FR2865539A1 - Systeme structurel a nervures et procede de fabrication d'un tel systeme. - Google Patents
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Abstract
Ce système comprend une grille formée d'une pluralité de nervures (2) et une fibre optique (3) dans laquelle sont formés une pluralité d'éléments de réseau de Bragg sur fibre (4) ayant au moins deux longueurs d'onde de réflexion, chacun de ladite pluralité de ces éléments étant situé essentiellement à mi-chemin entre deux intersections adjacentes de la grille, en chacune desquelles se croisent deux ou plus de deux nervures (2).Application notamment dans un avion ou un satellite.
Description
La présente invention concerne un système structurel à nervures, qui
permet le contrôle automatique et sûr de l'état sain d'une structure, comme par exemple un avion ou un satellite, et qui inclut un certain nombre de
capteurs à fibres, qui sont disposés selon des couches dans ce système, et un procédé pour fabriquer ce système structurel à nervures.
Habituellement, il est très important que toute structure parmi différentes structures telles que des avions et des satellites, soit entièrement équipée d'un système apte à contrôler en permanence son état sain du point de vue de la garantie de la fiabilité de la structure, de l'exécution de missions, etc. Un procédé de collage d'une jauge de contrainte en un emplacement (ou en un point) spécifique d'une structure cible, tel qu'un avion, et de détection de la valeur de la contrainte à l'emplacement spécifique est bien connu en tant que procédé de contrôle de l'état sain de la structure. Conformément au procédé de l'art antérieur de détection d'une valeur de contrainte en un emplacement spécifique d'une structure moyennant l'utilisation d'une jauge de contrainte, lorsque la structure est une structure de forme plane bidimension- nelle, il est nécessaire de coller un ensemble de trois jauges de contrainte à l'emplacement (ou au point) spéci- fique de la structure, les trois jauges de contrainte s'étendant respectivement dans trois directions (c'est-àdire la direction de l'axe x de la structure, la direction de l'axe y de la structure et la direction de cisaille- ment). En outre pour détecter la valeur de la contrainte sur l'ensemble d'une structure, il faut disposer respecti- vement un grand nombre de jauges de contrainte (ou cap- teurs) en de nombreux points disposés sous la forme d'une grille et dans de nombreuses directions, et par conséquent une forte augmentation du coût et un intervalle de temps conséquent sont nécessaires pour exécuter le contrôle de l'état sain de la structure. Lors de la détection de la valeur de la contrainte sur l'ensemble d'une structure tridimensionnelle, il est difficile ou impossible, du point de vue structurel, de disposer un grand nombre de jauges de contrainte dans la structure dans la plupart des cas et par conséquent ce procédé bien connu n'est pas réaliste.
Un procédé d'utilisation d'un capteur FBG (réseau de Bragg sur fibre) est connu dans le procédé de diagnostic de l'état sain d'une structure. Le capteur FBG met à profit un phénomène selon lequel la longueur d'onde centrale d'un spectre de réflexion fourni par un réseau de Bragg sur fibre formé dans une fibre optique prévue pour l'exécution de communications, varie en raison de la contrainte et de la température, de manière à mesurer principalement la valeur de la contrainte à partir d'une variation de la longueur d'onde centrale. Etant donné qu'une fibre de verre possédant un diamètre très faible (par exemple un diamètre de 125 micromètres) est utilisée pour le capteur FBG, le capteur FBG peut être aisément logé dans ou fixé sur une structure stratifiée avec des CFRP (matières plastiques renforcées de fibres de carbone), qui est largement utilisée pour former une structure légère. Il est également possible de former un réseau de capteurs à grande échelle en utilisant la nature de transmission sur longue distance de la fibre optique et une technique de multiplexage des longueurs d'onde. De ce fait, on peut supposer que l'utilisation d'un réseau de capteurs incluant un certain nombre de capteurs FBG est appropriée pour le diagnostic de l'état sain d'une structure légère de grande taille. En tant que tel pour un tel nombre de capteurs FBG, un capteur de forme plane utilisant une fibre optique pourvue de deux ou de plus de deux réseaux ayant des pas différents est collé sur une structure. Le capteur de forme plane peut s'adapter à des surfaces ayant différentes formes et permet de détecter la valeur de la contrainte et des variations de température en chacun de deux ou de plus de deux points sur une surface de la structure (voir par exemple la demande de brevet japonais publiée (TOKKAI) N 2002-71323 (voir pages 3 et 4 et figure 3)).
Conformément au procédé de diagnostic de l'art antérieur utilisant le capteur de forme plane mentionné précédemment, en exécutant une mesure pour savoir quelle quantité de variation de la longueur d'onde centrale apparaît et dans quel capteur parmi la pluralité de capteurs FBG contenus dans le capteur de forme plane, il est possible de détecter des emplacements, où des contraintes sont apparues, et les valeurs de ces contraintes. Cependant, il n'y a pas nécessairement qu'un capteur FBG qui soit influencé par une contrainte locale, et une variation de la longueur d'onde apparaît en tant que composition de contraintes qui sont apparues dans plusieurs capteurs. C'est pourquoi, pour détecter correctement des emplacements, où des contraintes sont apparues, et pour détecter correctement les valeurs des contraintes, il faut exécuter des analyses concernant la composition des contraintes qui sont apparues dans plusieurs capteurs. Lorsque des capteurs FBG sont disposés comme cela a été mentionné précédemment, les valeurs des contraintes à la fois dans la direction de l'axe x et dans le direction de l'axe y peuvent être détectées, tandis que la valeur de la contrainte dans une direction oblique, comme par exemple dans une direction sous un angle de 45 degrés par rapport à l'axe x et à l'axe y, n'est pas détectée. C'est pourquoi, pour améliorer la précision de détection, le nombre de capteurs, qui sont disposés conformément à de nombreux points de mesure et à de nombreuses directions de mesure doit être accru, tandis que de fines analyses doivent être exécutées sur des données obtenues à partir de la pluralité de capteurs. Un problème lié au procédé de diagnostic de l'art antérieur réside cependant dans le fait que le traitement de mesure devient plus difficile et que le traitement d'analyse devient plus compliqué lorsque le nombre des capteurs augmente, et le coût de fabrication augmente de façon correspondante.
