FR2986500A1 - CLOSED STRUCTURAL ASSEMBLY HAS AN IMPROVED COMPRESSION - Google Patents
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Abstract
L'invention est relative à un ensemble structural (100) comportant : - une chaîne fermée définissant un contour périphérique fermé s'inscrivant dans un plan, comportant une pluralité de maillons structuraux (200) successifs, chaque maillon structural comportant deux branches structurales (201a, 201b) en vis à vis, de convexité orientée dans des directions sensiblement opposées, liées entre elles en chacune de leurs extrémités opposées (204a, 204b) par un noeud dit d'extrémité (300), - des moyens (400, 500) de stabilisation géométrique du contour périphérique, lesdits moyens étant disposés de telle sorte à empêcher une déformation géométrique du contour périphérique dans le plan sous l'effet de forces de pression externes exercées, et lesdits moyens comportant : - pour chaque maillon (200), un premier élément (400) de stabilisation inextensible reliant deux branches (201a, 201b) d'un même maillon, hors noeuds d'extrémité (300), - un second élément (500) de stabilisation inextensible reliant deux noeuds d'extrémité non adjacents de deux maillons distincts. L'ensemble structural est avantageusement destiné à la réalisation de ballons stratosphériques.The invention relates to a structural assembly (100) comprising: - a closed chain defining a closed peripheral contour forming part of a plane, comprising a plurality of successive structural links (200), each structural link comprising two structural branches (201a 201b) opposite, convexity oriented in substantially opposite directions, interconnected at each of their opposite ends (204a, 204b) by a so-called end node (300), - means (400, 500) geometric stabilization of the peripheral contour, said means being arranged so as to prevent a geometrical deformation of the peripheral contour in the plane under the effect of external pressure forces exerted, and said means comprising: for each link (200), a first inextensible stabilization element (400) connecting two branches (201a, 201b) of the same link, excluding end nodes (300), - a second element (500) inextensible stabilization connecting two non-adjacent end nodes of two separate links. The structural assembly is advantageously intended for producing stratospheric balloons.
Description
La présente invention appartient au domaine des structures. Plus particulièrement, l'invention concerne une structure fermée dont la tenue à la compression est améliorée, sans augmentation de sa masse. L'invention trouve une application particulière à la réalisation d'un ballon stratosphérique. The present invention belongs to the field of structures. More particularly, the invention relates to a closed structure whose compressive strength is improved without increasing its mass. The invention finds particular application to the production of a stratospheric balloon.
Il est connu que les matériaux sont généralement plus résistants en tension qu'en compression. Par exemple la réalisation d'une structure, telle qu'un tube creux de dimension quelconque, travaillant en traction est aisée tandis que la réalisation d'une structure identique travaillant en compression s'avère compliquée. En effet, pour une dimension donnée, rendre une structure résistante à une force de compression conduit généralement en contrepartie à augmenter considérablement sa masse. Cette augmentation de masse pénalise la conception d'architectures travaillant en compression dans de nombreux domaines d'application industrielle, en particulier dans le domaine aéronautique. It is known that the materials are generally more resistant in tension than in compression. For example, the realization of a structure, such as a hollow tube of any dimension, working in tension is easy while the realization of an identical structure working in compression is complicated. Indeed, for a given dimension, making a structure resistant to a compressive force generally leads in return to significantly increase its mass. This increase in mass penalizes the design of architectures working in compression in many fields of industrial application, in particular in the field of aeronautics.
Pour illustrer un exemple, on peut citer le cas des ballons stratosphériques actuels, c'est-à-dire ceux qui volent dans la stratosphère, couche de l'atmosphère terrestre qui commence, aux latitudes tempérées, aux alentours de 20 km d'altitude. Ces ballons sont des ballons dits dérivants, c'est-à-dire qu'il est difficile de les stabiliser en altitude au cours d'une pluralité de cycles diurnes et nocturnes. Cela provient essentiellement du fait que lorsque l'on souhaite piloter de tels ballons, leur alimentation en énergie étant uniquement d'origine solaire, leur équation de masse ne converge pas. Autrement dit, compte tenu des vents, l'énergie nécessaire pour contrer ces derniers et garder une position géostationnaire est trop importante et a une incidence en masse trop importante pour que de tels ballons puissent rester une année en l'air à leur altitude croisière. Une solution pour gagner de la masse consisterait à remplacer le gaz aérostatique (par exemple l'hélium) contenu dans le ballon par du vide. Par exemple, pour un ballon de 23 000 m3, cela représenterait une économie non négligeable de l'ordre de 300 kg d'hélium. Cependant, la pression à 20 km d'altitude étant de 54 hPa, la force de pression qui s'exercerait sur la structure actuelle du ballon serait trop importante. A l'heure actuelle, aucune structure suffisamment légère ne peut tenir un tel effort. To illustrate an example, we can cite the case of the current stratospheric balloons, that is to say those which fly in the stratosphere, layer of the terrestrial atmosphere which begins, at temperate latitudes, around 20 km of altitude . These balloons are so-called drifting balloons, that is to say that it is difficult to stabilize them at altitude during a plurality of diurnal and nocturnal cycles. This stems essentially from the fact that when one wishes to drive such balloons, their power supply being solely of solar origin, their mass equation does not converge. In other words, given the winds, the energy needed to counter them and keep a geostationary position is too large and has a mass impact too large for such balloons can remain a year in the air at their cruising altitude. A solution to gain mass would be to replace the aerostatic gas (eg helium) contained in the balloon by vacuum. For example, for a balloon of 23,000 m3, this would represent a sizeable saving of the order of 300 kg of helium. However, the pressure at 20 km altitude is 54 hPa, the pressure force that would exert on the current structure of the balloon would be too important. At present, no sufficiently light structure can hold such an effort.
La mise en oeuvre de structures dont la tenue à la compression est améliorée sans pénalisation de masse s'avère donc important pour des utilisations industrielles, en particulier pour la réalisation de ballons stratosphériques. The implementation of structures whose compressive strength is improved without mass penalty is therefore important for industrial uses, in particular for producing stratospheric balloons.
