EP3271233B1

EP3271233B1 - Assemblage a liaison souple et liaison souple pour un tel assemblage

Info

Publication number: EP3271233B1
Application number: EP16714784.2A
Authority: EP
Inventors: Sylvain Claudel
Original assignee: ArianeGroup SAS
Current assignee: ArianeGroup SAS
Priority date: 2015-03-19
Filing date: 2016-03-18
Publication date: 2021-04-28
Anticipated expiration: 2036-03-18
Also published as: FR3033846B1; EP3271233A1; WO2016146800A1; FR3033846A1

Description

Domaine de l'invention

La présente invention concerne un assemblage a liaison souple et une liaison souple pour un tel assemblage. Elle s'applique en particulier à la fixation entre panneaux composites et structures métalliques de grandes dimensions.

Arrière plan technologique

Lors de la fabrication de structures de grandes dimensions tels les aéronefs ou les caisses de train, on est amené à assembler des structures de plusieurs dizaines de mètres. C'est le cas par exemple de la liaison entre le panneau de face et la parte inférieure (brancard) d'une caisse de train.
Un exemple de caisse de train est décrit dans le document EP 0 891 910 A1 .
Ces panneaux initialement en matériaux métalliques, sont appelés à être remplacés au moins partiellement par des panneaux en matériaux composite qui permettent de concevoir et réaliser des structures encore plus légères, ce qui particulièrement important pour les industrie du transport.
Qu'ils soient métalliques ou en matériaux composites, les panneaux de grandes dimensions qui ont une fonction structurale sont souvent des panneaux de type sandwich, c'est à dire qu'ils sont constitués de deux peaux reliées entre elles par différentes techniques bien connues. C'est en général la technologie qui permet de donner aux panneaux de la raideur et de l'inertie pour une masse optimisée la plus faible possible.
Comme toutes les pièces manufacturées, ces panneaux présentent des tolérances de fabrication, qui sont en fait de deux sortes :

Des tolérances générales liées à l'empilement des couches élémentaires de chaque panneau à assembler
Des tolérances de forme des pièces

Or du fait des grandes dimensions, les pièces à assembler présentent des tolérances de forme qui peuvent induire des jeux qui peuvent atteindre plusieurs millimètres entre les pièces à assembler. Ces jeux ne sont pas acceptables pour de nombreuses raisons, mécanique, étanchéité tenue dans le temps, et donc les définisseurs utilisent différentes méthodes pour combler ces jeux.
On peut d'abord utiliser des panneaux dont les tolérances de forme soient très faibles, nettement plus faibles que celles des produits standards, soit en contrôlant mieux le procédé de fabrication, soit en effectuant des usinages après cette fabrication : on conçoit que ce type de solution est particulièrement couteux. Ou bien on peut combler les jeux :
Par exemple, en aéronautique, on pratique très souvent un « comblage rigide », c'est à dire qu'on introduit des cales métalliques dans les intervalles, ce qui nécessite de mesurer très précisément les jeux au cas par cas.
Quand le jeux est faible - quelques dixièmes de mm, on peut se contenter de le combler avec un mastic.
Dans d'autres industries, on peut chercher à rattraper les jeux, et utiliser la flexibilité des panneaux et les déformer jusqu'à ce que les jeux soient éliminés par exemple à l'aide de vis ou de rivets.
Toutes ces méthodes ont des inconvénients, et généralement :

Les technologies aéronautiques sont très performantes mais aussi très coûteuses (mesures et réalisation de comblages spécifiques et précis, ré usinage de grandes pièces, ..)
Les technologies par déformation sont moins coûteuses, mais elles nécessitent que les matériaux présentent de grandes déformations plastiques, et introduisent des contraintes résiduelles dans les matériaux qui rendent les assemblages mécaniquement moins performants, en statique mais aussi en fatigue.

Pour fixer les idées, mentionnons la norme NF EN 755-9 dans sa version en vigueur au 1^er mars 2015, qui définit les tolérances de forme acceptables lors de la fabrication de profilés en Aluminium, permet d'évaluer les jeux auxquels on peut usuellement s'attendre à une tolérance de rectitude globale de 1,5 mm/m, soit 15 mm pour une pièce de 10m de longueur à laquelle s'ajoute une tolérance de rectitude locale de 0,6 mm/300 mm, soit un jeu de 30 mm pour un assemblage de deux pièces métalliques de 10 m de long.
Selon la figure 1, pour raccorder de telles pièces, il est possible de pourvoir chaque pièce d'une aile terminale et d'assembler les pièces tête bêche de sorte que les ailes terminales se fixent sur des faces opposées des pièces notamment par rivetage : les jeux d'assemblages vont se trouver au niveau de la jonction entre les ailes terminales et les faces opposée, zones où il va être nécessaire d'apporter des solutions pour combler ces jeux
On s'intéresse ici aux solutions qui permettent un compromis optimal entre la performance technique de l'assemblage et son cout économique : il s'agit d'utiliser une méthode d'assemblage la plus simple possible, qui soit le moins exigeante possible vis-à-vis des tolérances de fabrication des pièces et qui n'induise qu'un minimum de contraintes résiduelles dans les pièces assemblées, de façon à préserver la tenue structurale dans la durée des pièces assemblées.
La solution envisagée ici a pour but d'obtenir un contact entre les deux parties de la liaison ce qui va donner une tenue mécanique correcte de la liaison.

