A EP3206931A1 EP 3206931 A1 EP3206931 A1 EP 3206931A1 EP 15781099 A EP15781099 A EP 15781099A EP 3206931 A1 EP3206931 A1 EP 3206931A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
car
car according
openings
fibers
wall
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP15781099.5A
Other languages
German (de)
English (en)
Inventor
Sylvain Claudel
Marcel Auberon
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ArianeGroup SAS
Original Assignee
Airbus Safran Launchers SAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Airbus Safran Launchers SAS filed Critical Airbus Safran Launchers SAS
Publication of EP3206931A1 publication Critical patent/EP3206931A1/fr
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61D—BODY DETAILS OR KINDS OF RAILWAY VEHICLES
    • B61D17/00—Construction details of vehicle bodies
    • B61D17/04—Construction details of vehicle bodies with bodies of metal; with composite, e.g. metal and wood body structures
    • B61D17/08—Sides
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61D—BODY DETAILS OR KINDS OF RAILWAY VEHICLES
    • B61D17/00—Construction details of vehicle bodies
    • B61D17/005—Construction details of vehicle bodies with bodies characterised by use of plastics materials
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61D—BODY DETAILS OR KINDS OF RAILWAY VEHICLES
    • B61D1/00—Carriages for ordinary railway passenger traffic
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61D—BODY DETAILS OR KINDS OF RAILWAY VEHICLES
    • B61D17/00—Construction details of vehicle bodies
    • B61D17/04—Construction details of vehicle bodies with bodies of metal; with composite, e.g. metal and wood body structures
    • B61D17/18—Internal lining, e.g. insulating
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T30/00—Transportation of goods or passengers via railways, e.g. energy recovery or reducing air resistance

Definitions

  • the present invention relates to a car face wall architecture such as a composite sandwich train car equipped with openings.
  • the invention relates to a design solution of a structural panel made of composite material equipped with openings: windows, portholes, windows intended to reduce the overall weight of the structure and applicable in particular on the walls of a rail transport crate whether it is urban equipment, metro, tramway, regional train or cars for high speed lines.
  • a train body structure behaves mechanically like a bending box whose flag (the roof) and the frame (the floor) constitute the soles and the faces constitute the vertical sails.
  • the faces, when they are, are subjected mainly to shear stresses 201.
  • the panels are also subjected to bending stresses induced by the pressure waves of the order of 8000Pa experienced during crossings and / or tunneling for a high-speed train, to the effect of vertical loads 201, mass of equipment and passengers on the chassis, local efforts or others.
  • the crates are essentially composed of metal structures, for example steel sheets or mechanically welded aluminum profiles, as described for example in the document EP0392828A1 or JP2000264200A.
  • JP4427273B2 in the form of sandwich walls, that is to say two metal skins interconnected by elements, or by panels reinforced by stiffeners as described in JP2000264200A or by a combination of two types of solutions
  • Structural composite materials that provide the desired mass gain with the required level of performance are based on long, continuous carbon or glass fibers.
  • the fiber represents approximately 50% to 60% of the volume, the remainder consisting of an organic matrix (generally an epoxy type resin but also sometimes polyester, vinylester, etc., and optionally thermoplastic resins such as polyamides, peek, etc.).
  • Sandwich materials consisting of two skins of identical nature to monolithic materials separated by a soul.
  • This soul is often made of a very low density material, honeycomb type, or foam, or other (balsa sometimes). This makes it possible to obtain the desired off-plane bending inertia properties. This type of structure is advantageous in terms of performance and cost.
  • core materials may be used, for example denser materials for providing sound damping capabilities to the sandwich structure. See for example JP2001278039A.
  • Composite materials therefore make it possible to implement the same technical solutions as metal materials, namely structures monolithic stiffened or sandwich structures, but with a wide variety of possible solutions, because many combinations are possible between the various fibers (carbon, glass, SiC, vegetable fibers, ...), the resins (epoxy, polyester, vinylester, PEEK, polyamides, ... thermosetting or thermoplastic) and souls (metal honeycombs, foams or other).
  • the optimum mechanical properties of the composite materials are provided by the fibers, these materials are by nature anisotropic, and therefore their optimization of the structures requires that the orientations of the fibers in the thickness of the material be defined as a function of the mechanical stresses. that sees the structure.
  • the stiffness requirements lead to preferentially orient the fibers in the direction of the length.
  • the shear stress that applies must be taken up by fibers oriented at + and -45 °. It is in fact under these conditions that the structure is optimized in its mechanical operation, and therefore in mass and cost.
  • train cars Like all passenger vehicles (cars, coaches, trains, airplanes, even spacecraft), train cars must have windows. These windows being made of different materials from the rest of the vehicle structure, they must be the object of a specific design.
  • a device for fixing the windows to the remainder of the wall or structure must be put in place, as for example in the patent FR 291 1 1 12A1 relating to aircraft.
  • a reinforcement of the structure in their vicinity must be provided as described in this US patent 2012 / 0223187A1.
  • train crates made of composite materials, in particular in the form of sandwich panels.
  • the train windows are distinguished from those of aircraft by their unit area, much larger than that of aircraft, by their geometry, which is characterized by an elongation (ratio of the length squared on the surface) greater than 2 for the the majority of the windows of a box, by the total glazed surface compared to the wall surface of the lateral structure, also much higher than that of the planes.
  • the dimensioning of the running part of a body section of a train is also different from that of an aircraft fuselage by the following specificities:
  • the invention therefore aims to propose a solution for reducing the mass of structures of a train body by the use of composite materials while maximizing the glass surface available to passengers.
  • the invention makes it possible to design a face (wall) of a car made of composite material in the form of a monoblock sandwich, locally reinforced only for the interfaces, based on high strength carbon fibers for the most part, sampled to optimize at best the mechanical stresses, but also taking into account the requirements of finishing and integration, having apertures of suitable shape for a better use of this sampling.
  • the invention more particularly proposes a car of a rolling vehicle which comprises one-piece side walls made of composite material comprising a sandwich structure provided with a first skin on the outside of the car, a second skin on the inside of the car and a closed-cell foam or honeycomb core between said skins, said walls being provided with window openings formed by lay-ups of longitudinal fibers, transverse fibers and crossed diagonal fibers, said openings having a polygonal shape reducing the area of interrupted diagonal fibers in the corners of the openings.
  • the invention makes it possible to dispense with stiffeners or wire mesh elements to reinforce the structure.
  • the openings preferably have a hexagonal or octagonal general shape with two large horizontal sides connected by convex lateral edges with two segments, three segments or an oval shaped segment.
  • the openings are equipped with a reinforcing edge provided with a tubular frame.
  • the reinforcing edge has an internal flange for fixing the edge on the edge of the opening on the inner side of the wall.
  • the tubular frame is advantageously of rectangular section, the inner wing extending one face of the tubular frame on the inside of the wall.
  • the inner wing preferably attaches to the inside of the wall by means of screws, rivets or other fastening means which solidarize the wing and the inner skin of the composite panel.