Comme cela a été mentionné précédemment, le capteur de forme plane de l'art antérieur mentionné précédemment peut s'adapter à des surfaces ayant différentes formes et permet de détecter la valeur de la contrainte au niveau de chacun de deux ou de plus de deux points sur une surface d'une structure. Un problème lié au capteur de forme plane de l'art antérieur réside cependant dans le fait qu'il est difficile ou impossible que le capteur de forme plane de l'art antérieur détecte la valeur de la contrainte sur une surface bidimensionnelle d'une structure possédant une forme compliquée ou d'une structure tridimensionnelle, c'est-à-dire que le capteur de forme plane de l'art antérieur possède une capacité de capteur limitée.
La présente invention a été mise au point pour résoudre les problèmes mentionnés précédemment avec des capteurs de l'art antérieur et des procédés de diagnostic de l'art antérieur servant à diagnostiquer l'état sain d'une structure, comme par exemple un avion ou un satellite, et c'est pourquoi un but de la présente invention est de fournir un système structurel à nervures, qui puisse contrôler d'une manière automatique et sûre l'état sain d'une structure, tel qu'un avion, et qui inclut des capteurs à fibres possédant chacun une fonction de contrôle de l'état sain et qui sont disposés en couches à l'intérieur de ceux-ci, et un procédé de fabrication du système structurel à nervures,, à un faible coût.
Conformément à la présente invention, il est prévu un système structurel à nervures comprenant: une grille pourvue d'une pluralité de nervures, et une fibre optique, dans laquelle sont formées une pluralité d'éléments de réseau de Bragg sur fibre possédant au moins deux longueurs d'onde de réflexion, chacun de ladite pluralité d'éléments de réseau de Bragg sur fibre étant situé sensiblement à mi-chemin entre deux intersections adjacentes de ladite grille, en chacune desquelles se recoupent deux ou plus de deux nervures de ladite pluralité de nervures.
Le système structurel à nervures selon la présente invention, équipé de la pluralité de nervures disposées sous la forme d'une grille et possédant une fonc- tion de contrôle de l'état sain permet d'observer des contraintes qui apparaissent dans une structure, au moment de leur apparition, moyennant l'utilisation de la pluralité de capteurs FBG, dont chacun est situé sensiblement à mi-chemin entre deux intersections adjacentes, en chacune desquelles se croisent deux ou plus de deux de la pluralité de nervures. C'est pourquoi le système structurel à nervures peut contrôler automatiquement l'état sain d'une structure, comme par exemple un avion, avec un degré élevé de fiabilité.
En outre, étant donné que la grille du système structurel à nervures selon la présente:invention possède initialement une structure légère et est formée d'un matériau léger, comme par exemple un matériau composite renforcé par fibres, et que le système structurel à nervures peut exécuter un contrôle de l'état sain en utilisant la pluralité de capteurs FBG, il est possible de réaliser une conception d'une structure, sur laquelle le système structurel à nervures selon la présente invention est monté, sans avoir à prévoir une marge additionnelle superflue de résistance de la structure, et le poids du système structurel à nervures peut être réduit de façon optimale. C'est pourquoi le système structurel à nervures selon la présente invention convient pour des applications à des structures prévues pour un avion, un véhicule spa- tial, etc. La structure à grille possède un degré élevé de fiabilité et, même si une partie de la structure à grille se rompt, la rupture ne s'étend jamais à l'ensemble de la grille d'un seul coup. En outre, étant donné que le système structurel à nervures possède une fonction de contrôle de l'état sain moyennant l'utilisation de la pluralité de capteurs FBG, comme décrit précédemment, le système structurel à nervures selon la présente invention possède un degré élevé de fiabilité. Etant donné qu'un trajet de contrainte ou de température est simple dans la structure à grille, la structure à grille convient pour le contrôle de l'état sain d'une structure bidimensionnelle.
Selon une autre caractéristique de l'invention, chaque nervure de ladite pluralité de nervures est formée par un élément stratifié qui est un empilage de couches formées chacune d'un matériau composite renforcé par des fibres, une partie de ladite fibre optique, dans laquelle sont formés ladite pluralité d'éléments de réseau de Bragg de fibre, étant disposée en couche dans ledit élément stratifié.
Selon une autre caractéristique de l'invention ledit système structurel à nervures possède une structure tridimensionnelle.
En outre l'invention concerne un procédé de fabrication d'un système structurel à nervures comprenant: une étape de superposition de préimprégnés, formés chacun d'un matériau composite renforcé par des fibres en forme de bande, tout en mettant sous pression lesdits préimprégnés de manière à former une partie inférieure en forme de couche dudit système structurel à nervures, une étape de mise en place d'une fibre optique incluant une pluralité d'éléments de réseau de Bragg sur fibre sur ladite partie formant couche inférieure de telle sorte que ladite pluralité d'éléments de réseau de Bragg sur fibre sont disposés en différents emplacements en fonction de leurs longueurs d'onde de réflexion; et une étape de superposition des préimprégnés formés chacun d'un matériau composite renforcé par des fibres en forme de bande, sur ladite fibre optique, tout en mettant en pression lesdits préimprégnés.
L'invention concerne en outre un procédé de fabrication d'un système structurel à nervures, comprenant: une étape d'imprégnation d'une résine dans un matériau composite renforcé par des fibres et d'enroulement dudit matériau composite renforcé par des fibres autour d'un bloc de formage de manière à former une partie formant couche inférieure dudit système structurel à nervures, une étape de mise en place d'une fibre optique incluant une pluralité d'éléments de réseau de Bragg de fibre sur ladite partie formant couche inférieure de telle sorte que ladite pluralité d'éléments de réseau de Bragg de fibre sont disposés en différents emplacements en fonction de leurs longueurs d'onde de réflexion, et une étape de superposition dudit matériau composite renforcé par des fibres, dans laquelle la résine est. appliquée par imprégnation sur ladite fibre optique, dans laquelle sont disposés ladite pluralité d'éléments de réseau de Bragg de fibre, tout en enroulant ledit matériau composite renforcé par des fibres autour dudit bloc de formage.