Brève description de l'invention

La présente invention prévoit pour ce faire une liaison en bout entre deux panneaux selon la revendication 1.
Selon un mode de réalisation particulier, ledit bord droit fait un angle de 90° ± 15°par rapport auxdites faces des peaux du second panneau.
Selon un mode de réalisation alternatif ou complémentaire, ledit bord en biseau fait un angle de 45° ± 15° par rapport à la normale auxdites faces du panneau composite.
Ledit bord en biseau est avantageusement réalisé par un pliage de la première peau du panneau composite selon une première inclinaison en début de biseau puis selon une seconde inclinaison en fin de biseau où la première peau rejoint la seconde peau du panneau pour former une première languette dite languette d'appui à l'extrémité dudit bord en biseau.
Ledit bord droit est avantageusement une paroi reliant les deux peaux du second panneau et disposée en bout d'une première de ces peaux, ladite languette de rattrapage du second panneau étant constituée par un prolongement d'une seconde de ses peaux en porte à faux par rapport audit bord droit.
Selon un mode de réalisation particulier le second panneau comportant ledit bord droit est un panneau ou une structure métallique.
Ladite languette de rattrapage est réalisée en sorte d'avoir une flexibilité adaptée à rattraper les différences d'épaisseur des panneaux par flexion de sa partie intermédiaire libre.
En particulier, en réalisant une languette de rattrapage et un biseau suffisamment longs, la partie intermédiaire libre peut être suffisamment déformable pour venir en contact avec la face du panneau la recevant et permettre un rivetage tout en minimisant les contraintes induites par l'assemblage.
Selon un aspect préférentiel de l'invention, la liaison comporte un jour de section substantiellement triangulaire rectangle pour laquelle ledit bord en biseau constitue l'hypoténuse de ladite section, le bord droit et ladite partie intermédiaire libre constituant les deux autres côtés de ladite section.
L'invention propose en outre un assemblage de deux panneaux selon la revendication 10.
La paroi d'appui du second panneau est avantageusement une bordure en retrait de la face dépourvue de languette dudit panneau en sorte de compenser l'épaisseur de la languette d'appui pour avoir les faces planes extérieures aux deux panneaux en continuité.
La paroi d'appui du panneau comportant ledit bord droit est avantageusement une bordure en retrait de la face dépourvue de languette dudit panneau et relié à ladite face par un talon formant une butée pour la languette d'appui.
La languette de rattrapage est préférablement adaptée à se courber sous l'action de l'assemblage du premier panneau et du second panneau soit en direction du premier panneau soit dans le sens opposé.
Selon un mode de réalisation particulier, la souplesse de ladite languette de rattrapage est calculée pour lui permettre de fléchir d'une distance au moins égale à la somme des tolérances des couches qui constituent chaque panneau. Selon un mode de réalisation alternatif, la souplesse de ladite languette de rattrapage est calculée pour lui permettre de fléchir d'une distance au moins égale à la somme quadratique des tolérances des couches qui constituent chaque panneau.
Pour la somme quadratique on prend la racine carrée de la somme des carrés des incertitudes de chaque couche.
Le fléchissement de ladite languette de rattrapage se mesure au point d'accostage entre ladite languette et la face du panneau sur lequel elle s'applique.
L'invention s'applique en outre à un assemblage mixte panneau composite / structure métallique pour lequel le second panneau est une structure métallique.
La structure métallique est avantageusement le panneau comportant ledit bord droit.

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 terminaison de structure métallique et une terminaison de panneau composite de l'invention en vue de côté coupe et en vis à vis;
aux figures 2A et 2B: des vues de la terminaison de la figure 1 respectivement pour un jeu négatif et un jeu positif;
en figure 3: un détail de la structure de la figure 1 ;
en figure 4: la modélisation d'une languette de rattrapage de la structure métallique de la figure 1;
aux figures 5A et 5B: des modélisations des contraintes dans la structure pour les jeux des figures 2A et 2B;
en figure 6: un exemple de structure recevant un panneau conformément à l'invention;
aux figures 7A et 7B: des représentations schématique de l'assemblage de la figure 1 au niveau de la languette de rattrapage en vue de face;
aux figures 8A à 8C: un exemple de rivet utilisable pour l'invention.
en figure 9: une vue en perspective d'une voiture ferroviaire comportant des panneaux composites fixés avec une structure inférieure métallique au moyen d'une liaison selon l'invention;
en figure 10: une vue en perspective de l'assemblage d'un partie de panneau et de structure de la figure 9;
en figure 11 : une vue en coupe de côté de l'assemblage de la figure 10.