Suivant l'invention, un ensemble structural comporte : une chaîne fermée définissant un contour périphérique fermé s'inscrivant dans un plan, comportant une pluralité de maillons structuraux successifs, chaque maillon structural comportant deux branches structurales en vis à vis, de convexité orientée dans des directions sensiblement opposées, liées entre elles en chacune de leurs extrémités opposées par un noeud dit d'extrémité, des moyens de stabilisation géométrique du contour périphérique, lesdits moyens étant disposés de telle sorte à empêcher une déformation géométrique du contour périphérique dans le plan sous l'effet de forces de pression externes exercées. Les moyens de stabilisation géométrique comportent : pour chaque maillon structural, un premier élément de stabilisation inextensible reliant deux branches structurales d'un même maillon structural, hors noeuds d'extrémité, un second élément de stabilisation inextensible reliant deux noeuds d'extrémité non adjacents de deux maillons structuraux distincts. Par inextensible, on entend un élément qui présente une déformation nulle voire quasi nulle pour les efforts que devra supporter l'ensemble structural. According to the invention, a structural assembly comprises: a closed chain defining a closed peripheral contour forming part of a plane, comprising a plurality of successive structural links, each structural link comprising two structural branches facing each other, of convexity oriented in substantially opposite directions, interconnected at each of their opposite ends by a so-called end node, geometric stabilization means of the peripheral contour, said means being arranged so as to prevent geometric deformation of the peripheral contour in the plane under the effect of external pressure forces exerted. The geometric stabilization means comprise: for each structural link, a first inextensible stabilization element connecting two structural branches of the same structural link, excluding end nodes, a second inextensible stabilization element connecting two non-adjacent end nodes of two distinct structural links. By inextensible, we mean an element that has a zero deformation or almost zero for the efforts that will have to support the structural assembly.
L'ensemble structural selon l'invention, présente ainsi une géométrie qui lui permet de résister à des forces de pression externes qui seraient exercées sur lui. L'ensemble structural est avantageusement destiné à la réalisation de ballons stratosphériques. The structural assembly according to the invention, thus has a geometry that allows it to withstand external pressure forces that would be exerted on it. The structural assembly is advantageously intended for producing stratospheric balloons.
Suivant des modes de réalisation préférés, l'invention répond en outre aux caractéristiques suivantes, mises en oeuvre séparément ou en chacune de leurs combinaisons techniquement opérantes. Dans des modes de réalisation préférés de l'invention, chaque branche structurale d'un maillon structural comporte au moins deux segments successifs liés entre eux par un noeud dit intermédiaire, le premier élément de stabilisation s'étendant entre deux noeuds intermédiaires des deux branches. Avantageusement, pour ne pas alourdir l'ensemble structural, les 5 segments sont des poutres creuses, préférentiellement réalisé en matériau composite. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, les deux branches structurales d'un maillon structural sont symétriques par rapport à une droite passant par les deux noeuds d'extrémités dudit maillon. 10 Dans des modes de réalisation de l'invention, le premier et/ou second élément de stabilisation est un élément rigide. Par rigide, on entend un élément dont la forme et les dimensions ne subissent pas de changements substantiels pendant l'utilisation de l'ensemble structural. 15 De manière tout à fait avantageuse, chaque noeud d'extrémité d'un maillon structural est relié un noeud d'extrémité non adjacent d'un maillon structural distinct par un second élément de stabilisation. L'invention est également relative à un procédé de réalisation d'un ensemble structural comportant les étapes de : 20 - définir une forme géométrique initiale souhaitée de l'ensemble structural, - positionner N points, correspondant à N noeuds d'extrémité, sur la forme géométrique, N supérieur ou égal à 3, - pour chaque noeud d'extrémité, le relier à un noeud d'extrémité 25 adjacent par un maillon structural, pour chaque maillon, relier les deux branches structurales dudit maillon structural par un premier élément de stabilisation, relier deux noeuds d'extrémité non adjacents de deux maillons structuraux distincts par un second élément de stabilisation. 30 L'invention est également relative à une ossature structurale tridimensionnelle comportant une pluralité d'ensembles structuraux tels que précédemment décrits dans au moins un mode de réalisation et une pluralité de moyens de stabilisation géométrique de l'ossature structurale dans l'espace, deux ensembles structuraux étant reliés par au moins un moyen de stabilisation géométrique de l'ossature structurale, chaque moyen de stabilisation géométrique de l'ossature structurale étant lié, au niveau de deux extrémités opposées, à des noeuds d'extrémité de chaque ensemble structural. According to preferred embodiments, the invention also satisfies the following characteristics, implemented separately or in each of their technically operating combinations. In preferred embodiments of the invention, each structural branch of a structural link comprises at least two successive segments interconnected by an intermediate node, the first stabilization element extending between two intermediate nodes of the two branches. Advantageously, in order not to weigh down the overall structure, the segments are hollow beams, preferably made of composite material. According to an advantageous characteristic of the invention, the two structural branches of a structural link are symmetrical with respect to a straight line passing through the two end nodes of said link. In embodiments of the invention, the first and / or second stabilizing member is a rigid member. Rigid means an element whose shape and dimensions do not undergo substantial changes during use of the structural assembly. Advantageously, each end node of a structural link is connected to a non-adjacent end node of a separate structural link by a second stabilizing element. The invention also relates to a method for producing a structural assembly comprising the steps of: defining a desired initial geometrical shape of the structural assembly; positioning N points, corresponding to N end nodes, on the geometric form, N greater than or equal to 3, - for each end node, connect it to an adjacent end node by a structural link, for each link, connect the two structural branches of said structural link by a first element of stabilizing, connecting two non-adjacent end nodes of two separate structural links by a second stabilizing element. The invention also relates to a three-dimensional structural framework comprising a plurality of structural assemblies as previously described in at least one embodiment and a plurality of geometric stabilization means of the structural framework in space, two sets structural members being connected by at least one geometric stabilization means of the structural framework, each geometric stabilization means of the structural framework being connected, at two opposite ends, to end nodes of each structural assembly.