Dans un procédé de fabrication du système struc- turel à nervures selon la présente invention, possédant une fonction de contrôle de l'état sain d'une structure, on peut utiliser un procédé d'enroulement de filaments (FW) ou analogue, permettant de former d'une manière automatique et intégrale des préimprégnés, comme par exemple ce qu'on appelle des CFRP, et une fibre optique. C'est pourquoi, le procédé selon la présente invention permet de fabriquer un système structurel à nervures ayant une grande fiabilité, à un faible coût et en un bref intervalle de temps, et fournit une excellente capacité de fabrication.
D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la description donnée ci-après de formes de réalisation préférées, prise en référence aux dessins annexés, sur lesquels: - la figure 1 est un schéma d'un système struc- turel à nervures conformément à une première forme de réalisation de la présente invention, dans laquelle une pluralité de capteurs FBG sont disposés selon des couches; - la figure 2 est une vue en coupe d'une partie d'une nervure représentée sur la figure 1; - la figure 3 est un schéma illustrant un procédé d'exécution de tests sur le système structurel à nervures conformément à une première forme de réalisation de la pré-sente invention, dans laquelle une pluralité de capteurs FBG sont disposés selon des couches - les figures 4A et 4B sont des schémas permet-tant d'expliquer un premier effet fourni par la pluralité de capteurs FBG conformément à la première forme de réalisation; - les figures 5A et 5B sont des schémas permet- tant d'expliquer un second effet fourni par la pluralité de capteurs FBG conformément à la première forme de réalisation; - la figure 6 est un schéma représentant un exemple d'un test de traction qui est exécuté dans le système structurel à nervures, dans lequel la pluralité de capteurs FBG sont disposés en couches; - la figure 7 est un schéma montrant un exemple d'un test de traction, qui est appliqué au système structurel à nervures, auquel un panneau est fixé et dans lequel la pluralité de capteurs FBG sont disposés en couches; - la figure 8 est un schéma représentant une procédure de fabrication conformément à la deuxième forme de réalisation de la présente invention pour la fabrication d'un système structurel à nervures; - la figure 9 est un schéma représentant un exem- ple concret du procédé de fabrication conformément à la deuxième forme de réalisation de la présente invention; - la figure 10 est un schéma illustrant un procédé de fabrication conformément à une troisième forme de réalisation de la présente invention; - la figure 11 est un schéma d'une variante du système structurel à nervures conformément à la première forme de réalisation de la présente invention; - la figure 12 est un schéma d'une autre variante 10 du système structurel à nervures conformément à la première forme de réalisation de la présente invention; - la figure 13 est un schéma d'une autre variante du système structurel à nervures conformément à la première forme de réalisation de la présente invention.
On va donner ci-après une description détaillée
des modes de réalisation préférés.
Mode de réalisation n 1 La figure 1 est un schéma représentant un système structurel à nervures 1 selon une première forme de réali- sation, le système structurel 1 comprenant des fibres optiques 3, qui sont insérées respectivement en couches dans ce système et dont chacune possède une pluralité d'éléments FBG (éléments de réseau de Bragg sur fibre). Le système structurel à nervures 1 est constitué par une pluralité de nervures 2 qui sont disposées sous la forme d'une grille. Chacune de la pluralité de nervures 2 est formée par un empilage de plusieurs couches de matière plastique renforcée par des fibres de carbone, stratifiées. Une pluralité d'éléments FBG 4 (désignés à partir de maintenant sous cette expression capteurs FBG 4) sont formés dans la fibre optique 3. La figure 1 représente le système structurel à nervures 1, en fluoroscopie, chaque ligne formée de tirets représentant une fibre optique qui n'est pas visible à partir de l'extérieur du système structurel à nervures, et chaque rectangle indiquant de façon explicite l'emplacement de capteurs FBG 4. La pluralité de capteurs FBG 4 possède le même diamètre extérieur que la fibre optique 3. La pluralité de capteurs FBG 4 sont construits de manière à posséder des longueurs d'onde de réflexion différentes. Chacun de la pluralité de capteurs FBG 4 est disposé sensiblement à mi-distance entre les deux inter-sections adjacentes, en chacune desquelles se croisent deux ou plus de deux de la pluralité de nervures 2 de la couche structurelle à nervures 1, comme représenté sur la figure 1. Par conséquent pour disposer chaque capteur de la pluralité de capteurs FBG 4 presque à mi-distance entre deux intersections adjacentes, en chacune desquelles se croisent deux ou plus de deux de la pluralité de nervures 2 du système structurel à nervures 1, les emplacements dans la fibre optique 3, où la pluralité de capteurs FBG 4 sont formés, sont déterminés par les tailles du système structurel à nervures 1, l'espacement entre deux nervures adjacentes 2 quelconques, le cheminement de la fibre optique 3, et une marge du cheminement, etc. Chacun de la pluralité de capteurs FBG 4 est inséré dans l'une de la pluralité de nervures 2 et est disposé en un emplacement qui dépend de la longueur d'onde de réflexion de ce capteur.
La figure 2 est une vue en coupe longitudinale d'une partie de chacune de la pluralité de nervures 2, qui est disposée entre deux intersections adjacentes, en chacune desquelles se croisent deux ou plus de deux de la pluralité de nervures 2 du système structurel à nervures 1 de la figure 1. A titre de simplification, chaque nervure de la pluralité de nervures 2 est constituée de six couches de matière plastique renforcée par des fibres de carbone. Chacune de la pluralité de nervures 2 comprend six couches de matière plastique 5 renforcée par des fibres de carbone, et une partie de la fibre optique 3, qui est insérée à mi-chemin entre les six couches de matière plastique renforcée par des fibres de carbone.