Description détaillée de modes de réalisation de l'invention

La présente invention s'inscrit dans le cadre de l'assemblage de panneaux de longueur importante et notamment dans le cadre de l'étude du remplacement de panneaux aluminium ou acier notamment de caisses de voitures ferroviaires par des panneaux latéraux composites. Dans ce cadre, comme représenté en figure 9, des panneaux composites 300 se fixent à des éléments de châssis métalliques 200 composant la base des voitures dans le but de gagner du poids sur la structure et des panneaux de pavillon 301 se fixent sur lesdits panneaux latéraux. Ceci permet d'augmenter la charge utile de la caisse, que ce soit en nombre de passagers ou en équipement embarqué.
Une des contraintes d'une telle réalisation est de minimiser les coûts d'assemblage des pièces de grandes dimensions comme celles qui composent la caisse de train, notamment les façades latérales, le châssis métallique et le pavillon. Pour cela il faut trouver le compromis idéal entre le coût de fabrication des pièces primaires et le coût d'assemblage pur. Ce dernier est dirigé par le temps nécessaire à la manipulation et la complexité d'opération.
Le procédé de rivetage est bien adapté à la réalisation de liaisons entre des pièces de grandes dimensions et convient pour l'assemblage des pièces précédemment cités.
Dans le secteur aéronautique, beaucoup de solutions au cas par cas sont utilisés lors de l'assemblage (métrologie, ré-usinage des pièces, utilisation de calles physiques usinées...). Dans le domaine ferroviaire visé, le prix accepté par unité de masse gagnée sur une caisse de train est nettement inférieur au prix accepté pour la même unité de masse gagnée sur un aéronef par exemple. En outre le coût de fabrication des pièces tels que des panneaux doit rester réduit ce qui ne permet pas de réduire autant que dans l'aéronautique les tolérances dimensionnelles acceptables des pièces.
Des tolérances de fabrication trop contraignantes imposeraient des prix de fabrication trop importants. Il est connu que les structures fortement hyperstatiques constituées de grandes pièces relativement souples et sujettes à des défauts géométriques ne peuvent pas être assemblées sans subir des déformations. Il en résulte un état géométrique et des contraintes résiduelles partiellement maitrisées.
La présente invention propose une nouvelle approche qui utilise la flexibilité d'une pièce lors de l'assemblage de panneaux ce qui va permettre d'autoriser une plus grande tolérance sur les dimensions des pièces en particulier de l'épaisseur des panneaux composites qui vont être assemblés sur des structures métalliques. La présente invention permet également d'obtenir des tolérances de défaut de forme plus larges pour la fabrication des pièces, donc un coût le plus faible possible, tout en assurant la performance de l'assemblage en utilisant la flexibilité d'une partie de l'assemblage.
Les panneaux composites sont des produits solides comportant des peaux ou plaques réalisées avec un matériau de liaison appelé matrice et d'un matériau de renfort en général sous forme de fibres qui prennent en sandwich un matériau de comblement léger, mousse, matériau alvéolaire, matériau ni d'abeille ou autre appelé âme.
La matrice conserve la disposition géométrique des fibres et leur transmet les sollicitations auxquelles est soumise la pièce. Le matériau obtenu est ainsi léger, possède une bonne tenue en fatigue et possède de bonnes caractéristiques mécaniques dans le sens des fibres.
Dans le cas de pièces de grande longueur, un défaut d'épaisseur ou de planéité d'un panneau tel qu'un panneau composite va se traduire par exemple par des ondulations du panneau sur la longueur du panneau.
Le mode d'assemblage privilégié pour lier deux pièces minces de grandes dimensions est le rivetage. Ce procédé utilise fréquemment des rivets dits aveugles car ils nécessitent d'avoir accès à seulement un coté de l'assemblage. A l'aide de pistolet à pression on vient tirer sur la tige du rivet, ce qui permet d'écraser la tête de l'autre coté. La tige est dimensionné pour se casser en sa base à partir d'une certaine pression.
Dans le cas de caisses de train l'assemblage est composé de deux lignes de rivets. La première se situe sur la face extérieure du train, la seconde se situe sur la face intérieure du train.
Des lignes de rivetages sont par exemple représentées sous les repères 110, 120 sur la figure 10 entre le panneau 300 et la structure ou châssis métallique 200 de bas de caisse de voiture ferroviaire utilisable pour recevoir un panneau fixé selon l'invention.
Dans une application à la réalisation de caisses de train notamment, en fonction de la chaleur et de l'hydrométrie, la température d'une caisse de train peut monter à des températures dépassant les 80°C ce qui sollicite de manière importante les assemblages et en particulier les assemblages composite/métal ce qui impose des contraintes de dimensionnement particulières.
Dans le contexte de l'invention et selon la figure 1, le bord d'un panneau composite 1 à fixer comporte un retour à la peau formant une languette 17 de fixation venant en appui sur une face du panneau métallique 2 et appelée ici languette d'appui dans le sens qu'elle constitue une surface d'appui de référence substantiellement rigide pour l'assemblage.
Le panneau métallique 2 comporte de son côté une languette métallique 24 pourvue d'une partie terminale en appui sur une face du panneau composite mais aussi pourvue d'une partie intermédiaire libre d'appui sur une longueur qui permet d'apporter de la flexibilité pour l'assemblage, cette languette étant appelée languette de rattrapage. Les rivets sont positionnés au niveau de la partie des languettes en appui sur les faces des panneaux et insérés dans des perçages, une série de perçages P1 traversant la languette de rattrapage et une première peau 10 du panneau et une série de perçages P2 traversant la partie en appui de la languette de rattrapage et une paroi d'appui 21 du châssis.
Par surface d'appui de référence substantiellement ou essentiellement rigide on entend que la languette d'appui est suffisamment rigide pour que son éventuel fléchissement reste négligeable par rapport à la flexion de la languette de rattrapage en cas de différence d'épaisseur des panneaux au niveau de la liaison, ce qui correspond par exemple à un fléchissement angulaire de la languette d'appui 10 à 100 fois inférieur à celui de la languette de rattrapage au niveau de leur jonction avec le bord du panneau les portant pour un écart d'épaisseur.
De même la languette d'appui est en appui sur substantiellement toute sa longueur exprime que même si une petite partie de la languette d'appui est en porte à faux, cette petite partie reste de longueur négligeable par exemple jusqu'à 10% de la longueur de la languette et est de longueur insuffisante pour apporter un fléchissement angulaire significatif de la languette d'appui.