Dans des modes de réalisation de l'invention, un moyen de stabilisation géométrique de l'ossature structurale dans l'espace est un élément rigide. L'invention est également relative à un ballon stratosphérique. Ledit ballon stratosphérique comporte une ossature structurale telle que définie ci- dessus dans l'un de ses modes de réalisation et une peau tendue sur le contour périphérique de chaque élément structural tel qu'exposé précédemment dans l'un de ses modes de réalisation. Le ballon stratosphérique ainsi réalisé est une structure fermée, donc permettant de contenir du vide, et sa géométrie permet de résister à de fortes pressions externes, de l'ordre d'au moins 50 hPa, tout en conservant une masse acceptable. Typiquement, et à titre de comparaison, pour un ballon stratosphérique actuel de 23000 m3, à 20 km d'altitude, la masse totale du ballon stratosphérique serait de 2000 kg tandis qu'un ballon stratosphérique suivant un mode de réalisation de l'invention, qui tiendrait le vide et pour une géométrie de type torique, serait de l'ordre de 400 kg. L'invention sera maintenant plus précisément décrite dans le cadre de modes de réalisation préférés, qui n'en sont nullement limitatifs, représentés sur les figures 1 à 7, dans lesquelles : la figure 1 illustre schématiquement un premier exemple de réalisation d'un ensemble structural selon l'invention, la figure 2 illustre une variante de réalisation de l'ensemble structural selon l'invention, la figure 3 illustre une autre variante de réalisation de l'ensemble structural selon l'invention, la figure 4 illustre une autre variante de réalisation de l'ensemble structural selon l'invention, la figure 5 illustre un agrandissement d'un maillon de l'ensemble structural, la figure 6 illustre une vue en perspective d'une partie d'un exemple de ballon stratosphérique représenté sous la forme d'un tore, réalisé à partir d'une pluralité d'ensembles structuraux, la figure 7 illustre une vue en perspective d'une partie d'un autre exemple de ballon stratosphérique représenté sous la forme d'un tore, réalisé à partir d'une pluralité d'ensembles structuraux. Des exemples de réalisation d'un ensemble structural 100 conforme à l'invention sont illustrés sur les figures 1 à 4. In embodiments of the invention, a means for geometrically stabilizing the structural framework in space is a rigid element. The invention also relates to a stratospheric balloon. Said stratospheric balloon comprises a structural framework as defined above in one of its embodiments and a skin stretched over the peripheral contour of each structural element as previously described in one of its embodiments. The stratospheric balloon thus produced is a closed structure, thus making it possible to contain a vacuum, and its geometry makes it possible to withstand high external pressures, of the order of at least 50 hPa, while maintaining an acceptable mass. Typically, and for comparison, for a current stratospheric balloon of 23000 m3, at 20 km altitude, the total mass of the stratospheric balloon would be 2000 kg while a stratospheric balloon according to one embodiment of the invention, which would hold the vacuum and for a toric-type geometry, would be of the order of 400 kg. The invention will now be more specifically described in the context of preferred embodiments, which are in no way limiting, shown in FIGS. 1 to 7, in which: FIG. 1 schematically illustrates a first embodiment of a set 2 illustrates an alternative embodiment of the structural assembly according to the invention, FIG. 3 illustrates another variant embodiment of the structural assembly according to the invention, FIG. 4 illustrates another variant. embodiment of the structural assembly according to the invention, FIG. 5 illustrates an enlargement of a link of the structural assembly, FIG. 6 illustrates a perspective view of a portion of an example of a stratospheric balloon represented under FIG. form of a torus, made from a plurality of structural assemblies, FIG. 7 illustrates a perspective view of a portion of another example of a stratospheric balloon representing in the form of a torus made from a plurality of structural assemblies. Exemplary embodiments of a structural assembly 100 according to the invention are illustrated in FIGS. 1 to 4.
L'ensemble structural 100 est inscrit dans un plan et comporte : une chaîne fermée comportant une pluralité de maillons structuraux 200 successifs, deux maillons attenants étant reliés par un noeud dit d'extrémité 300, au moins un élément inextensible 500 s'étendant entre et reliant deux noeuds d'extrémité 300 non adjacents de deux maillons 200 distincts. Par le terme « attenants », on entend que les objets qui lui sont associés sont en aboutement les uns avec les autres, que ces objets sont soit en contact entre eux, soit à proximité immédiate les uns des autres. The structural assembly 100 is inscribed in a plane and comprises: a closed chain comprising a plurality of successive structural links 200, two adjoining links being connected by a so-called end node 300, at least one inextensible element 500 extending between and connecting two non-adjacent end nodes 300 of two separate links 200. The term "adjoining" means that the objects associated with it are abutting with each other, whether these objects are in contact with one another or in close proximity to one another.