  • a face of the tubular frame facing the inside of the car is fixed by means of screws, rivets or other fastening means on a rim of the opening made by the second skin protruding from the core of the wall.
  • the reinforcing edge has an internal collar accommodating a fixing of a window.
  • At least one of the two skins of the sandwich structure is made by means of folds oriented in 4 preferred directions 0 ° (longitudinal axis of the body), 90 °, + 45 ° and -45 °.
  • the plies are prepreg plies with a basis weight of between 125g / m 2 and 500g / m 2 .
  • the corner segments of said openings are inclined between 45 ° and 60 ° with respect to a longitudinal direction of the wall and preferably inclined between 45 ° and 50 ° with respect to a longitudinal direction (L) of the wall.
  • the 45 ° yarns are advantageously in the form of at least two folds of +/- 45 ° carbon fiber.
  • the core of the sandwich is made of a material chosen from polyethylene terephthalate (PET), polymethacrylimide (PMI), polyetherimide (PEI), an aluminum honeycomb or a poly (m-phenyleneisophthalamide) (MPD-I) honeycomb (structure impregnated with phenolic resin).
  • PET polyethylene terephthalate
  • PMI polymethacrylimide
  • PEI polyetherimide
  • MPD-I poly (m-phenyleneisophthalamide) honeycomb (structure impregnated with phenolic resin).
  • FIG. 1 a basic representation of the shear stresses in the longitudinal direction of a train car side panel
  • FIG. 3 a representation of a panel of the prior art
  • Figure 4 a perspective view of a panel portion and openings according to the invention
  • Figures 5A, 5B a sectional detail of a reinforcing frame at a window opening in the wall according to two embodiments;
  • FIG. 6 a front view of an exemplary embodiment of a panel of the invention for a two-storey car
  • FIG. 7 a schematic representation of the structure of the wall of the invention between window openings
  • Figure 8 a perspective view of a car body with walls according to one aspect of the invention.
  • FIG. 9A a schematic view of inclined fiber passages between openings
  • FIGS. 9B and 9C representative curves of the stresses and shear at the cutting level of the openings within the scope of the invention.
  • train car 1 an example of which is given in FIG. 8, which comprises side walls 2 made of a single piece of composite material.
  • the material chosen has a sandwich structure 10 shown in FIG. 2 and provided with a first skin 1 1 on the outside of the car, a second skin 12 on the inside of the car and a closed cell core 3a or honeycomb 13b between said skins.
  • the walls are provided with window openings 20 formed by lay-ups of longitudinal fibers, transverse fibers and crossed diagonal fibers 100 of the sandwich structure, said openings 20, as shown in FIG. having a hexagonal shape having two large horizontal sides and side walls 29 with a convex V profile or an oval profile which reduce the diagonal fiber surface 100 interrupted in the corners of the openings and in FIG. 7 an octagonal shape for which the lateral sides have three segments.
  • the sandwich structures offer the following advantages in particular:
  • the frames are thicker than the sandwich which locally reduces the internal volume of the structures built.
  • the materials, composite and core, of the panel must be chosen to meet many constraints, which leads to eliminate many potential solutions, and ultimately to retain solutions that are compromises once again among the multiple solutions considered.
  • the shear modulus intervenes in the bending stiffness of the panel.
  • the tensile / compressive and shearing strengths of the material must in particular be adapted to ensure sufficient mechanical strength under service loads.
  • the density of the material is an important data in a view of minimizing the mass of the structure.
  • the choice of sandwich panel materials involves other considerations, such as compatibility with the intended manufacturing process.
  • the cost constraints associated with the large dimensions of the parts justify the selection of a manufacturing process under vacuum (excluding autoclave). The impact of this choice comes first on the selection of the resin.
  • stresses 0.1 Mpa + temperature up to 120 ° C
  • the material must also comply with rail standards for fire behavior, in particular the EN45545 standard in its 2013 version.
  • polyethylene terephthalate (PET) in certain densities polymethacrylimide (PMI), polyetherimide (PEI) meet all these requirements.
  • PMI polymethacrylimide
  • PEI polyetherimide
  • bee or aluminum honeycomb poly (m-phenyleneisophthalamide) (MPD-I) (structure impregnated with phenolic resin) (known under the trademark NOMEX for example) also satisfy.
  • Thermal insulation is also a constraint to take into account.
  • the use of a core material made of closed cells inherently having excellent thermal insulation properties offers the advantage of integrating the thermal protection function in the manufacture of the panel, and thus gain cost and cycle on the realization of this function generally performed at the level of the cash structure.
  • the face of the car is a one-piece sandwich panel pierced to make openings such as window, doors, display devices or others.
  • the openings include reinforcements for fixing the elements on these openings (windows, doors, ...) and to compensate for the loss of stiffness of the face panel related to the presence of the hole.
  • This reinforcement at the level of the window openings is provided by a reinforcing border with a border frame (metal in the case of the example) as shown in FIG. 4 and in section of the hole of the composite panel bordered by the border of reinforcement 21 in FIGS. 5A and 5B.
  • the reinforcing edge 21 is provided with a tubular frame 30.
  • the border comprises a wing 31 known as an inner wing which makes it possible to fix the border on the edge 2a of the opening on the internal face of the panel, ie the face lying inside of the fund.
  • the tube of embodiment of the tubular frame 30 is of rectangular section, the inner wing 31 extending a lateral face 21a of the tubular frame of the reinforcing border 21.
  • the inner wing 31 is fixed on the wall on the inside of the car by means of screws, rivets or other fastening means 32 which, in the case of rivets, will grip the outer wing and the skin forming the inner face of the car. wall of the car.
  • a seal 37a is interposed between the wing 31 and the inner face of the wall.
  • the lateral face 21b of the tubular frame 30 directed towards the outside of the car is fixed by means of screws, rivets or other fastening means 32 on a rim of the opening made by the skin 2b of the panel forming the outer face of the car. the box and which overflows with respect to the soul of the panel.
  • a seal 37b is interposed between the lateral face 21b and the second skin 2b.
  • the reinforcing rim 21 further comprises an internal collar 34 for fixing the window.
  • the inner wing 31 is fixed on the wall on the inside of the car by means of screws, rivets or other fastening means 32 which, in the case of rivets, will grip the outer wing and the skin forming the inner face of the car. wall of the car.
  • a seal 37a is interposed between the wing 31 and the inner face of the wall.
  • the lateral face 21b of the tubular frame 30 directed towards the outside of the car is fixed by means of screws, rivets or other fastening means 32 on a rim of the opening made by the skin 2b of the panel forming the outer face of the car. the box and which overflows with respect to the soul of the panel.
  • the reinforcing rim 21 further comprises an internal collar 34 for fixing the window.
  • a frame plate 36 is fixed on the outer side face 21b of the edge and on the panel 2.
  • the frame plate 36 and the outer skin are beveled in complementary manner and the fastening elements 33b solidarisant the plate and the panel are fixed in the core of the panel.
  • a seal 37c is interposed between the plate on one side and the border and the panel on the other side.