Les défauts de forme des pièces composites sont induits notamment par la forme imparfaite du moule. Les défauts du moule entrainent une première famille de défauts sur la pièce produite.
Une deuxième source de défauts vient des efforts de déformation après polymérisation. Le procédé de fabrication des matériaux composites entrainent des tensions internes qui se relâchent après polymérisation, ce qui conduit à une déformation globale de la pièce par effet ressort appelé en anglais "spring back".
Ces deux sources de défauts induisent les défauts de forme D_f sur les pièces composites.
Une troisième source de défauts proviens, sur la face opposée au moule, des variations d'épaisseurs liées aux dispersions de fabrications (cumul des tolérances des couches successives de matériaux assemblés sur le moule) : ce qui donne lieu à des défauts d'empilement.
Le panneau composite 1 comprend une première peau 10 et une seconde peau 11 disposées de part et d'autre d'une âme 12 en mousse, nid d'abeille ou autre matériau léger. Il comprend, au niveau d'au moins un bord du panneau composite, une terminaison d'assemblage comportant la bordure 17 de retour à la peau réalisée en solidarisant ensemble les deux peaux 10, 11 et formant la languette d'appui.
Pour améliorer la jonction entre les peaux et la rigidité du bord du panneau au niveau de la terminaison, le bord 13 de l'âme est découpé en biseau pour réaliser une zone de transition progressive depuis la première face 14 vers la seconde face 15 du panneau, la première peau 10 recouvrant la zone de transition depuis la première face vers la seconde face du panneau pour venir s'appliquer sur la seconde peau 11 qui prolonge cette seconde face et réaliser la languette d'appui 17 par retour à la peau du panneau composite.
Du fait de sa constitution par solidarisation des deux peaux la languette d'appui est relativement rigide et non flexible.
La structure métallique 2 comprend pour sa part une extrémité 20 de jonction avec le panneau composite pourvu d'une paroi d'appui 21 en regard de la languette d'appui 17.
Cette structure comporte en outre une paroi de liaison 22 entre ladite paroi d'appui et une seconde face 23 de la structure, cette paroi de liaison formant un bord substantiellement droit.
Par bord substantiellement ou essentiellement droit on entend un bord perpendiculaire ou le plus perpendiculaire possible aux peaux ou plaques 23, 24, 21, 26 compte tenu des tolérances de découpe, usinage ou de moulage. On considère dans le contexte de la présente invention comme bord substantiellement ou essentiellement droit un bord à 90° ±15° de la surface des peaux ou plaques.
La languette 24 s'étend au delà du bord droit sur la face 23 de la structure opposée à celle portant la paroi d'appui 17. La languette 24 est en porte à faux et vient s'appliquer sur la première face 14 du panneau composite.
La languette 24 comporte une partie libre de longueur "a" et une partie en appui de longueur "b"+"c".
La partie libre se situe au dessus du bord en biseau 13 du panneau 1 et permet à la languette 24 de fléchir ce qui lui donne une fonction de rattrapage de jeu et de défauts comme il sera vu plus loin.
Pour ce qui concerne le bord en biseau on considère qu'une plage de 30°à 60° soit 45° ± 15° par rapport à la normale aux pla ques permet d'avoir une longueur libre de languette adéquate pour l'invention.
La partie de la languette 24 en appui sur la première face 14 du panneau et la bordure 17 sur la paroi d'appui 21 constituent des zones de réception de moyens de fixation tels que des rivets.
Les défauts que permet de rattraper la languette de rattrapage 24 sont notamment les défauts d'empilement du panneau composite et de la structure.
Ces défauts d'empilement D_e sont constitués par la somme des tolérances de toutes les couches qui constituent chaque panneau (peau, âmes du sandwich, etc..) Il peut s'agit d'une addition classique, où d'une addition quadratique (on prend la racine carrée de la somme des carrés des incertitudes de chaque couche) plus réaliste du point de vue risque d'occurrence, et donc préférées par les inventeurs. Sa valeur est de l'ordre de ±1 millimètre pour un empilement tel celui de la figure 1, quand les panneaux ont une épaisseur de l'ordre de 50 mm, les peaux du sandwich composite ayant une épaisseur d'environ 3 mm.
La languette est adaptée à se courber sous l'action de l'assemblage du panneau et de la structure soit en direction du panneau comme représenté en figure 2A avec un déplacement -y correspondant à une sous épaisseur du panneau par rapport à la structure soit dans le sens opposé en figure 2B avec un déplacement +y correspondant à une sur épaisseur du panneau par rapport à la structure.
La figure 3 représente un exemple de structure 200 comportant une première face 26 terminée au niveau de la partie d'assemblage avec un panneau composite par la paroi d'appui 21 et qui comporte une seconde face 23 qui se prolonge par la languette 24. L'agrandissement en figure 3 permet de distinguer un talon 25 reliant la paroi d'appui 21 à la première face 26 de la structure. Ce talon permet ici d'obtenir une face extérieure plane entre le panneau et la structure, la différence de hauteur entre la partie d'appui 21 et la plaque 26 de la structure correspondant à l'épaisseur de la languette d'appui 17 du panneau composite. Le talon peut en outre servir de butée pour la bordure 17 de l'extrémité d'assemblage du panneau.
Comme vu plus haut, la languette 24 est destinée par sa souplesse à rattraper les jeux d'empilement, mais elle ne pourra rattraper à elle seul les jeux dus aux tolérances de forme : en fait c'est la souplesse du panneau et de la structure, souplesse due à leur grande dimension dans le sens de la longueur qui permet de rattraper ce jeux.
Il est à noter qu'il est bien connu que cette souplesse dépend de la forme du panneau et de la structure, et par exemple un panneau plan sera très souple alors qu'un panneau courbe comme celui de la figure 3 sera beaucoup moins souple.
Comme expliqué dans la partie précédente, pour réaliser l'assemblage sans avoir de jeu à combler, il faut augmenter la souplesse de la pièce métallique pour diminuer la contrainte interne au niveau de l'assemblage. C'est le rôle de la languette de rattrapage 24 d'apporter cette souplesse dans l'assemblage, par une conception adaptée de cette languette.
Pour cette conception adaptée, il y a lieu de se donner un certain nombre d'objectifs, liés au bon fonctionnement de la structure assemblée.
De manière générale, pour la conception de cette liaison :