Comme cela est représenté sur la figure 2, une seconde couche 5b de matière plastique renforcée par des fibres de carbone est superposée à une première couche 5a de matière plastique renforcée par des fibres de carbone, une troisième couche de matière plastique 5a renforcée par des fibres de carbone est en outre appliquée sur la seconde couche 5b de matière plastique renforcée par des fibres de carbone, et la fibre optique 3 est en outre disposée ou câblée (ou acheminée) sur la troisième couche 5c de matière plastique renforcée par des fibres de carbone. A cet instant, un capteur FBG 4 de la fibre optique 3 est disposé de manière à être situé sensiblement à mi-chemin entre deux intersections adjacentes, en chacune desquelles se croisent deux ou plus de deux nervures 2. En outre, des quatrième à sixième couches 5d, 5e et 5f de matière plastique renforcée par des fibres de carbone sont superposées sur la fibre optique 3.
Un dispositif de diagnostic 6 connecté à une extrémité de la fibre optique 3, qui s'étend à l'extérieur du système structurel à nervures 1, comme représenté sur la figure 3, permet de diagnostiquer quelles parties du système structurel à nervures 1 possèdent respectivement quelles valeurs de contraintes. Le dispositif de diagnostic 6 est pourvu d'une source de lumière servant à injecter une lumière dans l'extrémité de la fibre optique 3, un analyseur de spectre optique pour la mesure de la longueur d'onde de rayons lumineux réfléchis par la pluralité de capteurs FBG 4, chacun pour réfléchir la lumière rencontrant la fibre optique 3, un dispositif pour calculer la valeur de la contrainte au niveau de chacun de la pluralité de capteurs FGB 4 à partir d'une différence entre la longueur d'onde centrale de la lumière incidente et la longueur d'onde centrale de la lumière réfléchie par chacun de la pluralité de capteurs FGB 4, etc. Les figures 4A, 4B, 5A et 5B sont des schémas illustrant de quelle manière un décalage de la longueur d'onde centrale se produit lorsqu'une contrainte apparaît dans le système structurel à nervures 1. Les figures 4A et 4B représentent un décalage de la longueur d'onde centrale, qui se produit lorsque l'une de la pluralité de nervures 2 est endommagée, et les figures 5A et 5B représentent un décalage de la longueur d'onde centrale, qui apparaît lors-qu'il se produit une exfoliation entre les couches d'un panneau rattaché au système structurel à nervures ou entre le système structurel à nervures et le panneau.
La figure 4A représente un spectre de trois rayons de lumière réfléchis respectivement par trois capteurs FBG 4 (FBG1, FBG2 et FBG3) contenus dans une partie du système structurel à nervures 1 lorsque le systè- me structurel à nervures 1 est placé dans un état normal, les trois capteurs FBG4 ayant des longueurs d'onde centrales respectives 12 et 13. Lorsqu'une nervure con-tenant le premier capteur FBG1 est endommagée, la longueur d'onde centrale 11 de la lumière réfléchie par le premier capteur FBG1 se décale vers une longueur d'onde plus faible en raison de la compression appliquée à la nervure, comme représenté sur la figure 4B, tandis que les longueurs d'onde centrales 12 et 13 des rayons lumineux réfléchis provenant des deux autres capteurs FBG2 et FBG3 sont décalées vers des longueurs d'onde plus élevées étant donné qu'une tension apparaît respectivement dans chacune des deux nervures contenant les deux autres capteurs FBG2 et FBG3 et supportant la nervure endommagée.
Les figures 5A et 513 représentent un décalage de la longueur d'onde centrale, qui apparaît lorsqu'une exfo- liation se produit entre des couches d'un panneau fixé au système structurel à nervures 1 ou entre le système structurel à nervures et le panneau. Sur ces figures, en supposant que les rayons lumineux réfléchis par les trois capteurs FBG1, FBG2 et FBG3 possèdent des longueurs d'onde centrales respectives ?1, X2 et ?3, lorsqu'une exfoliation se produit entre une nervure dans laquelle est inséré le premier capteur FBG1, et le panneau ou lorsqu'une exfoliation se produit entre des couches du panneau (dans le cas de la figure 5B), toutes les longueurs d'onde centrales X1, X2 et X,3 du rayon réfléchi du décalage du rayon lumineux réfléchi se décale vers des longueurs d'onde plus faibles en raison de la compression appliquée à la nervure.
Par conséquent, lorsqu'une partie d'une structure telle qu'un avion ou un satellite artificiel, auquel le système structurel à nervures est fixé, est endommagée, une contrainte, qui apparaît dans une nervure située au voisinage de la partie endommagée, varie de façon sûre par rapport à celle qui existait dans la nervure avant que cette partie de la structure soit endommagée. Ce changement est observé sous la forme d'un décalage de la longueur d'onde centrale de la lumière réfléchie par un capteur FBG, qui est situé sensiblement à mi-chemin entre deux intersec- tions adjacentes, en lesquelles se croisent deux ou plus de deux nervures adjacentes à la nervure mentionnée précédemment. C'est pourquoi, le système structurel à nervures 1 en forme de grille, dans lequel la pluralité de capteurs FBG 15 sont disposés en couches, peut permettre d'exécuter des diagnostics de l'état sain de la structure, comme par exemple pour savoir si la structure est saine ou non, si la structure a été endommagée et quelle partie de la structure a été endommagée, avec un degré élevé de précision, par injection d'une lumière émise par la source de lumière dans une extrémité de la fibre optique 3, puis contrôle d'un décalage de la longueur d'onde centrale de la lumière réfléchie par chacun de la pluralité de capteurs FBG4. Dans l'exemple mentionné précédemment, la pluralité de capteurs FBG, qui sont disposés en couches dans la pluralité de nervures, possèdent des longueurs d'onde de réflexion différentes. A titre de variante, la pluralité de capteurs FBG peuvent comporter deux ou plus de deux capteurs FBG possédant la même longueur d'onde de réflexion si chacun des deux ou plus de deux capteurs FBG possède deux ou plus de deux longueurs d'onde de réflexion. Cette variante permet de détecter une tendance telle qu'un gradient de variations d'une contrainte, qui est apparue dans la structure, par observation de variations dans des longueurs d'onde centrales de rayons lumineux réfléchis par les deux ou plus de deux capteurs FGB possédant la même longueur d'onde de réflexion, et déterminer la direction de la contrainte en observant des rayons réfléchis de lumière possédant d'autres longueurs d'onde centrales.