  • the skins are made with "HR" grade carbon fibers and E-glass depending on the areas and requirements and an epoxy resin having, when impregnated with the above fibers in a monolithic panel with a thickness of between 2 and 8 mm, FST properties> HL1 R1, R7 (according to EN45545 standard).
  • the thickness of a skin is 2 to 5 mm and the fibers are in the form of unidirectional sheets or pre-impregnated fabrics.
  • a PET foam with a density greater than or equal to 100 kg / m 3 is chosen, a PMI foam with a density greater than or equal to 50 kg / m 3 or a honeycomb with a density greater than or equal to 50 kg / m 3 , depending on the areas and needs.
  • the thickness of the soul is 10mm to 200mm there also depending on the areas and needs.
  • the process used is a vacuum bag polymerization (except autoclave) with a temperature not exceeding 120 ° C.
  • these specifications concern the natural frequency of the vehicle, which must be greater than about 10 Hz; it is then necessary to dimension the face in stiffness, the compression / traction forces related to the circulation of the car, which are of the order of a hundred tons; bending forces, related to pressure waves of the order of 10 OOOPa.
  • the wall in particular for a two-stage car with lower window 20a and upper windows 20b, the wall will have different skin thicknesses between the lower part of the face and the upper part.
  • the lower part of the panel (301) is made with a skin thickness of 2.78 mm and a thickness the upper portion 302 is made with a skin thickness of 3.33 mm and a core thickness of 38 mm.
  • each skin has a thickness of about 3 mm, which is in the passage much greater than the thicknesses of aircraft fuselages, which do not exceed 2 mm.
  • At least one and preferably the two skins of the sandwich structure are for example made with plies of high strength carbon prepregs, for example of T700 type Toray company.
  • the table below describes the fibrous architecture that can be achieved depending on the areas of application of the composite.
  • the optimization of the structure requires the presence of fibers at 0 °, 90 ° and +/- 45 °.
  • the 45 ° fibers are particularly suitable for taking up the shear forces in the context of the panel considered.
  • the shear stress Tau (t) that applies to the front panel must be taken up by fibers 100 oriented at + 45 ° and -45 ° on each of the two skins of the structure, as illustrated.
  • the shear stresses pass through the resin, which results in a need to over-thicken the sandwich panel skins in the inter-bay area (trumeau) in order to lower the shear stress below the level. admissible by the resin.
  • the permissible shear stress permissible by the resin is of the order of 30 MPa when it is 500 MPa in the direction of the fiber when it is solicited in compression. Cutting the fibers also makes the structure much more sensitive to environmental conditions and fatigue. Under fatigue loads, the permissible plane shear stress of the resin is evaluated to be about 10 MPa when it is possible to assume a strength greater than 200 MPa in the direction of the fiber.
  • the optimum fiber orientation is around ⁇ 45 °, not around 70 ° as for an aircraft fuselage.
  • the stack of the composite panel (draping at 0 °, +45, -45 ° and 90 °) corresponds to that which has been defined to meet the mechanical need in the current zone of the body.
  • the angle "a" cutting of the bay is varied.
  • the analysis also shows that the angle of the bays could be opened up to about 55 ° without needing reinforcements.
  • FIG. 8 shows the complete box of the car with the flag 35, the door openings 23 and its frame 25, service openings 22, 26 such as the air-conditioning and their frame 24, 27 as well as the end frames. 28 on which are fixed the walls 2.
  • the self-rigidized body can be directly assembled with a frame carrying the bogies of the car.
  • the present invention can be used on all types of rail transport vehicles intended for passenger transport.

Landscapes

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Abstract

L'objet de l'invention est une voiture de véhicule roulant (1) caractérisée en ce qu'elle comporte des parois latérales (2) d'un seul tenant en matériau composite comportant une structure sandwich (10) pourvue d'une première peau (11) côté extérieur de la voiture, une seconde peau (12) côté intérieur de la voiture et une âme en mousse à cellules fermées (13a) ou en nid d'abeille (13b) entre lesdites peaux, lesdites parois étant pourvues d'ouvertures de fenêtres (20) formées par des interruptions de drapages de fibres longitudinales, de fibres transversales et de fibres diagonales croisées (100), lesdites ouvertures (20) ayant une forme polygonale réduisant la surface de fibres diagonales (100) interrompues dans les coins des ouvertures.

Description

ARCHITECTURE DE PAROI DE FACE DE VOITURE TELLE QU' UNE VOITURE DE TRAIN EN COMPOSITE SANDWICH
Domaine de l'invention
La présente invention concerne une architecture de paroi de face de voiture telle qu'une voiture de train en composite sandwich équipée d'ouvertures.
L'invention porte sur une solution de conception d'un panneau de structure en matériau composite équipé d'ouvertures : baies, hublots, fenêtres destiné à alléger globalement le poids de la structure et applicable notamment sur les parois d'une caisse de transport ferroviaire, qu'il s'agisse de matériel urbain, métro, tramway, train régional ou de voitures pour lignes grande vitesse.
Arrière plan technologique
Les concepteurs de structures de trains doivent parvenir à des compromis entre diverses exigences parfois contradictoires :
Ils cherchent à diminuer la masse des structures afin d'augmenter la charge utile et/ou à réduire les consommations d'énergie mais ils doivent maîtriser les coûts de production et donc trouver des solutions simples tout en assurant le confort et la sécurité des passagers, et notamment de manière non limitative :
- En limitant les déformations structurales des voitures de train ce qui implique une raideur en flexion suffisante de ces voitures, cette raideur est par ailleurs importante pour éviter les couplages avec les modes de suspension des trains;
- En limitant les bruits à l'intérieur des voitures;
- En offrant une garantie contre le feu et les fumées aux passagers;
- En supportant les ondes de pression; - En supportant les tractions et compressions liées à la traction.
De façon plus précise, une structure de caisse de train se comporte mécaniquement comme un caisson en flexion dont le pavillon (le toit) et le châssis (le plancher) constituent les semelles et les faces constituent les voiles verticaux.
Comme représenté en figure 1 , les faces, quand à elles, sont soumises majoritairement à des contraintes de cisaillement 201 .
En outre, les panneaux sont soumis également à des sollicitations de flexion induites par les ondes de pression de l'ordre de 8000Pa subies lors des croisements et/ou les passages en tunnels pour un train à grande vitesse, à l'effet des charges verticales 201 , masse des équipements et des passagers sur le châssis, les efforts locaux ou autres.
A ce jour les caisses sont essentiellement composées de structures métalliques, par exemple tôles en acier ou profilés d'aluminium mécano-soudés, telles que décrit par exemple dans le document EP0392828A1 ou JP2000264200A.
De façon générale, on constate que ces structures se présentent soit comme dans le document JP4427273B2 sous forme de parois sandwich, c'est-à- dire de deux peaux métalliques reliées entre elles par des éléments, soit par des panneaux renforcés par des raidisseurs comme décrit dans le document JP2000264200A soit par une combinaison de deux types de solutions
Néanmoins, il est naturel dans le domaine des transports d'envisager des solutions plus légères, en utilisant des matériaux composites à hautes performances, comme cela a pu être le cas par le passé dans les domaines pionniers de l'aéronautique et du spatial. Cela a été proposé par exemple dans les documents EP0544473A1 et EP0544498A1 sous forme de panneaux sandwich à âme en nid d'abeille avec insertion de raidisseurs.