On se donne un critère de contrainte de flambage maximale admissible dans la languette;
On se donne un critère de contrainte résiduelle maximale admissible dans la languette;
On se donne un jeux maximum de liaison admissible, susceptible d'un comblage par mastic;
On définit l'épaisseur du linguet de façon qu'il puisse supporter les efforts en matage dus à la liaison;
Sur la base de cette épaisseur et du critère de flambage, on en déduit la longueur maximale possible du linguet;
Sur la base de cette longueur, de l'épaisseur et du critère de contrainte résiduelle, on calcule l'effort maximum de serrage de la liaison, dont on déduit la déformée maximale;
On compare cette déformée à la tolérance maximale possible due aux empilements des constituants des panneaux, en s'assurant que l'écart maximal entre la déformée et la tolérance maximale est inférieure au jeux maximum de liaison admissible;
On s'assure qu'avec les efforts ainsi définis, on pourra rattraper les jeux du aux tolérances de forme pour la liaison réelle à réaliser.

Dans l'hypothèse où l'on ne peut pas rattraper respectivement les tolérances d'empilement ou de forme, on réitère l'analyse en réduisant respectivement ces tolérances.
En pratique, on démarrant l'analyse avec des tolérances standard qui permettent d'avoir un cout minimum des panneaux, on peut être amené à réduire ces tolérances et donc à augmenter le cout des panneaux, mais cette augmentation sera la plus faible possible.
Il faut d'abord que la languette de rattrapage modélisée à la figure 4, aussi appelée ci-après linguet, et la liaison soient capables de supporter les efforts de de la structure en fonctionnement. Ces efforts supposés connus permettent de déterminer le nombre d'éléments de liaison/rivets, leur diamètre D, le pas P entre deux rivets en fonction en particulier de leur caractéristiques. Le fonctionnement par matage de ces rivets permet de déterminer l'épaisseur du linguet : $e \geq F_cisaillement / (D * σ_matage)$
avec :

e = épaisseur du linguet (mm);
a_matage = contrainte de matage admissible sur (MPa);
D = diamètre du rivet (mm);
F_cisaillement = effort externe de cisaillement appliqué sur un rivet (N).

Par ailleurs, il faut que la liaison soit capable de supporter tous les efforts auxquels elle sera soumise en fonctionnement. L'effort le plus dimensionnant est la tenue en flambage du linguet lors d'un effort de flexion de la liaison pour ce faire, la contrainte de flambage σ_f doit être supérieure à la limite élastique σ_e du matériau utilisé, en fait avec un coefficient de sécurité de 1,5.
La contrainte de flambage peut être calculée de diverses façon, on l'estime ici par assimilation du linguet à un intermédiaire entre une poutre encastrée - encastrée et une poutre encastrée-guidée : $F_{_critique flambage} = π^{2} * E * I_{f} / {I_{k}}^{2}$
Avec :

E = module élastique du matériau du linguet (MPa);
I_f = Inertie de flexion du linguet = b* e³ /12;
I_k = 0,6;

D'où : $σ_{_critique flambage} = (π^{2} * E * e^{2}) / (4,32 * L^{2}) > 1,5 σ_{e}$
avec :

L: longueur du linguet jusqu'au point d'introduction du serrage (mm);
e = épaisseur du linguet (mm);
σ_e = limite élastique du matériau utilisé (MPa);

D'où : $L < π * e * E^{1 / 2} * 1 / {(4,32 * 1,5 * σ_{e})}^{1 / 2}$
Pour que le linguet 24 reste utilisable dans sa fonction, il faut également que la contrainte de flexion induite par le serrage n'atteigne pas une fraction de la limite élastique du matériau ; la valeur maximale σ_m admissible pour cette contrainte résiduelle dépend de l'assemblage et de sa fonction, mais en première estimation on peut choisir que cette contrainte maximale ne dépasse pas la moitié du potentiel de contrainte à limite élastique du matériau ,soit σ_m = 1/ (2 *1,15)* σ_e. Cette contrainte permet de calculer la flèche maximale atteignable par le linguet, et donc le jeu maximal qui peut être rattrapé.
Si y_m est cette flèche, elle est liée à la contrainte maximale acceptable dans le linguet par la relation (approximation du linguet par une poutre encastrée) : $y_{m} = σ_{m} * (2 * L^{2}) / (3 * E * e)$
La comparaison de cette flèche maximale atteignable avec le défaut d'empilement D_e permet de vérifier si l'assemblage est possible :

Soit y_m > D_e - m, où m est le jeux résiduel qui peut être comblé par un mastic ; m vaut au maximum 0,7 mm de façon classique. Alors, l'assemblage est réalisable.
Soit y_m < D_e - m alors l'assemblage n'est pas réalisable ; il faut revoir la chaine de côte qui doit être plus contraignante ; et les pièces seront plus chère à fabriquer.

Il reste à vérifier que le flux d'effort d'accostages maximal F_a appliqué en bout de linguet sera suffisant pour assurer cette déformation. Pour réaliser l'opération d'assemblage, on utilise usuellement des épingles, qui sont des dispositifs d'accostage provisoire que l'on place dans les trous prévus pour les rivets de l'assemblage final ; connaissant l'effort maximal d'accostage d'une épingle (T_epingle) et considérant une épingle dans chaque trou, on calcule K_a = T_epingle / P et que cette valeur est supérieure à l'effort K nécessaire pour faire fléchir le linguet de la valeur du défaut maximal D_e: $K = 3 * D_{e} * E * e^{3} / (L^{3} * 12)$
A l'issu de cette première phase de prédéfinition du linguet, l'analyse se poursuit par un calcul qui permet de vérifier les exigences d'assemblages en prenant en compte les défauts de formes des panneaux à assembler dans leurs grandes longueurs.
Cela nécessite un calcul aux éléments finis, dans lequel on modélise l'ensemble des deux pièces à assembler, y compris le linguet ou languette de rattrapage défini précédemment, avec les hypothèses suivantes ;
La déformation est assurées par des épingles d'assemblage utilisant les lieux prévus par les rivets ; les épingles d'assemblage sont des produits standards, dont la force de serrage est connue .
Le défaut de forme est modélisé soit par des outils (tels le logiciels de simulation d'assemblage 3DCS de la société HITEX), soit avec un logiciel de calcul par élément fini sous forme d'un défaut sinusoïdal de longueur d'onde variable, dont l'amplitude est le défaut de forme attendu.
Le calcul donne au final :