Etant donné qu'un décalage de la longueur d'onde centrale de la lumière réfléchie dans chaque capteur FBG peut également apparaître en raison de variations de la température de la structure, lorsqu'une variation de la température apparaît en un emplacement de la structure, il est possible de spécifier l'emplacement de la structure et de détecter la variation de température en détectant une variation correspondante de la longueur d'onde centrale de la lumière réfléchie par chaque capteur FBG. C'est pourquoi, le système structurel à nervures de cette forme de réalisation permet de signaler rapidement l'apparition d'une anomalie dans la structure ou dans l'équipement situé à proximité de la structure et qui conduit à la variation de température, et par conséquent permet à des opérateurs ou à des utilisateurs de prendre des dispositions requises s'opposant à l'apparition de l'anomalie dans la structure ou dans le reste de l'équipement.
Ci-après on va expliquer des exemples concrets de cette forme de réalisation.
Exemple 1
La figure 6 montre un schéma représentant 35 schématiquement uniquement la fibre optique 3, qui est insérée sous la forme d'une couche dans le système structurel à nervures 1 représenté sur la figure 1, la fibre optique 3 comprenant la pluralité de capteurs FBG 4. Sur cette figure, on n'a pas représenté la pluralité de nervures 2. On a exécuté un test de traction en appliquant des tractions dans des directions indiquées par des flèches aux deux côtés longitudinaux du système structurel à nervures et le système structurel à nervures a été partiellement détruit. On a utilisé, pour le test de traction, une source de lumière dite ASE (sigle tiré de l'anglais Amplified Spontaneous Emission, à savoir émission spontanée ampli-fiée) possédant une bande de 1,55 micromètre, et un analyseur de spectre optique. On a alors observé les longueurs d'onde centrales des rayons lumineux réfléchis par les cinq capteurs FBG 4. On amesuré, comme indiqué ci-après, les longueurs d'onde centrales des rayons lumineux réfléchis par les cinq capteurs FBG 4a à 4e représentés sur la figure 6.
a) Avant l'application des tractions dans les directions repérées par les flèches au système structurel à nervures, on a mesuré les longueurs d'onde centrales comme indiqué ci-après: la longueur d'onde centrale de la lumière réfléchie par le capteur FBG 4a = 1548 nm; la longueur d'onde centrale de la lumière réfléchie par le capteur FBG 4b = 1550 nm; la longueur d'onde centrale de la lumière réfléchie par le capteur FBG 4c = 1552 nm; la longueur d'onde centrale de la lumière réfléchie par le capteur FBG 4d = 1554 nm; et la longueur d'onde centrale de la lumière réfléchie par le capteur FBG 4e = 1556 nm.
b) Après avoir appliqué les tractions dans les directions indiquées par les flèches au système structurel à nervures, on a mesuré les longueurs d'onde centrales comme indiqué ci-après: Aucune lumière réfléchie par le capteur FBG 4a; la longueur d'onde centrale de la lumière réfléchie par le capteur FBG 4b = 1550,8 nm; la longueur d'onde centrale de la lumière réfléchie par le capteur FBG 4c = 1552,8 nm; la longueur d'onde centrale de la lumière réfléchie par le capteur FBG 4d = 1554,8 nm; et la longueur d'onde centrale de la lumière réfléchie par le capteur FBG 4e = 1556,8 nm.
Les résultats du test mentionné précédemment montrent qu'une nervure, dans laquelle était inséré le capteur FBG 4a, s'était rompue et que d'autres nervures entourant cette nervure supportaient cette dernière.
Exemple 2
La figure 7 représente le système structurel à nervures 1 équipé d'un panneau plat 7, qui est fixé à ce système. On a effectué un test de traction sur le système structurel à nervures 1 représenté sur la figure 7, comme dans le cas de l'exemple 1 mentionné précédemment. Bien que la fibre optique, qui est disposée sous la forme d'une couche dans le système structurel à nervures 1 et que la pluralité de capteurs FBG 4 ne soient pas représentés, le système structurel à nervures 1 comporte ces composants, comme représenté sur la figure 6. Dans cet exemple, sept capteurs FBG 4a à 4g sont des cibles devant être observées. Dans ce test de traction, une tension a été appliquée au système structurel à nervures 1 jusqu'à ce qu'une exfolia- tion se produise entre une ou plusieurs nervures et le panneau.
Les longueurs d'onde centrale des rayons lumineux réfléchis par les sept capteurs FGB 4a à 4g ont été mesurés comme mentionnés ci-après: a) Avant l'application des tractions dans les directions indiquées par des flèches au système structurel à nervures, on a mesuré les longueurs d'onde centrales suivantes.
la longueur d'onde centrale de la lumière 35 réfléchie par le capteur FBG 4a = 1 545 nm; la longueur d'onde centrale de la lumière réfléchie par le capteur FBG 4b = 1 548 nm; la longueur d'onde centrale de la lumière réfléchie par le capteur FBG 4c = 1 550 nm; la longueur d'onde centrale de la lumière réfléchie par le capteur FBG 4d = 1 552 nm; et la longueur d'onde centrale de la lumière réfléchie par le capteur FBG 4e = 1 554 nm; la longueur d'onde centrale de la lumière réfléchie par la capteur FBG 4f = 1556 nm; et la longueur d'onde centrale de la lumière réfléchie par le capteur FBG 4g = 1558 nm; b) Après application des tractions dans les directions indiquées par les flèches au système structurel à nervures, on a mesuré les longueurs d'onde centrales comme suit.
la longueur d'onde centrale de la lumière réfléchie par le capteur FBG 4a = 1 545,2 nm; la longueur d'onde centrale de la lumière réfléchie par le capteur FBG 4b = 1 548,7 nm; la longueur d'onde centrale de la lumière réfléchie par le capteur FBG 4c = 1 550,7 nm; la longueur d'onde centrale de la lumière réfléchie par le capteur FBG 4d = 1 552,7 nm; et la longueur d'onde centrale de la lumière réfléchie par le capteur FBG 4e = 1 554,7 nm; la longueur d'onde centrale de la lumière réfléchie par le capteur FBG 4f = 1 556,8 nm; et la longueur d'onde centrale de la lumière réfléchie par le capteur FBG 4g = 1 558,8 nm.