La nécessité d'une rigidité flexionnelle longitudinale des panneaux latéraux vient du fait qu'une structure de train est une poutre en appui sur ses essieux. Cette rigidité doit être contrôlée d'une part pour limiter les flèches, mais également pour contrôler les vibrations et les résonnances - liées à la vitesse de déplacement des trains.
Au delà de la problématique de la raideur, signalons deux brevets qui montrent les difficultés de maîtriser cette raideur du fait de la présence de fenêtres, le document JP2000264200A qui propose des raidisseurs qui ne sont pas simplement verticaux, mais dont l'angle par rapport à la verticale est optimisé. Dans ce brevet, il est même proposé une vitre continue, simplement localement masquée par des piliers inclinés de liaison sol/plafond.
Le document US8656841 B1 propose des fenêtres oblongues et non rectangulaire comme usuellement et dans les deux cas, la forme de la fenêtre est modifiée pour être compatible avec une maîtrise de la rigidité des panneaux.
Les matériaux composites structuraux qui permettent d'assurer le gain de masse recherché avec le niveau de performance requis sont à base de fibres longues et continues de carbone ou de verre. Dans ce type de matériaux, la fibre représente environ 50% à 60% du volume, le reste étant constitué d'une matrice organique (en général une résine de type époxy mais aussi parfois en polyester, vinylester, etc, et éventuellement des résines thermoplastiques telles les polyamides, les peek, etc.).
Pour la fabrication de structures, il existe deux grandes familles de matériaux composites :
Les matériaux dits monolithiques, constitués d'un empilement de fibres;
Les matériaux sandwich, constitués de deux peaux de nature identique aux matériaux monolithiques séparées par une âme.
Cette âme est souvent constituée d'un matériaux de très basse densité, type nid d' abeille, ou mousse, ou autre (balsa parfois). Cela permet d'obtenir les propriétés d'inertie de flexion hors plan souhaitée. Ce type de structure est avantageux en termes de performance et de coût.
Dans un matériau sandwich, l'inertie en flexion des panneaux, dans le sens de leur épaisseur, est apportée naturellement par l'écartement des peaux. Il s'agit de l'un des avantages majeurs de ce type d'architecture.
D'autres matériaux d'âmes peuvent être utilisés, par exemple des matériaux plus denses destinées à donner des capacités d'amortissement sonore à la structure sandwich. Voir par exemple le document JP2001278039A.
Les matériaux composites permettent donc de mettre en oeuvre les mêmes solutions techniques que les matériaux métalliques, à savoir des structures monolithiques raidies ou des structures sandwich, mais avec une grande variété de solutions possible, car de nombreuses combinaisons sont possibles entre les diverses fibres (Carbone, Verre, SiC, fibres végétales, ...), les résines (époxy, polyester, vinylester, PEEK, polyamides, ... thermodurcissables ou thermoplastiques) et les âmes (nids d'abeilles métalliques, mousses ou autres).
Par ailleurs, les propriétés mécaniques optimales des matériaux composites étant assurée par les fibres, ces matériaux sont par nature anisotropes, et de ce fait leur optimisation des structures nécessite que les orientations des fibres dans l'épaisseur du matériau soient définies en fonction des sollicitations mécaniques que voit la structure.
Ainsi, pour le pavillon et le châssis, les exigences de raideur conduisent à orienter préférentiellement les fibres dans le sens de la longueur. Par contre, concernant les panneaux de faces, la contrainte de cisaillement qui s'applique doit être reprise par des fibres orientées plutôt à + et -45°. C'est en effet dans ces conditions que la structure est optimisée dans son fonctionnement mécanique, et donc par conséquent en masse et en coût.
Comme toute véhicule destiné au transport de passagers (automobile, autocar, train, avions, véhicule spatial même), les voitures de train doivent comporter des fenêtres. Ces fenêtres étant faite de matériaux différents du reste de la structure du véhicule, elles doivent être l'objet d'une conception spécifique.
Un dispositif de fixation des fenêtres au reste de la paroi ou de la structure doit être mis en place, comme par exemple dans le brevet FR 291 1 1 12A1 relatifs aux avions. En outre, un renforcement de la structure dans leur voisinage doit être prévu comme décrit dans ce le brevet US 2012/0223187A1 .
Dans le cas de voitures qui sont des structures en matériaux composite comme vu précédemment, la contrainte de cisaillement qui s'applique sur la face doit être reprise par des fibres orientées à +45° et -45° par rapport à l'horizontale.
Or, comme représenté en figure 3, au niveau des panneaux des faces, la présence des angles de baies classique de forme rectangulaire conduit à couper les fibres entre le haut et le bas du panneau de face, ce qui peut nécessiter d'augmenter la distance entre deux fenêtres ou bien l'épaisseur locale de matériaux entre deux fenêtres ce qui complique la fabrication du panneau et la rend plus onéreuse Aussi, il a été proposé de modifier la forme des fenêtres dans le cas de structure en matériaux composites et le document US 2012/0223187A1 propose donc dans ce cas des hublots en forme de « diamant » pour un fuselage d'avion, ainsi que la façon de faire leur dimensionnement. Cette forme de hublots de petite taille est évidemment inadaptée pour un train de voyageurs.
Brève description de l'invention
Il est donc connu de faire des caisses de train en matériaux composites, en particulier sous la forme de panneaux sandwich.
Ceci étant, les technologies envisageables sont nombreuse, tant en termes de matériaux (fibres, résines, âmes) que de procédé de mise en oeuvre (drapage de pré-imprégnés, infiltration et ses variantes, ..). Il est aussi connu alors d'adapter la forme des fenêtres pour améliorer la raideur longitudinale de la caisse et, pour les avions, une forme de type diamant a été proposée pour les hublots de façon à encore mieux les adapter aux orientations préférentielles des fibres qu'implique l'optimisation en matériaux composites. Il en est de même d'ailleurs de la modification des peaux des matériaux composite sandwich pour améliorer leur capacité à passer plus d'efforts localement.
Par contre, il n'est pas connu d'optimiser les fenêtres des voitures en matériau composite, il en est de même en ce qui concerne la façon de le faire.
Or les fenêtres de train se distinguent de celles des avions par leur surface unitaire, largement supérieure à celle des avions, par leur géométrie, qui se caractérise par un allongement (rapport de la longueur élevée au carré sur la surface) supérieur à 2 pour la majorité des fenêtres d'une caisse, par la surface totale vitrée comparée à la surface de paroi de la structure latérale, également très supérieure à celle des avions. Ces aspects se justifient par le besoin d'assurer un confort maximal aux voyageurs pendant le trajet, la visibilité et la luminosité étant des aspects importants de ce confort.