le jeux résiduels qui doivent être au maximum mentionnés ci-dessus (m)
les contraintes résiduelles qui ne doivent pas dépasser σ_m

Si ces objectifs ne sont pas atteints, il y a lieu de spécifier des défauts de forme plus faibles, ce qui complique les procédé de fabrication des pièces et donc leur coût.
On notera que la démarche mentionnée précédemment porte sur le cas pire, qui indique la faisabilité de l'assemblage, et la classe des tolérances de fabrication nécessaires au succès de l'assemblage. Quand cette faisabilité est démontré, il est toujours possible d'optimiser la conception que ce soit en termes de longueur de linguet, choix de matériau, contraintes résiduelles, jeux résiduels et coût.
Augmenter la longueur du linguet permet donc de diminuer fortement la contrainte maximum interne au châssis ou structure métallique. Toutefois augmenter indéfiniment la longueur du linguet n'est pas possible. Il y a un risque de flambage du linguet.
Aussi, un compromis entre la longueur du linguet et donc de la terminaison du panneau composite et de sa partie de retour à la peau et sa souplesse est possible selon les pièces à raccorder, leurs dimensions et les efforts qu'elle ont à passer.
Les figures 5A et 5B représentent la localisation des contraintes σ maximales, σ_M1 dans le cas d'un jeu négatif - y pour la figure 5A où la contrainte maximale σ_M1 est située à la jonction entre le linguet ou languette de rattrapage et la paroi de liaison 22 et σ_M2 dans le cas d'un jeu positif +y dans le cas de la figure 5B où la contrainte maximale σ_M2 se situe dans la zone d'accostage du linguet sur la première face 14 du panneau.
Pour mieux décrire la mise en œuvre de l'invention, on va considérer le cas présenté à la figure 6 . Cette figure représente la structure en aluminium 200 de la figure 3 en perspective, cette structure devant être assemblée avec un panneau en matériau sandwich composite. La longueur des deux pièces et de la liaison est de 10 m et les rivets sont alignés selon deux lignes 110 et 120 sur les deux côtés de la structure.
La figure 7A représente un défaut de forme à rattraper D_f entre le panneau composite et la structure métallique La figure 7B représente en partie gauche l'écart Δy et en partie droite le résultat après serrage au moyen d'outillages adaptés (épingles par exemple) ou des rivets 30.
A titre d'exemple on considèrera un panneau tel que l'épaisseur de l'âme en mousse du panneau sandwich est de 38mm, l'épaisseur des peaux est de 3 mm, Le retour à la peau du panneau composite s'effectue avec un angle de 45°, et un jeu de 10 mm est prévu entre le linguet ou languette de rattrapage 24 et la première face 14 du panneau lorsque la bordure 17 est posée sur la paroi d'appui 21 été choisi afin d'éviter un double contact.
La structure de l'exemple est en aluminium 6005 T6 de 3 à 5 mm d'épaisseur, son module d'élasticité vaut E=70GPa, et sa limite élastique vaut σ_e> 220MPa
Par ailleurs, les sollicitations en utilisation ont permis de définir la liaison qui sera réalisée à l'aide de rivets aveugles à tirer en inox passivés de 6,58mmde diamètre, réparti selon un pas de P=60mm, devant permettre d'assurer la tenue sous un flux d'effort de cisaillement de 70 N/mm
Les épingles utilisées pour réaliser l'assemblage permettent de passer un effort de 2000N.
Concernant le défaut d'empilage (chaine de cote), on le considère égal à ±0,74mm (approche quadratique retenue).
On obtient donc pour le linguet le résultat suivant :

Epaisseur > 2,1 mm soit 3mm retenu;
Longueur maximale L < 69 mm avec cette épaisseur de 3mm;

Flèche maximale admissible par le linguet en flexion = 1,5mm , donc supérieur au défaut à rattraper
Flux d'effort d'accostage nécessaire pour déformer le linguet de la valeur du défaut = 1,1 N/mm, donc inférieur au flux d'effort d'accostage maxi assuré par les épingles de 33N/mm
On constate donc que les critères que l'on s'est fixé pour définir le linguet sont donc vérifié. L'analyse va se poursuivre par la prise en compte des défauts de formes de pièces à assembler, négligées à ce stade.
Les défauts de forme des pièces dans la grande longueur du panneau de 10m de l'exemple, à titre d'initialisation au départ de l'analyse, seront représentés par:

Pour la structure métallique: une sinusoïde d'amplitude 15mm crête à crête, et une longueur d'onde de 2,5m, ce défaut correspondant à une tolérance de forme globale de 15mm associé à une tolérance de forme locale de 0,6mm sur 300mm, conforme aux défauts susceptible d'être rencontré sur un profilé en aluminium filé;
Pour le panneau composite: une sinusoïde d'amplitude 15 mm crête à crête, et une longueur d'onde du défaut identique à celui du panneau métallique, soit 2,5 m, mais en opposition de phase par rapport à ce dernier.