Par noeuds adjacents, on entend que les noeuds sont liés par un même maillon dans la chaîne fermée. Par noeuds non adjacents, on entend que les noeuds ne sont pas liés par un même maillon dans la chaîne fermée. Par le terme « chaîne fermée», on entend une succession de maillons 25 dont chaque maillon est mécaniquement solidarisé, avec un certain jeu, aux deux maillons adjacents. Les éléments inextensibles 500 sont dénommés second élément de stabilisation inextensibles et leur fonction sera décrite ultérieurement. Par élément inextensible, on entend un élément qui présente une 30 déformation nulle voire quasi nulle pour les efforts que devra supporter l'ensemble structural. Dans un exemple de réalisation de l'ensemble structural, chaque noeud d'extrémité 300 est relié à un noeud d'extrémité 300 non adjacent par un second élément de stabilisation 500. Dans les exemples non limitatifs des figures 1, 2 et 4, la chaîne fermée présente une forme géométrique sensiblement circulaire, illustrée sur les figures par le cercle en pointillé 101, et comporte six noeuds d'extrémité 300, dénommés A, B, C, D, F et G, régulièrement positionnés sur cette forme géométrique et six maillons structuraux 200 s'étendant entre et reliant chacun deux noeuds d'extrémité 300 adjacents. Chaque noeud d'extrémité 300 est relié à quatre noeuds d'extrémité non adjacents par un second élément de stabilisation. Dans l'exemple de la figure 3, la chaîne fermée présente une forme géométrique sensiblement ellipsoïdale, illustrée sur les figures par l'ellipse en pointillé 101, et comporte douze noeuds d'extrémité 300 régulièrement positionnés sur cette forme géométrique et douze maillons 200 s'étendant entre et reliant chacun deux noeuds d'extrémité 300 adjacents. Chaque noeud d'extrémité 300 est relié à au moins un noeud d'extrémité non adjacent par un second élément de stabilisation 500. Chaque maillon structural 200 comporte deux branches structurales 201a, 201b en vis à vis, de convexité orientée dans des directions 20 sensiblement opposées, liées entre elles en chacune de leurs extrémités opposées 204a, 204b par un noeud d'extrémité 300. Dans la présente description, la courbure d'une branche est toujours définie d'un extérieur vers un intérieur de la chaîne. Ainsi, une branche est dite convexe 201a lorsque ladite branche présente une convexité tournée vers 25 l'extérieur de la chaîne et une branche est dite concave 201b lorsque ladite branche présente une concavité tournée vers l'extérieur de la chaine. La chaine fermée définit un contour périphérique fermé s'inscrivant dans le plan. Les branches convexes définissent un contour périphérique fermé dit 30 externe. Les branches concaves définissent un contour périphérique fermé dit interne. Chaque branche structurale 201a, 201b d'un maillon 200 comporte au moins deux segments 202a, 202b successifs liés entre eux par un noeud dit intermédiaire 203a, 203b. En outre, chaque maillon structural 200 comporte un élément inextensible 400 pour relier un noeud intermédiaire 203a de la branche convexe 201a à un noeud intermédiaire 203b de la branche concave 201b. Chaque noeud intermédiaire d'une branche convexe est lié à un noeud intermédiaire de la branche concave par un élément inextensible 400. L'élément inextensible 400 est dénommé premier élément de stabilisation et sa fonction sera décrite ultérieurement. Dans l'exemple non limitatif des figures 1 et 3, la branche convexe 10 201a, respectivement concave 201b, d'un maillon 200 comporte deux segments successifs 202a, respectivement 202b, liés entre eux par un noeud intermédiaire 203a, dénommé H, respectivement 203b, dénommé J. Un premier élément de stabilisation 400 relie le noeud intermédiaire 203a de la branche convexe 201a au noeud intermédiaire 203a de la branche concave 15 201b du maillon 200. Dans l'exemple non limitatif de la figure 2, la branche convexe 201a, respectivement concave 201b, d'un maillon 200 comporte trois segments successifs 202a, respectivement 202b, liés par deux noeuds intermédiaires 203a, respectivement 203b. Deux premiers éléments de stabilisation 400 20 relient les deux noeuds intermédiaires 203a de la branche convexe 201a aux deux noeuds intermédiaires 203b de la branche concave 201b du maillon 200. Dans un mode de réalisation d'un maillon 200, comme illustré sur les figures 1 et 3, pour obtenir une répartition uniforme des efforts et permettre une reproductibilité des processus de fabrication, la branche convexe 201a et la 25 branche concave 201b d'un maillon sont symétriques par rapport à une droite passant par les deux noeuds d'extrémités dudit maillon. Dans un mode de réalisation particulier d'un maillon 200, comme illustré sur la figure 4, chaque segment 202a, 202b représenté sur la figure 1 est composé lui-même d'un maillon dit élémentaire 200'. Le maillon 30 élémentaire 200' reprend les caractéristiques du maillon structural 200 tel que décrit précédemment, c'est-à-dire comportant deux branches dites élémentaires 201a', 201b' comportant chacune au moins deux segments, dits élémentaires 202a' 202b', successifs liés par un noeud élémentaire intermédiaire 203a', 203b'. Les noeuds élémentaires intermédiaires 203a', 203b' de chaque branche élémentaire 201a', 201b' sont reliés par un premier élément de stabilisation inextensible 400'. Dans un mode de réalisation particulier d'un maillon élémentaire, chaque segment élémentaire est composé lui-même d'un maillon comportant deux sous-branches comportant chacune au moins deux sous-segments successifs liés par un noeud intermédiaire. Les noeuds intermédiaires de chaque sous-branche sont reliés par un premier élément de stabilisation inextensible. By adjacent nodes is meant that the nodes are linked by the same link in the closed chain. By nonadjacent nodes is meant that the nodes are not linked by the same link in the closed chain. By the term "closed chain" means a succession of links 25, each link is mechanically secured, with a certain clearance, to the two adjacent links. The inextensible members 500 are referred to as the second inextensible stabilizing element and their function will be described later. By inextensible element is meant an element which has a zero or even zero deformation for the forces that the structural assembly will have to bear. In an exemplary embodiment of the structural assembly, each end node 300 is connected to a non-adjacent end node 300 by a second stabilizing element 500. In the nonlimiting examples of FIGS. 1, 2 and 4, the closed chain has a substantially circular geometric shape, illustrated in the figures by the dashed circle 101, and comprises six end nodes 300, called A, B, C, D, F and G, regularly positioned on this geometric shape and six structural links 200 extending between and each connecting two adjacent end nodes 300. Each end node 300 is connected to four non-adjacent end nodes by a second stabilization element. In the example of FIG. 3, the closed chain has a substantially ellipsoidal geometric shape, illustrated in the figures by the dotted ellipse 101, and comprises twelve end nodes 300 regularly positioned on this geometrical shape and twelve links 200 s. extending between and each connecting two adjacent end nodes 300. Each end node 300 is connected to at least one non-adjacent end node by a second stabilization element 500. Each structural link 200 comprises two structural branches 201a, 201b facing each other, with convexity oriented in directions substantially opposed, interconnected at each of their opposite ends 204a, 204b by an end node 300. In the present description, the curvature of a branch is always defined from an outside to an inside of the chain. Thus, a branch is said to be convex 201a when said branch has a convexity turned towards the