Outre ces distinctions, le dimensionnement de la partie courante d'un tronçon de caisse de train se distingue également de celui d'un fuselage d'avion par les spécificités suivantes :
une absence de contrainte induite par le besoin de pressurisation statique de la structure, mais à contrario des contraintes de pressions sous la formes d'ondes de surpression suivie de dépression impactant la structure et les baies en dynamique rapide lors des passages en tunnels et/ou lors des croisements. Les niveaux de ces pressions (valeurs crêtes) sont de l'ordre de ± 5000 à ± 6000 Pa jusqu'à 8000 Pa pour la grande vitesse;
la nécessité de contrôler la fréquence propre de la structure, pour éviter sa mise en résonance lors du déplacement de la voiture typiquement >1 1 hz;
la nécessité de supporter les efforts (traction/compression) de la traction entre voitures.
Enfin, et même si les coûts sont à prendre en compte dans toute activité industrielle, les exigences dans le domaine du ferroviaire en termes de réduction de cout sont encore plus sévères qu'en aéronautique ( le cout au kg accepté est plus de 10 fois moindre), ce qui en fait un critère encore plus important pour les choix de solutions.
L'invention a donc pour objectif de proposer une solution pour réduire la masse des structures d'une caisse de train par l'utilisation des matériaux composites tout en maximisant la surface vitrée disponible pour les passagers.
L'invention permet de concevoir une face ( paroi) de voiture fabriquée en matériau composite sous forme d'un sandwich monobloc, renforcé localement seulement pour les interfaces, à base de fibres de carbone haute résistance pour l'essentiel, échantillonnées pour optimiser au mieux les sollicitations mécaniques, mais également prenant en compte des exigences de finition et d'intégration, comportant des ouvertures de forme adaptées pour une meilleure utilisation de cet échantillonnage.
L'invention propose plus particulièrement une voiture de véhicule roulant qui comporte des parois latérales d'un seul tenant en matériau composite comportant une structure sandwich pourvue d'une première peau côté extérieur de la voiture, une seconde peau côté intérieur de la voiture et une âme en mousse à cellules fermées ou en nid d'abeille entre lesdites peaux, lesdites parois étant pourvues d'ouvertures de fenêtres formées par des interruptions de drapages de fibres longitudinales, de fibres transversales et de fibres diagonales croisées, lesdites ouvertures ayant une forme polygonale réduisant la surface de fibres diagonales interrompues dans les coins des ouvertures.
L'invention permet notamment de se passer de raidisseurs ou d'éléments de treillis métallique pour renforcer la structure. Pour une rigidité accrue de la caisse, les ouvertures ont préférablement une forme générale hexagonale ou octogonale comportant deux grands côtés horizontaux reliés par des bordures latérales convexes comportant deux segments, trois segments ou un segment de forme ovale.
Avantageusement, les ouvertures sont équipées d'une bordure de renfort pourvue d'un cadre tubulaire.
Selon un mode de réalisation particulier, la bordure de renfort comporte une aile interne de fixation de la bordure sur le bord de l'ouverture côté interne de la paroi.
Le cadre tubulaire est avantageusement de section rectangulaire, l'aile interne prolongeant une face du cadre tubulaire sur l'intérieur de la paroi.
L'aile interne se fixe préférablement sur l'intérieur de la paroi au moyen de vis, rivets ou autres moyens de fixation qui solidarisent l'aile et la peau interne du panneau composite.
Avantageusement, une face du cadre tubulaire dirigée vers l'intérieur de la voiture se fixe au moyen de vis, rivets ou autres moyens de fixation sur un rebord de l'ouverture réalisé par la seconde peau débordant de l'âme de la paroi.
Selon un mode de réalisation particulier, la bordure de renfort comporte une collerette interne accueillant une fixation d'une fenêtre.
Selon un mode de réalisation particulier, au moins une des deux peaux de la structure sandwich est réalisée au moyen de plis orientés selon 4 directions privilégiées 0° (axe longitudinal de la caisse), 90°, +45° et -45° .
Selon un mode de réalisation avantageux, les plis sont des plis préimprégnés de grammage unitaire compris entre 125g/m2 et 500g/m2.
Selon un mode de réalisation avantageux limitant le nombre de plis interrompus, les segments d'angle desdites ouvertures sont inclinés entre 45° et 60° par rapport à une direction longitudinale de la paroi et préférablement inclinés entre 45° et 50° par rapport à une direction longitudinale (L) de la paroi.
Les fils à 45° sont avantageusement sous la forme d'au moins deux plis de +/-45° en fibre de carbone.
Selon un mode réalisation préférentiel, l'âme du sandwich est réalisée avec un matériau choisi parmi le poly(téréphtalate d'éthylène (PET), le polyméthacrylimide (PMI), le Polyétherimide (PEI), un nid d'abeille aluminium ou un nid d'abeille poly(m-phénylèneisophtalamide) (MPD-I) (structure imprégnée de résine phénolique).
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 : une représentation de principe des contraintes de cisaillement selon la direction longitudinale d'un panneau latéral de voiture de train;
en figure 2: un détail d'un panneau de l'invention;
en figure 3: une représentation d'un panneau de l'art antérieur;
en figure 4: une vue en perspective d'une partie de panneau et d'ouvertures selon l'invention;
aux figures 5A, 5B: un détail en coupe d'un cadre de renfort au niveau d'une ouverture de fenêtre dans la paroi selon deux modes de réalisation;
en figure 6: une vue de face d'un exemple de réalisation de panneau de l'invention pour une voiture à deux étages;
en figure 7: une représentation schématique de la structure de la paroi de l'invention entre des ouvertures de fenêtres;
en figure 8: une vue en perspective d'une caisse de voiture avec des parois selon un aspect de l'invention;
en figure 9A: une vue schématique de passages de fibres inclinées entre ouvertures;
aux figures 9B et 9C: des courbes représentatives des contraintes et cisaillement au niveau de découpe des ouvertures dans le cadre de l'invention.
Description détaillée de modes de réalisation de l'invention
L'invention est principalement décrite aux figures 2 et 4 à 8.
Son principe est de réaliser une voiture de train 1 dont un exemple est donné en figure 8, qui comporte des parois latérales 2 d'un seul tenant en matériau composite.
Le matériau choisi a une structure sandwich 10 représentée en figure 2 et pourvue d'une première peau 1 1 côté extérieur de la voiture, une seconde peau 12 côté intérieur de la voiture et une âme à cellules ferméesl 3a ou en nid d'abeille 13b entre lesdites peaux. Selon l'invention, les parois sont pourvues d'ouvertures de fenêtres 20 formées par des interruptions de drapages de fibres longitudinales, de fibres transversales et de fibres diagonales croisées 100 de la structure sandwich, lesdites ouvertures 20, telles que représentées à la figure 4 ayant une forme hexagonale comportant deux grands côtés horizontaux et des parois latérales 29 à profil en V convexe ou à profil ovale qui réduisent la surface de fibres diagonales 100 interrompues dans les coins des ouvertures et à la figure 7 une forme octogonale pour laquelle les côtés latéraux comportent trois segments.
Par rapport à une structure monolithique équipée de raidisseur, les structures sandwichs offrent notamment les avantages suivants :
Coûts de fabrication et masse réduits, fonction d'isolation thermique réalisée par l'âme.