Ce résultat montre que la quantité de variation de la longueur d'onde centrale de la lumière réfléchie par le capteur FBG 4a était faible. Cela signifie que, lorsque l'ensemble du système structurel à nervures s'est étendu en raison de la traction qui lui est appliquée pendant le test de traction, une partie du panneau au voisinage d'une nervure, dans laquelle le capteur FBG 4a est. disposé sur une couche, a été endommagé et que l'équilibre entre les nervures et le panneau, qui supportaient la contrainte en coopération entre eux, était modifié et par conséquent que le panneau supportait principalement la contrainte et la partie de la contrainte appliquée à la nervure, dans lequel le capteur FBG 4a est disposé en couche, était réduite. C'est pourquoi on peut déceler le fait qu'une partie du panneau au voisinage de la nervure, dans laquelle le capteur FBG 4a est disposé, était endommagée.
Comme cela a été mentionné précédemment, conformément à cette forme de réalisation, le système structurel à nervures en forme de grille possède une pluralité d'unités triangulaires comme représenté sur la figure 1, qui sont disposées de façon continue. A titre de variante, le système structurel à nervures en forme de grille peut comporter une pluralité d'unités polygonales qui doivent seulement être répétées et agencées de façon continue, comme par exemple des unités quadrangulaires ou des unités hexagonales, ou d'autres unités triangulaires.
Le système structurel à nervures selon cette forme de réalisation est un système bidimensionnel de forme plane ou un système équipé d'un panneau plat, qui est fixé à ce système, comme mentionné précédemment. A titre de variante, le système structurel à nervures selon cette forme de réalisation peut être le système en forme de coque (voir figure 11) possédant une partie mince courbe tridimensionnelle, un système cylindrique (voir figure 12) ou un système conique (voir figure 13). Le système structurel à nervures selon l'une quelconque de ces variantes peut inclure une fibre optique incluant une pluralité d'éléments FBG, qui est insérée sous la forme d'une couche dans la pluralité de nervures.
Comme mentionné précédemment conformément à cette première forme de réalisation, chaque nervure de la pluralité de nervures est formée d'une matière plastique renforcée par des fibres de carbone. A titre de variante, chaque nervure de la pluralité de nervures peut être réalisée en un matériau composite renforcée par une fibre de verre ou une fibre de Kevlar. Chacune de la pluralité de nervures peut sinon être formée d'un matériau composite léger renforcé par des fibres, comme par exemple du C/C (c'est-à-dire du carbone renforcé par des fibres de carbone) ou du C/SiC (carbure de silicium renforcé par des fibres de carbone) ou un matériau métallique léger comme par exemple de l'aluminium ou un alliage d'aluminium ou un matériau composite renforcé par des fibres formant matrice métallique. Lorsque le système structurel à nervures est formé d'un matériau métallique léger, les fibres optiques incluant la pluralité d'éléments FBG sont simplement collées au système structurel à nervures à l'aide d'un adhésif ou analogue.
Comme mentionné précédemment, conformément à la présente invention, le système structurel à nervures est constitué par une grille possédant un certain nombre d'unités de nervures polygonales qui sont disposées de façon continue, une fibre optique FBG, dans laquelle une pluralité de capteurs FBG sont disposés en des emplacements qui dépendent de leurs longueurs d'onde de réflexion étant disposés sous la forme de couches dans la pluralité des unités de nervures. Lorsqu'il est connecté à un équipement externe de diagnostic, le système structurel à nervures permet d'exécuter aisément un diagnostic; de l'état sain d'une structure, à laquelle le système structurel à nervu- res est fixé, comme par exemple un diagnostic de celles des parties structurelles du système structurel à nervures, qui possèdent des contraintes ou sont soumises à l'influence de variations de température, avec un degré élevé de précision.
Etant donné que le système structurel à nervures selon cette forme de réalisation est constitué par un empilage de préimprégnés stratifiés, dont chacun est formé d'un matériau composite renforcé par des fibres, même si une partie du système structurel à nervures est endommagée, l'endommagement ne s'étend jamais d'un seul coup sur l'ensemble du système structurel à nervures. C'est pourquoi le poids du système structurel à nervures peut être réduit et la fiabilité du système structurel à nervures peut être améliorée, et par conséquent le système structurel à nervu- res peut être appliqué à une structure telle qu'un équipe-ment spatial analogue à un satellite artificiel, ou à un avion.
Lors du contrôle d'un matériau structurel, il est prévu six degrés de liberté (x, y, z, xy, yz et zx). En général, il est nécessaire de disposer six capteurs pour contrôler l'ensemble des six degrés de liberté. Cependant le système structurel à nervures selon la présente invention permet de réduire le nombre de capteurs requis, au moyen de la disposition de chaque capteur à mi-chemin entre deux intersections adjacentes quelconques, en chacune des-quelles deux ou plus de deux nervures se croisent dans le matériau structurel.
Mode de réalisation n 2 La figure 8 est un schéma illustrant un procédé de fabrication d'un système structurel à nervures, dans lequel une fibre optique possédant une pluralité de capteurs FBG est disposée. Conformément au procédé de fabrication de cette forme de réalisation, on fabrique un système structurel à nervures qui est constitué par une pluralité d'unités ou de nervures triangulaires comme représenté sur la figure 1.