outside of the chain and a branch is said to be concave 201b when said branch has a concavity turned towards the outside of the chain. The closed chain defines a closed peripheral contour inscribed in the plane. The convex branches define a closed external peripheral contour. The concave branches define a closed peripheral contour called internal. Each structural branch 201a, 201b of a link 200 comprises at least two successive segments 202a, 202b interconnected by an intermediate node 203a, 203b. In addition, each structural link 200 comprises an inextensible element 400 for connecting an intermediate node 203a of the convex branch 201a to an intermediate node 203b of the concave branch 201b. Each intermediate node of a convex branch is linked to an intermediate node of the concave branch by an inextensible element 400. The inextensible element 400 is called the first stabilization element and its function will be described later. In the nonlimiting example of FIGS. 1 and 3, the convex branch 201 201, respectively concave 201b, of a link 200 comprises two successive segments 202a, respectively 202b, linked together by an intermediate node 203a, called H, respectively 203b called J. A first stabilizing element 400 connects the intermediate node 203a of the convex branch 201a to the intermediate node 203a of the concave branch 201b of the link 200. In the nonlimiting example of FIG. 2, the convex branch 201a, respectively concave 201b, a link 200 comprises three successive segments 202a, respectively 202b, linked by two intermediate nodes 203a, respectively 203b. Two first stabilization elements 400 20 connect the two intermediate nodes 203a of the convex branch 201a to the two intermediate nodes 203b of the concave branch 201b of the link 200. In one embodiment of a link 200, as illustrated in FIGS. 3, to obtain a uniform distribution of forces and allow reproducibility of manufacturing processes, the convex branch 201a and the concave branch 201b of a link are symmetrical with respect to a straight line passing through the two end nodes of said link. In a particular embodiment of a link 200, as illustrated in Figure 4, each segment 202a, 202b shown in Figure 1 is itself composed of a so-called elemental link 200 '. The elementary link 200 'takes up the characteristics of the structural link 200 as described previously, that is to say having two so-called elementary branches 201a', 201b 'each comprising at least two segments, said elementary 202a' 202b ', successive linked by an intermediate elementary node 203a ', 203b'. The intermediate elementary nodes 203a ', 203b' of each elementary branch 201a ', 201b' are connected by a first inextensible stabilization element 400 '. In a particular embodiment of an elementary link, each elementary segment is itself composed of a link comprising two sub-branches each comprising at least two successive sub-segments linked by an intermediate node. The intermediate nodes of each sub-branch are connected by a first inextensible stabilization element.
Dans un mode de réalisation de l'ensemble structural, pour permettre une reproductibilité des processus de fabrication et par conséquent pour diminuer le coût de fabrication, ledit ensemble structural comporte des maillons identiques dans la chaîne fermée. La géométrie de l'ensemble structural tel que décrit est choisie de telle sorte que, lorsque des forces de pression externe sont exercées sur ledit ensemble structural, les composants (c'est-à-dire les segments et les premiers et seconds éléments de stabilisation) le constituant travaillent ainsi en tension plutôt qu'en compression. Dans un exemple de réalisation d'un segment d'un maillon, ledit segment est une poutre cylindrique de section transversale quelconque d'extrémités fermées. Préférentiellement, pour alléger l'ensemble structural en poids, la poutre cylindrique est creuse. Une poutre cylindrique creuse présente un compromis entre la résistance en tension et la masse. De préférence, la section transversale de la poutre est circulaire. Le calcul de l'épaisseur de la poutre de section circulaire ainsi que le diamètre de la section transversale est à la portée de l'homme du métier. Préférentiellement, la poutre est choisie dans un matériau en composite, par exemple à base de carbone, qui présente un compromis entre son module d'Young et sa densité, c'est-à-dire un matériau présentant de bonnes propriétés mécaniques en traction (module d'Young compris par exemple entre 300 et 700 GPa) sans pénaliser la masse de la poutre. Dans un mode de réalisation des poutres, lesdites poutres présentent une surface rugueuse, principalement au niveau des noeuds d'extrémités et des noeuds intermédiaires pour permettre de mieux résister aux efforts de cisaillement. Les premier et second éléments de stabilisation inextensibles forment des moyens de stabilisation géométrique du contour périphérique fermé défini par la chaîne de l'ensemble structural dans le plan disposés de sorte à empêcher une déformation géométrique du contour périphérique dans le plan, et par extension de l'ensemble structural, sous l'effet de forces de pression externes exercées sur ledit ensemble structural. Les premiers éléments de stabilisation inextensibles, respectivement seconds éléments de stabilisation inextensibles, assurent également une stabilité mécanique du maillon, respectivement de l'ensemble structural. Les premiers éléments de stabilisation 400 associés à un maillon 200 permettent également, de manière avantageuse, une stabilité géométrique dudit maillon. Les premiers éléments de stabilisation HJ et KM vont travailler en tension lorsque l'élément structural est soumis à des forces de pression externes, interdisant par la même au maillon de se déformer. En effet, une force maximale Fp avant flambage que peut supporter une poutre est donnée par la formule : n2 El Fp = Lz Où E est le module d'Young, I l'inertie de la poutre et L sa longueur. Ainsi, pour qu'une poutre supporte une force maximale Fp souhaitée, il est possible de jouer, pour un matériau donné, soit sur l'inertie soit sur la longueur de ladite poutre. Un but de l'invention consistant à ne pas pénaliser l'ensemble structural en masse, seule une modification de la longueur de la poutre est acceptable. Pour cela, au lieu de placer une poutre de longueur LAB entre deux noeuds d'extrémités A et B, illustrée en pointillé sur la figure 5, l'invention propose de disposer par exemple six poutres AH, KH, KB, BM, MJ, JA successives, formant un maillon fermé, et présentant toutes une longueur inférieure à la longueur LAB de la poutre AB. Ainsi, les six poutres sont d'une part moins sujettes au flambage que la poutre de longueur LAB. Il est évident que plus le nombre de poutres formant le maillon est important, plus la résistance au flambage de chaque poutre est augmentée. L'homme du métier, de par ses connaissances générales, est en mesure de choisir le nombre de poutres formant un maillon en fonction de la résistance aux forces de pression externe souhaitée. In one embodiment of the structural assembly, to allow reproducibility of the manufacturing processes and therefore to reduce the cost of manufacture, said structural assembly has identical links in the closed chain. The geometry of the structural assembly as described is chosen such that, when external pressure forces are exerted on said structural assembly, the components (i.e. the segments and the first and second stabilizing elements ) the constituent thus work in tension rather than in compression. In an exemplary embodiment of a segment of a link, said segment is a cylindrical beam of any cross-section of closed ends. Preferably, to lighten the structural assembly by weight, the cylindrical beam is hollow. A hollow