Les panneaux monolithiques ont par rapport à une telle solution de structure sandwich les inconvénients suivants:
- Coût de fabrication (assemblage des cadres et raidisseurs sur les peaux) plus élevé, coût d'assemblage (assemblage local dans les zones de cadres) important.
De plus, les cadres sont plus épais que le sandwich ce qui réduit localement le volume interne des structures construites.
Les matériaux, composite et âme, du panneau doivent être choisi pour respecter de nombreuses contraintes, ce qui conduit à éliminer nombre de solutions potentielles, et au final à retenir des solutions qui sont des compromis encore une fois parmi les multiples solutions envisagées.
Les principale contraintes à prendre en compte sont décrites ci-dessous avec en premier lieu les contraintes mécaniques.
Pour les peaux :
- Les modules de traction/compression des plis élémentaires, un pli élémentaire étant l'élément de base des empilements de fibre, soit une nappe monocouche d'unidirectionnel (UD) soit un tissus, doivent apporter la raideur souhaitée dans l'empilement. Le choix de la fibre intervient ici au premier ordre. Pour des raisons de coût, le choix s'est porté sur des fibres « HR » (haute résistance) de grade industriel, notamment T700 de la société Hexcel, TR50S de la société Mitsubishi, Pannex 35 de la société Zoltec.
- La tenue mécanique du pli élémentaire sous les charges de service doit être vérifiée. Les propriétés de la résine interviennent tout autant que les propriétés de la fibre.
Compte-tenu de l'application structurale visée et des contraintes sévères auxquels le matériau doit répondre (durée de vie de 30ans en ambiance humide, tenue en température > 60°C, fatigue cyclique jusqu'à 10 millions de cycles, ..), tenue aux chocs (...), une résine époxy a été retenue.
Les propriétés mécaniques minimale du pli unidirectionnel fibre de carbone/résine considérées en fin de vie et à température maximale de fonctionnement sont les suivantes :
Les propriétés mécaniques minimale du pli unidirectionnel fibre de verre/résine considérées en fin de vie et à température maximale de fonctionnement sont les suivantes : Données
(max T° / fin de vie) résistance composite - traction 0° (Mpa) >472 module composite - traction 0° (Gpa) >35
-résistance composite en compression 0° (Mpa) >331
-module composite en compression à 0° (Gpa) >30
-module composite en traction à 90° (Gpa) >3,0 résistance au cisaillement plan - Tau_12 (Mpa) >29 module de cisaillement plan - G_12 (Gpa) >2,0
ILSS (contrainte inter laminaire de cisaillement)
>21
(Mpa)
Pour l'âme du panneau :
Le module de cisaillement intervient dans la raideur en flexion du panneau. Les tenues en traction/compression et en cisaillement du matériau doivent être notamment adaptées pour assurer une tenue mécanique suffisante sous les charges de service. La densité du matériau est une donnée importante dans une optique de minimisation de la masse de la structure.
Outre le comportement mécanique, le choix des matériaux du panneau sandwich fait intervenir d'autres considérations, comme la compatibilité avec le procédé de fabrication visé. Les contraintes de coût associé aux dimensions importantes des pièces justifient la sélection d'un procédé de fabrication sous vide (hors autoclave). L'impact de ce choix intervient au premier ordre sur la sélection de la résine.
De ce fait, le matériau d'âme doit être capable de supporter les contraintes (pression = 0,1 Mpa + température jusqu'à 120°C) induites lors de la mise en oeuvre du cycle de polymérisation. Ces contraintes conduisent à écarter certaine produits (ex : mousse PET de densité inférieure à 100kg/m3). Le matériau doit en outre respecter des normes ferroviaire de comportement au feu et notamment la norme EN45545 dans sa version 2013.
Pour les mousses cellulaires, certaines familles de matériaux tels que le poly(téréphtalate d'éthylène (PET) dans certaines densités, le polyméthacrylimide (PMI), le Polyétherimide (PEI) satisfont à l'ensemble de ces exigences. Les âmes en nid d'abeille aluminium ou nid d'abeille poly(m-phénylèneisophtalamide) (MPD- I) (structure imprégnée de résine phénolique) (connu sous la marque NOMEX par exemple) y satisfont également.
L'isolation thermique est aussi une contrainte à prendre en compte. L'utilisation d'un matériau d'âme constitué de cellules fermées présentant intrinsèquement d'excellentes propriétés d'isolation thermique offre l'avantage d'intégrer la fonction de protection thermique dans la fabrication du panneau, et ainsi gagner du coût et du cycle sur la réalisation de cette fonction généralement réalisée au niveau de la structure de caisse.
Pour éviter des phénomènes de vieillissement accéléré des matériaux par absorption d'eau mais aussi des risques de dégradation sous l'action du gel, le choix d'un matériau d'âme à cellule fermée est donc là aussi préféré.
Compte-tenu des points évoqués ci-avant et en y intégrant des contraintes de coût, les solutions préférentiellement retenues sont décrites dans le cadre d'une application comme suit:
La face de la voiture est une panneau sandwich d'une seule pièce percée pour réaliser les ouvertures telles que fenêtre, portes, dispositifs d'affichage ou autres. Les ouvertures comportent des renforcements servant à la fixation des éléments sur ces ouvertures (vitrages, portes, ...) et permettant de compenser la perte de raideur du panneau de face lié à la présence du trou. Ce renforcement au niveau des ouvertures de fenêtres est apporté par une bordure de renfort à cadre de bordurage (métallique dans le cas de l'exemple) tel que représenté en figure 4 et en section de coupe du trou du panneau composite borduré par la bordure de renfort 21 aux figures 5A et 5B.
Selon ces exemples, la bordure de renfort 21 est pourvue d'un cadre tubulaire 30. Dans le cas de la figure 5A, la bordure comporte une aile 31 dite aile interne permettant de fixer la bordure sur le bord 2a de l'ouverture sur la face interne du panneau, c'est à dire la face se trouvant à l'intérieur de la caisse.
Le tube de réalisation du cadre tubulaire 30 est de section rectangulaire, l'aile interne 31 prolongeant une face latérale 21 a du cadre tubulaire de la bordure de renfort 21 .
L'aile interne 31 se fixe sur la paroi côté intérieur de la voiture au moyen de vis, rivets ou autres moyens de fixation 32 qui, dans le cas de rivets, vont enserrer l'aile externe et la peau formant la face intérieur de la paroi de la voiture. Un joint 37a est interposé entre l'aile 31 et la face interne de la paroi.
La face latérale 21 b du cadre tubulaire 30 dirigée vers l'extérieur de la voiture se fixe au moyen de vis, rivets ou autres moyens de fixation 32 sur un rebord de l'ouverture réalisé par la peau 2b du panneau formant la face externe de la caisse et qui déborde par rapport à l'âme du panneau. Un joint 37b est intercalé entre la face latérale 21 b et la seconde peau 2b.
La bordure de renfort 21 comporte en outre une collerette interne 34 de fixation de la fenêtre.