Les conditions aux limites permettant de réaliser les simulations d'assemblages et les conditions de validité de la liaison sont précisées ci-dessous et à titre d'exemple, les efforts d'accostage sont fixés à 2000N tous les 240mm (1 épingle tous les 5 trous), soit un flux d'effort d'épinglage de 8333N/mm.
En terme de jeu maxi admissible entre pièces après accostage :

En B : m < 0,7mm;
En A : m < 0,1 mm (plus faible qu'en A car on ne souhaite pas faire de comblage liquide dans cette zone);

En terme de contraintes maxi admissible dans les pièces après accostage :

Pièce métallique : critère de Von Mises σ_m < 220 * (1 / (2 * 1,15) = 95MPa;
Pièce composite : critère de Hashin < 0,15 = (1 / (2 * 1,3))²

Le coefficient 1,3 correspond au coefficient de sécurité à rupture spécifié dans la norme de dimensionnement des caisses NF EN 12663-1.
La souplesse des pièces dépendants des courbures des panneau, deux cas d'assemblages correspondant à deux géométries de panneaux composites ont été étudiés : le cas d'un panneau composite plan (tel qu'une face), et le cas d'un panneau composite courbe (tel qu'un panneau de pavillon).
La figure 11 présente la vue d'un cas de panneau courbe 300' assemblé avec la structure de caisse 200 ou un autre panneau.
Dans les analyses qui vont suivre, la longueur du linguet ou languette de rattrapage 24' est fixée géométriquement à 62mm.
Les résultats des deux analyses par calcul aux éléments finis sont présentés ci-dessous :
Pour la liaison entre un panneau composite plan comme en figure 10 et une structure ou panneau métallique, les exigences de validité de la liaison sont assurées pour les tolérances suivantes sur le panneau composite et le panneau métallique :

une sinusoïde d'amplitude 4,5mm crête à crête et une longueur d'onde de 2,5m, ce défaut correspondant à une tolérance de forme globale de 4,5mm associé à une tolérance de forme locale de 0,2mm sur 300mm;
une sinusoïde d'amplitude 7,5mm crête à crête et une longueur d'onde de 5m, ce défaut correspondant à une tolérance de forme globale de 7,5mm associé à une tolérance de forme locale de 0,1mm sur 300mm.

Pour le panneau composite courbe de la figure 11, les exigences de validité de la liaison sont assurées pour des tolérances plus contraignantes sur les panneaux à assembler, puisque la raideur du panneau composite limite sa capacité à se déformer. Le défaut maximal justifié correspond à une sinusoïde d'amplitude 4,5mm crête à crête et une longueur d'onde de 5m. Ce défaut correspond à une tolérance de forme globale de 4,5mm associé à une tolérance de forme locale de 0,1 mm sur 300mm.
On voit ainsi que comme attendu, l'assemblage dans le cas du panneau composite courbe demande que sa tolérance de forme soit quasiment deux fois plus faible que celle nécessaire dans le cas de l'assemblage du panneau plan ; et donc que sont cout soit supérieur
En outre, pour obtenir le respect des critères d'accostage dans ces conditions, la longueur du linguet a dû être allongée à sa valeur maximale, soit 69mm afin de maximiser la souplesse de ce dernier.
Les figures 8A à 8C représentent un rivet aveugle pouvant être utilisé pour réaliser l'assemblage de l'invention.
En figure 8A le rivet 30 est représenté avant son écrasement pour serrer une pièce externe A sur une pièce interne B, par exemple la paroi d'appui et le linguet ou languette de rattrapage et la première peau du panneau.
Le rivet selon l'exemple comporte une tige 31 terminée par un renflement 36, une tête 32, ici une tête fraisée, un corps 33 creux recevant la tige et comportant une partie conique 33a, une rondelle hélicoïdale 34 et un manchon déformable 35.
La rondelle hélicoïdale est disposée entre le manchon 35 et la partie conique 33a du corps creux 33 et le manchon déformable 35 est retenu par le renflement 36 de la tige 31 contre la rondelle.
En figure 8B, une traction sur la tige 31 tire sur le renflement 36 qui pousse la rondelle 34 et le manchon 35 sur le corps 33. La rondelle est expansée et le manchon s'écrase longitudinalement tout en s'élargissant en montant sur la partie conique du corps.
En figure 8C, la rondelle 34 est en butée contre la pièce interne B et est maintenue au moyen de l'écrasement du manchon 35. Une fois que l'effort de serrage calibré correspondant à la rupture de la tige 31 est atteint, cette dernière casse pour laisser une surface externe sans aspérité.
Pour la voiture ferroviaire de la figure 9 comportant des panneaux composites fixés avec une structure inférieure métallique, les faces latérales 300 de la voiture sont rivetées conformément à l'invention sur la caisse 200, structure située en partie inférieure de la voiture.
L'invention n'est pas limitée aux exemples représentés et notamment un élément renfort tubulaire ou selon un autre profil tel qu'un oméga peut être prévu dans le panneau sous la première peau 10 au droit des zones de perçage P1 recevant les rivets 30 pour renforcer le panneau. De même la structure métallique peut être de hauteur H variée, être droite ou un posséder un rayon de courbure différent de celui représenté.