cylindrical beam presents a compromise between the tensile strength and the mass. Preferably, the cross section of the beam is circular. The calculation of the thickness of the beam of circular section and the diameter of the cross section is within the reach of the skilled person. Preferably, the beam is chosen from a composite material, for example based on carbon, which has a compromise between its Young's modulus and its density, that is to say a material having good tensile mechanical properties ( Young modulus for example between 300 and 700 GPa) without penalizing the mass of the beam. In one embodiment of the beams, said beams have a rough surface, mainly at the end nodes and intermediate nodes to better withstand the shear forces. The first and second inextensible stabilizing elements form geometric stabilization means of the closed peripheral contour defined by the chain of the structural assembly in the plane arranged so as to prevent a geometrical deformation of the peripheral contour in the plane, and by extension of the structural assembly, under the effect of external pressure forces exerted on said structural assembly. The first inextensible stabilizing elements, respectively second non-extensible stabilizing elements, also ensure a mechanical stability of the link, respectively of the structural assembly. The first stabilizing elements 400 associated with a link 200 also advantageously provide a geometric stability of said link. The first stabilizing elements HJ and KM will work in tension when the structural element is subjected to external pressure forces, thereby preventing the link from deforming. Indeed, a maximum force Fp before buckling that can support a beam is given by the formula: n2 El Fp = Lz Where E is the Young's modulus, I the inertia of the beam and L its length. Thus, for a beam to support a maximum force Fp desired, it is possible to play, for a given material, either on the inertia or the length of said beam. An object of the invention to not penalize the bulk of the structural assembly, only a change in the length of the beam is acceptable. For this, instead of placing a beam of length LAB between two end nodes A and B, shown in dashed lines in FIG. 5, the invention proposes to have, for example, six beams AH, KH, KB, BM, MJ, JA successive, forming a closed link, and all having a length less than the length LAB of the AB beam. Thus, the six beams are on the one hand less subject to buckling than the beam length LAB. It is obvious that the more the number of beams forming the link is important, the more the buckling resistance of each beam is increased. The skilled person, by his general knowledge, is able to choose the number of beams forming a link according to the resistance to external pressure forces desired.
D'autre part, on remarque que tout ou partie des poutres ne prennent pas la totalité de l'effort de flambage dirigé selon la direction AB, mais que ces poutres le prennent avec un angle non nul. En conséquence, la force de flambage pour une poutre est à multiplier par le sinus de cet angle, soit un facteur inférieur à 1. On the other hand, it is noted that all or part of the beams do not take all of the buckling effort directed in the direction AB, but that these beams take it with a non-zero angle. As a result, the buckling force for a beam is to be multiplied by the sine of this angle, a factor of less than 1.
Les seconds éléments de stabilisation 500, entre autres AC, BF, DG sur la figure 1, permettent d'empêcher l'ensemble structural 100 de s'effondrer dans le plan et vont travailler en tension lorsque l'élément structural 100 est soumis à des forces de compression externes. En effet, si, par exemple, une force de pression est exercée sur l'ensemble structural 100 au point F de sorte que le point F tend à aller vers l'intérieur du cercle 101 défini par la chaîne fermée, les points G et D ont une tendance naturelle à aller vers l'extérieur du cercle 101, ce qui est rendu impossible par les seconds éléments de stabilisation 500 inextensibles. L'ensemble structural 100 est donc extrêmement résistant aux forces de pression externes. The second stabilizing elements 500, inter alia AC, BF, DG in FIG. 1, make it possible to prevent the structural assembly 100 from collapsing in the plane and will work in tension when the structural element 100 is subjected to external compression forces. Indeed, if, for example, a pressing force is exerted on the structural assembly 100 at the point F so that the point F tends to go inward of the circle 101 defined by the closed chain, the points G and D have a natural tendency to go out of the circle 101, which is made impossible by the second non-extensible stabilizing elements 500. The structural assembly 100 is therefore extremely resistant to external pressure forces.
Le choix du nombre de seconds éléments de stabilisation inextensibles et de leur positionnement entre les différents noeuds de telle sorte à empêcher, dans le plan, une déformation géométrique du contour périphérique de l'ensemble structural sous l'effet de forces de pression externe exercées, est à la portée de l'homme du métier. Choosing the number of second non-extensible stabilizing elements and their positioning between the different nodes so as to prevent, in the plane, a geometric deformation of the peripheral contour of the structural assembly under the effect of external pressure forces exerted, is within the reach of the skilled person.
Dans un mode de réalisation, les premier et second éléments de stabilisation inextensibles 400, 500 sont des fils inextensibles, présentant ainsi une masse négligeable par rapport à la masse d'une poutre, permettant de ne pas alourdir l'ensemble structural. Dans un exemple de réalisation, ces éléments de stabilisation 400, 500 peuvent être réalisés dans des matériaux soit en aramide, comme par exemple un fil en Kevlar® qui présente de très bonnes propriétés mécaniques en traction (résistance à rupture de l'ordre de 3100 MPa et un module d'Young compris entre 70 et 125 GPa) et en fatigue, soit en composite, comme par exemple un fil en carbone qui présente une résistance à la traction de l'ordre de 7000 MPa et un module d'Young de l'ordre de 520 GPa. Dans un autre mode de réalisation, les premier et second éléments de stabilisation inextensibles 400, 500 sont des éléments rigides, c'est-à-dire des éléments dont la forme et les dimensions ne subissent pas de changements substantiels pendant l'utilisation de l'ensemble structural. Ces éléments rigides forment entretoises, c'est-à-dire qu'ils permettent de maintenir un écartement constant entre les noeuds d'extrémités auxquels ces éléments rigides sont reliés. In one embodiment, the first and second inextensible stabilizing elements 400, 500 are inextensible son, thus having a negligible mass relative to the mass of a beam, making it possible not to weigh down the structural assembly. In an exemplary embodiment, these stabilizing elements 400, 500 may be made of materials either aramid, such as a Kevlar® yarn which has very good mechanical tensile properties (breaking strength of the order of 3100 MPa and a Young's modulus between 70 and 125 GPa) and in fatigue, either in composite, such as for example a carbon wire which has a tensile strength of the order of 7000 MPa and a Young's modulus of the order of 520 GPa. In another embodiment, the first and second inextensible stabilizing members 400, 500 are rigid elements, i.e. elements whose shape and dimensions do not undergo substantial changes during use of the invention. structural ensemble. These rigid elements form spacers, that is to say they allow to maintain a constant spacing between the end nodes to which these rigid elements are connected.