L'aile interne 31 se fixe sur la paroi côté intérieur de la voiture au moyen de vis, rivets ou autres moyens de fixation 32 qui, dans le cas de rivets, vont enserrer l'aile externe et la peau formant la face intérieur de la paroi de la voiture. Un joint 37a est interposé entre l'aile 31 et la face interne de la paroi.
La face latérale 21 b du cadre tubulaire 30 dirigée vers l'extérieur de la voiture se fixe au moyen de vis, rivets ou autres moyens de fixation 32 sur un rebord de l'ouverture réalisé par la peau 2b du panneau formant la face externe de la caisse et qui déborde par rapport à l'âme du panneau.
La bordure de renfort 21 comporte en outre une collerette interne 34 de fixation de la fenêtre.
Dans le cas de la figure 5B, outre les éléments vus précédemment, une plaque d'encadrement 36 se fixe sur la face latérale externe 21 b de la bordure et sur le panneau 2. Dans ce cas, la plaque d'encadrement 36 et la peau extérieure se terminent en biseau de manière complémentaire et les éléments de fixation 33b solidarisant la plaque et le panneau se fixent dans l'âme du panneau. Un joint 37c est intercalé entre la plaque d'un côté et la bordure et le panneau de l'autre côté.
Les peaux sont réalisées avec des fibres carbone grade « HR » et verre E en fonction des zones et des besoins et une résine époxy présentant, lorsque imprégnée avec les fibres ci-dessus dans un panneau monolithique d'épaisseur compris entre 2 et 8mm, des propriétés FST > HL1 R1 , R7 (suivant norme EN45545).
L'épaisseur d'une peau est de 2 à 5 mm et les fibres sont sous forme de nappes unidirectionnelles ou de tissus pré-imprégnés.
Pour l'âme on choisit une mousse de PET de densité supérieure ou égale à 100kg/m3, une mousse PMI de densité supérieure ou égale à 50kg/m3 ou un nid d'abeille de densité supérieure ou égale à 50kg/m3, en fonction des zones et des besoins. L'épaisseur de l'âme est de 10mm à 200mm là aussi en fonction des zones et des besoins.
Le procédé retenu est une polymérisation sous poche à vide (hors autoclave) avec une température ne dépassant pas 120°C.
L'épaisseur précise des peaux, de l'âme, et les orientations des fibres dans les peaux dépendent évidemment des sollicitations sur la caisse.
Comme indiqué précédemment, ces spécifications concernent la fréquence propre du véhicule qui doit être supérieure à une dizaine de Hz ; il faut alors dimensionner la face en raideur, les efforts de compression/traction liés à la circulation de la voiture, et qui sont de l'ordre de la centaine de tonne; les efforts de flexion, liés aux ondes de pressions de l'ordre de 10 OOOPa .
Globalement, pour une voiture d'une quinzaine de mètres entre bogies, permettant de transporter une quarantaine de passagers dans cette zone, les calculs classiques par éléments finis conduisent à un matériau sandwich d'une quarantaine de mm d'épaisseur.
Selon un mode de réalisation de l'invention notamment pour une voiture à deux étages avec fenêtre inférieures 20a et fenêtres supérieures 20b, la paroi va comporter des épaisseurs de peaux différentes entre la partie basse de la face et la partie haute. Selon l'exemple donné figure 6, la partie inférieure du panneau (301 ) est réalisée avec une épaisseur de peau de 2,78 mm et une épaisseur d'âme de 38 mm tandis que la partie supérieure 302 est réalisée avec une épaisseur de peau de 3,33 mm et une épaisseur d'âme de 38mm .
On notera en particulier que chaque peau a une épaisseur de l'ordre de 3 mm, ce qui est au passage largement supérieur aux épaisseurs des fuselages des avions, qui ne dépassent pas 2 mm.
En parties courantes ( hors liaison et point particuliers) au moins une et préférablement les deux peaux de la structure sandwich sont par exemple réalisées avec des plis de préimprégnés carbone, haute résistance, par exemple de type T700 de la société Toray.
Pour réaliser la ou les peaux, on peut utiliser à titre d'exemple comme éléments de base: un pré-assemblage de plis à fibres orientées à +45°, 0°, -45° respectivement de grammage sec 125g, 250g, 125g, un pli unidirectionnel orienté à 0° de grammage sec 500g et un pli qui est un tissu orienté à 0°/90° de grammage sec 500g, ces valeurs étant données avec une tolérance de ± 10%.
Le tableau ci-dessous décrit l'architecture fibreuse à laquelle on peut aboutir selon les zones d'application du composite.
De façon générale, on constate que l'optimisation de la structure nécessite la présence de fibres à 0°, 90° et +/- 45°. Les fibres à 45° sont particulièrement adaptées à reprendre les efforts de cisaillement dans le cadre du panneau considéré.
La préférence va dans cet exemple à une répartition de 50% de fibres unidirectionnelles à 0°, 17% de fibres à 90° et 33% de fibres à ± 45° pour réaliser un pavillon, de 33% de fibres unidirectionnelles à 0°, 33% de fibres à 90° et 33% de fibres à ± 45° pour une façade verticale supérieure et 40% de fibres unidirectionnelles à 0°, 20% de fibres à 90° et 40% de fibres à ± 45° pour une façade inférieure.
De façon optimale, la contrainte de cisaillement Tau (t) qui s'applique sur le panneau de face doit être reprise par des fibres 100 orientées à +45° et -45° sur chacune des deux peaux de la structure, comme l'illustre la figure 3.
C'est en effet dans ces conditions que la structure est optimisée dans son fonctionnement mécanique, et donc par conséquent en masse et en coût.
Or, au niveau des panneaux des faces, la présence d'angles de baies conduit à couper les fibres.
Dans une telle configuration, les contraintes de cisaillement passent par la résine, ce qui a comme conséquences un besoin de sur-épaissir les peaux du panneau sandwich dans la zone entre baies (trumeau) afin de faire baisser la contrainte de cisaillement en deçà du niveau admissible par la résine. Pour mémoire, la contrainte de cisaillement plan admissible par la résine (empilement à +45° et -45° avec toutes les fibres coupées) est de l'ordre de 30MPa quand il est de 500MPa dans le sens de la fibre lorsqu'elle est sollicitée en compression. La coupure des fibres rend en outre la structure beaucoup plus sensible aux conditions d'environnement et à la fatigue. Sous charges de fatigue, la contrainte de cisaillement plan admissible par la résine est évaluée à environ 10MPa quand on peut supposer une tenue supérieure à 200MPa dans le sens de la fibre.
Cela se traduit à nouveau par un besoin de surépaisseur supplémentaire ou un risque d'affaiblissement de la structure dans le temps.
La solution proposée schématisée en figure 7 où les fenêtres de hauteur importante comportent un profil octogonal pour lequel les côtés latéraux sont pourvus d'un profil convexe à trois segments, un segment à 45° supérieur un segment vertical intermédiaire et un segment inférieur à 45° consiste à modifier la géométrie des baies de telle sorte qu'une certaine section de fibres 100 orientées à +45° et -45° puissent être continues entre la partie haute et la partie basse de la face et ainsi transférer les contraintes de cisaillement. On obtient ainsi une configuration qui rappelle celle des hublots décrits dans le document US2012/0223187A1 mais qui en diffère par la grande surface des fenêtres et le fait que leur grand côté est selon l'axe de la voiture. Cela permet d'augmenter la section de fibres travaillantes, sans diminuer de façon significative la surface de vitres.