Claims

Liaison en bout entre un panneau composite (1, 300, 300') comportant une première peau (10) et une seconde peau (11), définissant des faces externes dudit panneau composite, reliées par une âme pleine ou alvéolée (12) s'étendant entre la première peau (10) et la seconde peau (11), et un second panneau (2, 200) pourvu de deux faces externes définies par deux peaux séparées par une âme pleine ou alvéolée ou un caissonnage, pour laquelle une des peaux de chacun desdits panneaux se prolonge par une languette (17, 24), la languette d'un premier desdits panneaux venant, lors de la liaison entre les panneaux, s'appliquer sur la face extérieure de la peau (10, 26) dépourvue de languette d'un second desdits panneaux, ledit second panneau (2, 200) comprenant un bord droit (22) substantiellement perpendiculaire auxdites faces du second panneau, la languette du second panneau, dite languette de rattrapage (24), comportant dans sa largeur une partie terminale en appui (b, c), caractérisée en ce que l'âme (12) du panneau composite comporte un bord de terminaison (13), réalisé en biseau par rapport auxdites faces du panneau composite (10, 11), le bord en biseau partant de la première peau pour s'étendre vers la seconde peau, en ce que la première peau épouse la pente du bord en biseau pour rejoindre la seconde peau et réaliser la languette (17) du panneau composite, dite languette d'appui, de sorte que la languette d'appui est en appui sur substantiellement toute sa largeur sur la partie d'appui (21) de la face du second panneau la recevant et définit une surface de référence substantiellement rigide pour la liaison, la languette du panneau à bord droit comportant une partie intermédiaire libre (a) susceptible de fléchir pour rattraper des différences d'épaisseur entre les panneaux.
Liaison en bout selon la revendication 1, pour laquelle ledit bord droit (22) fait un angle de 90° ± 15° par rapport auxdites faces des peaux (23, 26) du second panneau.
Liaison en bout selon la revendication 1 ou 2, pour laquelle ledit bord en biseau (13) fait un angle de 45° ± 15° par rapport à la normale auxdites faces (10, 11) du panneau composite.
Liaison en bout selon l'une quelconque des revendications précédentes, pour laquelle ledit bord en biseau (13) est réalisé par un pliage de la première peau (10) du panneau composite selon une première inclinaison en début de biseau puis selon une seconde inclinaison en fin de biseau où la première peau (10) rejoint la seconde peau (11) du panneau pour former la première languette dite languette d'appui (17) à l'extrémité dudit bord en biseau.
Liaison en bout selon l'une quelconque des revendications précédentes, pour laquelle ledit bord droit (22) est une paroi reliant les deux peaux (23, 26) du second panneau et disposée en bout d'une première de ces peaux (26), ladite languette de rattrapage (24) du second panneau (22) étant constituée par un prolongement d'une seconde de ses peaux (23) en porte à faux par rapport audit bord droit (22).
Liaison en bout selon l'une quelconque des revendications précédentes, pour laquelle le second panneau (2, 200) comportant ledit bord droit est un panneau ou une structure métallique.
Liaison en bout selon l'une quelconque des revendications précédentes, pour laquelle ladite languette de rattrapage (24) est réalisée en sorte d'avoir une flexibilité adaptée à rattraper les différences d'épaisseur des panneaux par flexion de sa partie intermédiaire libre (a).
Liaison en bout selon l'une quelconque des revendications précédentes, pour laquelle, en réalisant une languette de rattrapage (24) et un biseau (13) suffisamment longs, la partie intermédiaire libre (a) est suffisamment déformable pour venir en contact avec la face du panneau la recevant et permettre un rivetage tout en minimisant les contraintes induites par l'assemblage.
Liaison en bout selon l'une quelconque des revendications précédentes, pour laquelle la liaison comporte un jour de section substantiellement triangulaire rectangle, ledit bord en biseau (13) constituant l'hypoténuse de ladite section, le bord droit (22) et ladite partie intermédiaire libre (a) constituant les deux autres côtés de ladite section.
Assemblage de deux panneaux au moyen d'une liaison selon l'une quelconque des revendications précédentes qui comprend entre les deux panneaux une liaison rivetée comprenant au moins une première ligne de rivets (P2, 120) de fixation de la languette d'appui (17) du panneau composite sur une face d'appui (26, 21) du second panneau et au moins une seconde ligne de rivets (P1, 110) de fixation de ladite partie terminale de ladite languette de rattrapage (24) sur une face d'appui (10) du panneau composite.
Assemblage selon la revendication 10 pour lequel la paroi d'appui (21) du second panneau est avantageusement une bordure en retrait de la face (26) dépourvue de languette dudit second panneau en sorte de compenser l'épaisseur de la languette d'appui pour avoir les faces planes extérieures (26, 11) aux deux panneaux en continuité.
Assemblage selon la revendication 10 ou 11 pour lequel la paroi d'appui du panneau comportant ledit bord droit est avantageusement une bordure en retrait (21) de la face dépourvue de languette dudit panneau et relié à ladite face par un talon (25) formant une butée pour la languette d'appui (17).
Assemblage selon la revendication 10, 11 ou 12 pour lequel la languette de rattrapage (24) est préférablement adaptée à se courber sous l'action de l'assemblage du premier panneau et du second panneau soit en direction du premier panneau (-y) soit dans le sens opposé (+y).
Assemblage selon la revendication 13, pour lequel la souplesse de ladite languette de rattrapage est calculée pour lui permettre de fléchir d'une distance au moins égale à la somme des tolérances des couches qui constituent chaque panneau.
Assemblage selon la revendications 13, pour lequel la souplesse de ladite languette de rattrapage est calculée pour lui permettre de fléchir d'une distance au moins égale à la somme quadratique des tolérances des couches qui constituent chaque panneau.
Assemblage selon la revendication 15, pour lequel pour la somme quadratique on prend la racine carrée de la somme des carrés des incertitudes de chaque couche.
Assemblage selon la revendication 14, 15 ou 16 pour lequel Le fléchissement de ladite languette de rattrapage se mesure au point d'accostage entre ladite languette (24) et la face (10) du panneau sur lequel elle s'applique.
Assemblage selon l'une quelconque des revendications 10 à 17, pour lequel le second desdits panneaux est une structure métallique.