Les i-èmes (i=1 à n, par exemple i=1 dans l'état initial) couches (par exemple des préimprégnés) d'une plu- ralité d'empilages parallèles sont disposées dans une direction correspondant à 0 degré, chacune des i-èmes cou- ches constituées par un matériau composite renforcé par des fibres en forme de bandes, dans lequel une résine est imprégnée, en tant que matériau des nervures. Ensuite les i-èmes (i=1 à n, par exemple i=1 à l'état initial) couches d'une pluralité d'empilages parallèles sont disposées dans une direction de 60 degrés, chacune des i-èmes couches étant formée d'un matériau composite renforcé par des fibres en forme de bandes, dans lequel une résine est imprégnée en tant que matériau formant les nervures.
Ensuite, les i-èmes couches (i=1 à n, par exemple i=1 dans l'état initial) d'une pluralité d'empilages parallèles sont disposées dans une direction correspondant à -60 degrés, chacune des i-èmes couches étant formée d'un matériau composite renforcé par des fibres en forme de bande, dans lequel une résine est imprégnée, en tant que matériau pour les nervures. Ensuite, on répète ces opérations de dispo- sition pour les directions correspondant à 0, 60 et -60 degrés, un nombre prédéterminé de fois jusqu'à ce que le nombre de couches contenues dans une partie formant couche inférieure du système structurel à nervures devienne le nombre désiré, déterminé par l'épaisseur de la pluralité de nervures contenues dans le système structurel à nervures.
Ensuite, une fibre optique est acheminée de telle sorte que chacun de la pluralité de capteurs FGB 4 contenus dans la fibre optique est situé essentiellement à mi-chemin entre deux intersections adjacentes, dans chacune desquelles deux ou plus de deux nervures se croisent, c'est-àdire entre deux points adjacents où se croisent un empilage de couches disposées dans la direction correspondant à 0 degré, un empilage de couches disposées dans la direction de 60 degrés et un empilage de couches disposées dans la direction de -60 degrés. Après la mise en place de la plu- ralité de capteurs FBG et la disposition de la fibre optique sont terminées, une partie formant couche supé- rieure restante du système structurel à nervures est formée. En d'autres termes, les traitements de disposition mentionnés précédemment pour les directions de 0, 60 et -60 degrés sont répétés un nombre prédéterminé de fois jusqu'à ce que le nombre de couches contenues dans la partie for- tuant couche supérieure du système structurel à nervures devienne un nombre désiré déterminé par l'épaisseur de la pluralité de nervures contenues dans le système structurel à nervures. Ensuite, le système structurel à nervures est moulé par application de chaleur en utilisant un autoclave.
La figure 9 est un schéma permettant d'expliquer concrètement le procédé de fabrication. Sur cette figure, A désigne un groupe de préimprégnés en forme de bandes disposés, pour former les i-èmes couches, parallèlement dans la direction de 0 degré, et B représente un groupe de préim- prégnés en forme de bande disposés, pour former les i-èmes couches, parallèlement dans la direction de 60 degrés, et C forme un groupe de préimprégnés agencés en forme de bandes, disposés pour former les i-èmes couches parallèlement à la direction de 60 degrés. En utilisant une tête à bras de mise en pression montée sur la tête d'un bras 8 d'un robot commandé par une unité 10 de commande du dispositif de formation des couches d'empilage de fibres, :Les i-èmes (i≥2) couches de la pluralité d'empilages parallèles sont disposées dans les directions correspondant à 0, 60 et -60 degrés alors que les couches sont repoussées vers le bas respectivement en direction de leurs couches inférieures. L'épaisseur de la pluralité des nervures est fixée par le nombre de fois où les autres couches de la pluralité d'empilages parallèles sont disposées dans les directions de 0, 60 et -60 degrés. Ensuite, en utilisant une tête de montage 11, une fibre optique 3 est acheminée ou disposée de telle sorte que chacun de la pluralité de capteurs FBG 4 contenus dans la fibre optique 3 est situé sensiblement à mi-chemin entre deux intersections adjacentes, en chacune desquelles se croisent deux ou plus de deux nervures. La tête de montage 11, qui exécute ainsi la mise en place de la fibre optique 3 sur son trajet, sous la commande d'une unité de commande 12. Une fois achevée la mise en place de la fibre optique 3, le processus de disposition visant à disposer un autre groupe de préimprégnés en forme de bande (A sur la 2 3 figure 9) dans la direction de 0 degré, le processus de disposition visant à disposer un autre groupe de préimprégnés en forme de bandes (B sur la figure 9) dans la direction de 60 degrés et le processus de disposition pour disposer un autre groupe de préimprégnés en forme de bandes (C sur la figure 9) dans la direction de -60 degrés sont répétés jusqu'à ce qu'un nombre désiré de couches soit formé en tant que partie formant couche supérieure du système structurel à nervures. Ensuite, la pluralité d'empilages de préimprégnés disposés sous la ferme d'une grille est moulée par application de chaleur dans l'autoclave lors de l'étape de formage à l'autoclave avec application de chaleur, de la figure 8. Il en résulte qu'on peut fabriquer le système structurel à nervures se présentant sous la forme d'une grille dans laquelle la pluralité de capteurs FBG sont insérés.
Par conséquent, une fibre optique contenant une pluralité de capteurs FBG est disposée sous la forme d'une couche dans la pluralité de nervures conformément à la procédure de stratification d'une pluralité de préimprégnés constitués chacun d'un matériau composite renforcé par des fibres, dans lequel une résine est imprégnée. C'est pourquoi la présente forme de réalisation fournit un avantage permettant de former automatiquement le système structurel à nervures, dans lequel une fibre optique contenant une pluralité de capteurs FBG est intégralement insérée. En outre, le procédé selon ce mode de mise en oeuvre permet de fabriquer le système structurel à nervures ayant une haute fiabilité, et ce à un faible coût et en un bref intervalle de temps, et présente une excellente capacité de fabrication.