La voiture étant soumis à des pressions faibles, l'orientation optimale des fibres est bien autour de ± 45°, et non pas autour de 70° comme pour un fuselage d'avion.
Une question concerne l'optimisation de l'angle de découpe des baies (pour un écartement imposé), afin de maximiser la surface vitrée. En effet, pour un écartement donné entre baies, cet angle de découpe influe directement sur la section de fibres travaillantes.
Une simulation par calcul analytique a été menée afin d'évaluer les contraintes sens fil dans les plis à +/-45° et les contraintes de cisaillement plan dans les plis à 0/90° en fonction de l'angle de découpe des fenêtres 20 selon la configuration de la figure 9A où les petits côtés de la fenêtre sont à profil en V convexe.
Cette simulation dont les paramètres montrent que l'angle de découpe à
45° est évidemment optimal permet de constater que cet angle pourrait-être porté à 50° avec au minimum un pli de carbone à +-45° et qu'un angle de 60° peut aussi être acceptable avec les critères retenus mais avec 2 plis de carbone à +- 45°.
L'empilement du panneau composite (drapage à 0°, +45, -45° et 90°) correspond à celui qui a été défini pour répondre au besoin mécanique en zone courante de la caisse. Pour une configuration de baie correspondant à la caisse étudiée (L_trumeau=384mm et H_baie=620mm), on fait varier l'angle « a » de découpe de la baie. En conséquence, la longueur « L_fibre_non coupée » diminue, d'une valeur maximale lorsque a=45° jusqu'un une valeur nulle pour une certaine valeur de a (environ 70° dans le cas traité).
Les résultats de l'analyse sont présentés en figure 9-2 et 9-3. Cette analyse montre que, lorsque l'angle de la baie est supérieur à 70°, toutes les fibres à +-45° sont coupées et la contrainte de cisaillement dans les plis à 0° et 90° est supérieure à la valeur admissible, point P en figure 9-2. En conséquence, un renfort devrait être mis en œuvre dans la zone des trumeaux (augmenter l'épaisseur de +250% dans le cas étudié), avec un impact sur la masse et le cout.
Cette analyse montre également que l'angle de découpe à 45° est évidemment optimal, puisque le flux de cisaillement est correctement repris par les fibres à +45° et -45° non coupées comme le montre la figure 9-2, tandis que la contrainte de cisaillement plan est également inférieure à la valeur admissible, voir la figure 9.3.
L'analyse montre également que l'angle des baies pourrait être ouvert jusqu'à environ 55° sans nécessiter de renforts.
La figure 8 représente la caisse complète de la voiture avec le pavillon 35, l'ouvertures de porte 23 et son encadrement 25, des ouvertures de servitude 22, 26 telle que la climatisation et leur encadrement 24, 27 ainsi que les cadres d'extrémité 28 sur lesquels sont fixées les parois 2.
La caisse auto rigidifiée peut être directement assemblée avec un châssis porteur des bogies de la voiture.
La présente invention peut être utilisée sur tous les types de véhicules de transport ferroviaire destinés au transport de passager.

Claims

REVENDICATIONS
1 - Voiture de véhicule roulant (1 ) caractérisée en ce qu'elle comporte des parois latérales (2) chacune d'un seul tenant formée d'un panneau composite sandwich en une seule pièce (10) pourvue d'une première peau (1 1 ) côté extérieur de la voiture, une seconde peau (12) côté intérieur de la voiture et une âme en mousse à cellules fermées (13a) ou en nid d'abeille (13b) entre lesdites peaux, lesdites parois étant pourvues d'ouvertures de fenêtres (20) formées par des interruptions de drapages de fibres longitudinales, de fibres transversales et de fibres diagonales croisées (100) réalisant lesdites peaux, lesdites ouvertures (20) ayant une forme polygonale réduisant la surface de fibres diagonales (100) interrompues dans les coins des ouvertures, lesdites parois réalisant les faces de la voiture.
2 - Voiture selon la revendication 1 pour laquelle les ouvertures ont une forme générale hexagonale ou octogonale comportant deux grands côtés horizontaux reliés par des bordures latérales convexes.
3 - Voiture selon la revendication 1 ou 2 pour laquelle les ouvertures (20) sont équipées d'une bordure de renfort (21 ) pourvue d'un cadre tubulaire (30).
4 - Voiture selon la revendication 3 pour laquelle la bordure de renfort (21 ) comporte une aile interne (31 ) de fixation de la bordure sur le bord (2a) de l'ouverture côté interne de la paroi.
5 - Voiture selon la revendication 4 pour laquelle le cadre tubulaire est de section rectangulaire, l'aile interne (31 ) prolongeant une face du cadre tubulaire sur l'intérieur de la paroi (2).
6 - Voiture selon la revendication 5 pour laquelle l'aile interne (31 ) se fixe sur l'intérieur de la paroi au moyen de vis, rivets ou autres moyens de fixation (32).
7 - Voiture selon l'une quelconque des revendications 3 à 6 pour laquelle une face du cadre tubulaire (30) dirigée vers l'intérieur de la voiture se fixe au moyen de vis, rivets ou autres moyens de fixation (32) sur un rebord de l'ouverture réalisé par la seconde peau débordant de l'âme de la paroi. 8 - Voiture selon l'une quelconque des revendication 3 à 7 pour laquelle la bordure de renfort (21 ) comporte une collerette interne (34) accueillant une fixation d'une fenêtre.
9 - Voiture selon l'une quelconque des revendications précédentes pour laquelle au moins une des deux peaux (1 1 , 12) de la structure sandwich est réalisée au moyen de plis orientés selon 4 directions privilégiées 0° (axe longitudinal de la caisse), 90°, +45° et -45° .
10 - Voiture selon la revendication 9 pour laquelle les plis sont des plis préimprégnés de grammage unitaire compris entre 125g/m2 et 500g/m2.
1 1 - Voiture selon l'une quelconque des revendications précédentes pour laquelle les segments d'angle (40) desdites ouvertures sont inclinés entre 45° et 60° par rapport à une direction longitudinale (L) de la paroi et préférablement inclinés entre 45° et 50° par rapport à une direction longitudinale (L) de la paroi.
12 - Voiture selon la revendication 9 ou 1 1 pour laquelle les fils à 45° sont sous la forme d'au moins deux plis de +/-45° en fibre de carbone.
13 - Voiture de train selon l'une quelconque des revendications précédentes pour laquelle l'âme du sandwich (13a, 13b) est réalisée avec un matériau choisi parmi le poly(téréphtalate d'éthylène (PET), le polyméthacrylimide (PMI), le Polyétherimide (PEI), un nid d'abeille aluminium ou un nid d'abeille poly(m-phénylèneisophtalamide) (MPD-I) (structure imprégnée de résine phénolique).
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