Dans un mode de réalisation d'un maillon, pour offrir une meilleure résistance aux efforts de cisaillement et un meilleur maintien géométrique en position de l'ensemble structural, deux poutres successives d'une branche sont liées mécaniquement par les premiers éléments de stabilisation 400. Ce mode de réalisation permet également de réduire la masse du maillon, car il n'y a pas d'ajout de dispositif de jonction des poutres. Dans l'exemple où les premiers éléments de stabilisation 400 sont des fils, chaque extrémité du fil traverse les extrémités fermées de deux poutres successives qui lui sont associés. Préférentiellement, les extrémités du fil se rejoignent et ne forment qu'un. Ainsi, les premiers éléments de stabilisation 400 sont constitués par deux fils au lieu d'un fil. Dans un mode de réalisation de l'ensemble structural, pour offrir une meilleure résistance aux efforts de cisaillement, les extrémités des poutres de deux maillons attenants, au niveau d'un noeud d'extrémité 300 sont liées mécaniquement par les seconds éléments de stabilisation 500. In one embodiment of a link, to provide better resistance to shear forces and better geometric positioning in position of the structural assembly, two successive beams of a branch are mechanically connected by the first stabilizing elements 400. This embodiment also makes it possible to reduce the mass of the link, since there is no addition of junction device for the beams. In the example where the first stabilizing elements 400 are wires, each end of the wire passes through the closed ends of two successive beams associated therewith. Preferably, the ends of the wire meet and form one. Thus, the first stabilizing elements 400 consist of two wires instead of a wire. In one embodiment of the structural assembly, to provide better resistance to shear forces, the ends of the beams of two adjoining links, at an end node 300 are mechanically connected by the second stabilizing elements 500 .
La présente invention ne se limite pas aux exemples des ensembles structuraux décrits et illustrés. L'homme du métier est en mesure d'adapter l'invention à des formes géométriques d'ensembles structuraux non décrits ainsi qu'à des formes et agencements de maillons non décrits. L'ensemble structural de l'invention est avantageusement réalisé à partir d'une quelconque forme géométrique initiale 101. Dans une première étape, une forme géométrique initiale 101 souhaitée pour l'ensemble structural 100 est définie. Cette forme géométrique est choisie de telle sorte qu'elle délimite un volume fermé, de préférence un volume convexe. Dans une seconde étape, on positionne N points sur la forme géométrique 101, les N points correspondant aux N noeuds d'extrémité, N étant 5 supérieur ou égal à 3. L'homme du métier, de par ses connaissances générales, est en mesure de choisir le nombre de points sur la forme géométrique en fonction des caractéristiques particulières de l'ensemble structural (matériau, géométrie des segments, des maillons et de l'ensemble structural) et en fonction de la 10 résistance aux forces de pression externe souhaitée pour ledit élément structural. De préférence, les N points sont régulièrement espacés sur la forme géométrique. Dans une troisième étape, deux noeuds adjacents 300 sont reliés par 15 un maillon structural 200. Dans une quatrième étape, les deux branches d'un maillon sont reliées par un premier élément de stabilisation. Cette étape est réalisée pour chaque maillon. Dans une cinquième étape, des noeuds d'extrémité non adjacents de 20 deux maillons distincts sont reliés par un second élément de stabilisation. Cette étape est réalisée pour chaque noeud. L'ensemble structural est avantageusement utilisable dans la réalisation d'un ballon stratosphérique, comme illustré sur les figures 6 et 7. Dans l'exemple des figures 6 et 7, le ballon stratosphérique présente 25 une forme d'un tore. La présente invention ne se limite pas à des ballons stratosphériques de forme torique. L'homme du métier est en mesure d'adapter l'invention à des formes géométriques non décrites, telle que par exemple une forme sphérique, lenticulaire. 30 Le ballon stratosphérique 600 comporte : - une ossature structurale 700 dans un espace tridimensionnel comportant : o une pluralité d'ensembles structuraux 100, o une pluralité de moyens 710 de stabilisation géométrique de l'ossature structurale dans l'espace, une peau 800 tendue sur le contour périphérique fermé de chaque élément structural. The present invention is not limited to the examples of structural assemblies described and illustrated. Those skilled in the art are able to adapt the invention to geometric shapes of undescribed structural assemblies as well as to forms and arrangements of links that are not described. The structural assembly of the invention is advantageously made from any initial geometrical shape 101. In a first step, an initial geometrical shape 101 desired for the structural assembly 100 is defined. This geometric shape is chosen such that it delimits a closed volume, preferably a convex volume. In a second step, N points are positioned on the geometrical shape 101, the N points corresponding to the N end nodes, N being greater than or equal to 3. The person skilled in the art, by his general knowledge, is able to selecting the number of points on the geometrical shape according to the particular characteristics of the structural assembly (material, geometry of the segments, links and the structural assembly) and depending on the resistance to the external pressure forces desired for said structural element. Preferably, the N points are evenly spaced on the geometric shape. In a third step, two adjacent nodes 300 are connected by a structural link 200. In a fourth step, the two branches of a link are connected by a first stabilizing element. This step is performed for each link. In a fifth step, non-adjacent end nodes of two separate links are connected by a second stabilizing element. This step is performed for each node. The structural assembly is advantageously usable in the production of a stratospheric balloon, as illustrated in FIGS. 6 and 7. In the example of FIGS. 6 and 7, the stratospheric balloon has the shape of a torus. The present invention is not limited to stratospheric toroidal balloons. Those skilled in the art are able to adapt the invention to undescribed geometric shapes, such as, for example, a spherical, lenticular shape. The stratospheric balloon 600 comprises: - a structural framework 700 in a three-dimensional space comprising: a plurality of structural assemblies 100, a plurality of means 710 for geometric stabilization of the structural skeleton in space, a tensed skin 800 on the closed peripheral contour of each structural element.