Mode de réalisation n 3 La figure 10 est un schéma illustrant un procédé de fabrication d'un système structurel à nervures en forme de grille cylindrique moyennant l'utilisation d'un procédé d'enroulement de filament (FW), le système structurel à nervures contenant une fibre optique possédant une pluralité de capteurs FBG, qui est insérée sous la forme d'une couche dans le système.
Un matériau composite 5 renforcé par des fibres est réalisé de manière à traverser une cuve d'imprégnation 13 contenant une résine, est imprégné par la résine, est enroulé autour d'un bloc de formage 16 qui est entraîné en rotation par un dispositif de commande 15, et est stratifié sous la forme d'une grille, de sorte qu'une partie formant couche inférieure du système structurel à nervures en forme de grille cylindrique est formée. Lorsque la partie formant couche inférieure possède un nombre requis de couches superposées, une fibre optique 3 possédant une pluralité de capteurs FBG 4 est amenée au bloc de formage à partir d'une unité 14 d'amenée d'une fibre optique de telle sorte que la fibre optique 3 est disposée sur la partie formant couche inférieure déjà formée sur le bloc de formage 16. A cet instant, chacun de la pluralité de capteurs FBG 4 est disposé en un emplacement qui dépend de sa longueur d'onde de réflexion de telle sorte que chacun de la pluralité de capteurs FBG 4 est situé essentiellement à mi-chemin entre deux intersections adjacentes dans chacune desquelles deux ou plus de deux nervures 2 se croisent.
Ensuite, le matériau composite 5 renforcé par des fibres, qui est amené à traverser la cuve d'imprégnation 13 et est imprégné par la résine, continue à être enroulé autour du bloc de formage 16, qui est entraîné en rotation par le dispositif de commande 15 et est stratifié jusqu'à ce qu'un nombre requis de couches soit en outre formé, de sorte qu'une partie formant couche supérieure du système structurel à nervures en forme de grille cylindrique est formé.
Par conséquent, pendant le processus d'imprégna-35 tion du matériau composite 5 renforcé de fibres au moyen de la résine, et pendant l'application du matériau composite 5 renforcé par des fibres sur le bloc de formage, une fibre optique contenant une pluralité de capteurs FBG est disposée sous la forme d'une couche dans les matériaux composites superposés, renforcés par des fibres. C'est pourquoi, conformément au procédé de fabrication selon cette forme de réalisation, on peut fabriquer plus facilement un système structurel à nervures léger possédant une haute fiabilité, qui permet de contrôler l'état sain d'une structure. En outre, étant donné que le procédé selon cette forme de réalisation utilise le procédé FW de formation intégrale de systèmes structurels à nervures, le procédé selon ce mode de mise en oeuvre permet de fabriquer le système structurel à nervures ayant une haute fiabilité, à un faible coût et en un bref intervalle de temps, et présente une excellente capacité de fabrication.
De nombreuses formes de réalisation très différentes de la présente invention peuvent être agencées sans sortir du cadre de la présente invention. On comprendra que la présente invention n'est pas limitée aux formes de réalisation spécifiques décrites dans la présente description.
Claims (5)
1. Système structurel à nervures, caractérisé en ce que ledit système comprend: une grille pourvue d'une pluralité de nervures (2), et une fibre optique (3), dans laquelle sont formées une pluralité d'éléments (4) de réseau de Bragg sur fibre possédant au moins deux longueurs d'onde de réflexion, chacun de ladite pluralité d'éléments de réseau de Bragg sur fibre étant situé sensiblement à mi-chemin entre deux intersections adjacentes de ladite grille, en chacune desquelles se recoupent deux ou plus de deux nervures de ladite pluralité de nervures.
2. Système structurel à nervures selon la reven- dication 1, caractérisé en ce que chaque nervure de ladite pluralité de nervures est réalisée par un élément stratifié qui est un empilage de couches formées chacune d'un matériau composite renforcé par des fibres, une partie de ladite fibre optique, dans laquelle sont formés ladite pluralité d'éléments de réseau de Bragg sur fibre, étant disposée en couche dans ledit élément stratifié.
3. Système structurel à nervures selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit système structurel à nervures possède une structure tridimensionnelle.
4. Procédé de fabrication d'un système structurel à nervures, caractérisé en ce que ledit procédé comprend: une étape de superposition de préimprégnés, formés chacun d'un matériau composite en forme de bande renforcé par des fibres, tout en mettant sous pression les- dits préimprégnés de manière à former une partie inférieure en forme de couche dudit système structurel à nervures, une étape de mise en place d'une fibre optique (3) incluant une pluralité d'éléments (4) de réseau de Bragg sur fibre sur ladite partie formant couche inférieure de telle sorte que ladite pluralité d'éléments de réseau de Bragg sur fibre sont disposés en différents emplacements en fonction de leurs longueurs d'onde de réflexion; et une étape de superposition de préimprégnés formés chacun d'un matériau composite en forme de bande renforcé par des fibres, sur ladite fibre optique, tout en mettant en pression lesdits préimprégnés.
5. Procédé de fabrication d'un système structurel à nervures, caractérisé en ce que ledit procédé comprend: une étape d'imprégnation d'une résine dans un matériau composite renforcé par des fibres et d'enroulement dudit matériau composite renforcé par des fibres autour d'un bloc de formage (16) de manière à former une partie formant couche inférieure dudit système structurel à nervures, une étape de mise en place d'une fibre optique (3) incluant une pluralité d'éléments (4) de réseau de Bragg sur fibre sur ladite partie formant couche inférieure de telle sorte que ladite pluralité d'éléments de réseau de Bragg sur fibre sont disposés en différents emplacements en fonction de leurs longueurs d'onde de réflexion, et une étape de superposition dudit matériau composite renforcé par des fibres, dans laquelle la résine est appliquée par imprégnation sur ladite fibre optique dans laquelle sont disposés ladite pluralité d'éléments de réseau de Bragg sur fibre, tout en enroulant ledit matériau composite renforcé par des fibres autour dudit bloc de formage.
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