Deux ensembles structuraux 100 sont reliés par au moins un moyen de stabilisation géométrique 710, chaque moyen de stabilisation géométrique étant lié, au niveau de deux extrémités opposées 711, à des noeuds d'extrémité 300 de chaque ensemble structural 100. Dans l'exemple des figures 6 et 7, par souci de clarté, un demi-tore est représenté. Dans la figure 6, seuls deux éléments structuraux et trois éléments de stabilisation radiaux par élément structural sont illustrés. Dans la figure 7, seules les branches concaves de deux éléments structuraux et trois éléments de stabilisation radiaux par élément structural sont illustrés. La peau 800 est choisie de sorte à présenter une résistance suffisante 15 pour ne pas se rompre sous les forces de pression externes. Dans un exemple de peau, la peau comporte une membrane étanche à l'air et une structure à fils entrecroisés, de type treillis, dont le maillage est choisi de telle sorte à résister aux forces de pression externes. Préférentiellement, la membrane est réalisée dans un matériau du 20 type Ethylene tetrafluoroethylene (ETFE). Préférentiellement, la structure à fils entrecroisés comporte par exemple au moins un fil en une matière choisie parmi les suivantes : métal, aramide tel que par exemple le Kevlar®, carbone, entre autres. Dans un mode de réalisation, un moyen de stabilisation géométrique 25 de l'ossature structurale dans l'espace est un élément rigide. Dans un mode de réalisation illustré sur la figure 6, la peau 800 est tendue sur le contour périphérique externe de chaque élément structural. Dans un autre mode de réalisation, illustré sur la figure 7, la peau 800 est tendue sur le contour périphérique interne de chaque élément structural. 30 Préférentiellement, la membrane est réalisée dans un matériau transparent. Par "matériau transparent", on entend un matériau qui laisse passer le rayonnement solaire et infrarouge avec une absorption minoritaire. Ce matériau peut en particulier être constitué par du polyéthylène ou du polyester, qui sont les matériaux généralement utilisés pour fabriquer les ballons stratosphériques. Dans un mode de réalisation du tore, le tore 600 comporte en outre une jante 900. Two structural assemblies 100 are connected by at least one geometric stabilization means 710, each geometric stabilization means being connected, at two opposite ends 711, to end nodes 300 of each structural assembly 100. In the example of Figures 6 and 7, for the sake of clarity, a half-torus is shown. In Figure 6, only two structural elements and three radial stabilizing elements per structural element are illustrated. In Figure 7, only the concave branches of two structural members and three radial stabilizing elements per structural member are illustrated. The skin 800 is chosen to have sufficient strength to not break under external pressure forces. In an example of skin, the skin comprises an airtight membrane and a crisscross-type wire mesh structure whose mesh is chosen so as to resist external pressure forces. Preferably, the membrane is made of a material of the Ethylene tetrafluoroethylene (ETFE) type. Preferably, the intersecting wire structure comprises for example at least one wire made of a material selected from the following: metal, aramid such as for example Kevlar®, carbon, among others. In one embodiment, a means for geometrically stabilizing the structural skeleton in space is a rigid member. In an embodiment illustrated in FIG. 6, the skin 800 is stretched over the outer peripheral contour of each structural element. In another embodiment, illustrated in FIG. 7, the skin 800 is stretched over the inner peripheral contour of each structural element. Preferably, the membrane is made of a transparent material. By "transparent material" is meant a material that passes solar and infrared radiation with a minority absorption. This material may in particular be made of polyethylene or polyester, which are the materials generally used to manufacture stratospheric balloons. In one embodiment of the torus, the torus 600 further comprises a rim 900.
Dans un exemple de réalisation de la jante, ladite jante travaillant en compression, la jante est réalisée par une chaîne fermée formée de maillons comme pour l'ensemble structural. Les composants de l'ossature structurale (c'est-à-dire les segments, les premiers et seconds éléments de stabilisation des éléments de stabilisation, les moyens de stabilisation géométrique de l'ossature dans l'espace), éventuellement la jante si elle existe, de par leurs natures et leurs formes, sont choisis de sorte que le ballon stratosphérique résiste à des forces de pression externe de l'ordre d'au moins 50 hPa, la charge individuelle dépendant de la géométrie du ballon et du nombre d'éléments structuraux mis pour le réaliser tout en conservant une masse acceptable. Dans le cas de l'application au ballon stratosphérique, il peut être avantageusement envisagé de remplir le volume interne du tore de vide. Ainsi, la gestion du stockage des gaz est supprimée. Le poids total du ballon est considérablement allégé. In an exemplary embodiment of the rim, said rim working in compression, the rim is formed by a closed chain formed of links as for the structural assembly. The components of the structural framework (ie the segments, the first and second stabilizing elements of the stabilizing elements, the means of geometric stabilization of the framework in the space), possibly the rim if it exist, by their natures and their shapes, are chosen so that the stratospheric balloon withstands external pressure forces of the order of at least 50 hPa, the individual load depending on the geometry of the balloon and the number of structural elements put to achieve it while maintaining an acceptable mass. In the case of the stratospheric balloon application, it may advantageously be envisaged to fill the internal volume of the vacuum core. Thus, the management of the gas storage is removed. The total weight of the ball is considerably lightened.
La description ci-avant illustre clairement que par ses différentes caractéristiques et leurs avantages, la présente invention atteint les objectifs qu'elle s'était fixés. En particulier, elle propose une structure fermée ayant une géométrie permettant de faire travailler un maximum de ses composants en traction plutôt qu'en compression, sans pénaliser le poids de la structure. The above description clearly illustrates that by its different characteristics and advantages, the present invention achieves the objectives it has set for itself. In particular, it proposes a closed structure having a geometry allowing to work a maximum of its components in traction rather than in compression, without penalizing the weight of the structure.
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| CN109515680A (en) * | 2018-11-02 | 2019-03-26 | 韩元元 | A kind of floating air-bag |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP2809577A1 (en) | 2014-12-10 |
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| WO2013113866A1 (en) | 2013-08-08 |
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