FR3007735A1 - Liaison d'un element de fuselage d'aeronef et d'un cadre par une entretoise et une cale - Google Patents

Abstract

L'invention porte sur la liaison d'un élément de fuselage d'aéronef et d'un cadre (3) par une entretoise (4) et une cale (2). Un ensemble conforme à l'invention comporte un élément de fuselage d'aéronef, comportant une peau (1) et des raidisseurs (2) liés à ladite peau (1), un cadre (3) de renfort, et une entretoise (4) liant rigidement l'élément de fuselage et le cadre (3). L'entretoise (4) est liée rigidement à la peau (1) par l'intermédiaire d'une cale (5), indépendante des raidisseurs (2), interposée entre ledit élément de fuselage et l'entretoise (4). L'invention porte également sur une partie de fuselage d'aéronef comportant plusieurs ensembles ainsi définis. Le coût d'un fuselage est ainsi réduit par standardisation des entretoises (4) et/ou réduction de la largeur maximale des raidisseurs (2).

Description

La présente invention concerne la liaison mécanique entre un élément de fuselage d'aéronef et un cadre de renfort, par une entretoise. Elle porte sur le domaine général de la construction des structures aéronautiques. Les fuselages d'aéronefs, notamment d'avions, sont couramment 10 constitués d'éléments de fuselage, qui comportent une peau métallique ou en matériau composite. La peau correspond à l'enveloppe externe du fuselage. Cette peau est rigidement liée à des raidisseurs, qui sont des éléments de structure longitudinaux, c'est-à-dire positionnés sensiblement parallèlement à l'axe principal du fuselage une fois ce dernier constitué. Les raidisseurs 15 renforcent et rigidifient la peau dans la direction longitudinale. La rigidité transversale, ainsi que le positionnement de l'élément de fuselage, sont obtenus en liant l'élément de fuselage à un cadre. Le cadre peut typiquement présenter une forme sensiblement circulaire. La liaison mécanique entre un élément de fuselage et son cadre est 20 réalisée, de manière connue, à l'aide d'une entretoise, également appelée taquet ou clip, généralement en forme de cornière. L'entretoise est liée rigidement d'une part au cadre, et d'autre part à l'élément de fuselage. L'entretoise vise à réaliser une liaison rigide entre la peau et le cadre. Néanmoins, afin de garantir une bonne surface de contact au niveau de la 25 liaison entre l'entretoise et l'élément de fuselage, il est connu d'employer des raidisseurs présentant un pied localement élargi sur lequel l'entretoise est liée. Cette solution est cependant onéreuse à mettre en oeuvre. Tout d'abord, le coût de fabrication d'un raidisseur est directement lié à sa largeur maximale. Cette largeur maximale correspond généralement à celle des pieds 30 de raidisseur au niveau de leur élargissement local destiné à recevoir l'entretoise. En outre, un fuselage d'avion présente bien souvent une section et/ou une géométrie variant fortement longitudinalement, de sorte que des entretoises de plusieurs dimensions et/ou formes sont nécessaires pour la constitution d'un même fuselage. Cette diversité engendre des coûts importants dans la fabrication des entretoises, qui sont généralement des pièces moulées en matériau composite. De fait, plusieurs moules sont nécessaires, et les entretoises doivent être reconçues pratiquement pour chaque nouveau fuselage. L'invention vise donc à réduire le coût de la liaison entre un élément de fuselage et un cadre de structure, par la réduction de la diversité des entretoises mises en oeuvre.

A cet effet, l'invention porte sur un ensemble comportant : - un élément de fuselage d'aéronef, comportant une peau et des raidisseurs liés à ladite peau ; - un cadre de renfort ; - une entretoise liant rigidement l'élément de fuselage et le cadre ; dans lequel l'entretoise est liée rigidement à la peau par l'intermédiaire d'une cale, indépendante des raidisseurs, interposée entre ledit élément de fuselage et l'entretoise. La mise en oeuvre d'une cale dans la liaison rigide entre l'entretoise et la peau permet l'emploi d'une entretoise standardisée pour un grand nombre de liaisons, par une simple adaptation de la cale. Cela permet une réduction des coûts de fabrication d'un fuselage. En effet, l'adaptation d'une cale, qui est un élément simple à fabriquer ou à former, est moins onéreuse que l'adaptation d'une entretoise, qui est une pièce plus complexe. En outre, le fait que la cale soit indépendante des raidisseurs, c'est-à-dire non constituée par ces derniers, permet de diminuer la largeur maximale des raidisseurs et donc leur coût de fabrication. Selon un premier mode de réalisation de l'invention, la cale est une pièce rapportée. La cale peut être en matériau composite, préférentiellement du type 30 à fibres courtes ou du type à fibres longues discontinues L'élément de fuselage peut être lié à l'entretoise par des moyens de fixation traversant la cale.

Dans une variante de l'invention dans laquelle la peau est en matériau composite, et la cale est en matériau composite, la peau et la cale peuvent être liées par soudage. Les résines mises en oeuvre dans les matériaux constitutifs de la peau et la cale doivent être identiques ou à tout le moins compatible d'un tel soudage. Les procédés de mise en oeuvre des matériaux composites doivent être équivalents. Typiquement, le soudage peut être réalisé par co-consolidation. De préférence, la cale comporte une face dite inférieure en contact avec la peau, la face inférieure étant conformée de sorte à épouser la forme 10 locale de la peau dans la zone de contact. Selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, la peau étant en matériau composite, la cale est une surépaisseur de la peau obtenue de moulage. De préférence, la cale est alors en résine chargée de fibres courtes, introduite localement lors du moulage selon un procédé de moulage dit « à 15 pièces finies en sortie de moule ». Selon deux variantes de l'invention, la cale ne présente aucun contact direct avec les raidisseurs, ou la cale recouvre au moins partiellement un pied des raidisseurs. De préférence, la cale comporte une face dite supérieure présentant 20 une forme concave, ladite entretoise présentant une surface correspondante convexe en contact avec la face concave de la cale, de sorte à former une liaison rotule avant fixation entre l'entretoise et la cale. L'invention porte aussi sur une partie de fuselage d'un aéronef comportant plusieurs ensembles tels que précédemment décrits, dans laquelle 25 les entretoises sont identiques tandis que les cales associées auxdites entretoises présentent des géométries différentes. Dans une telle partie de fuselage, les cales peuvent être adaptées en épaisseur, pour chaque liaison entre une entretoise et la peau, selon la distance entre une extrémité de l'entretoise et la peau. Si les cales sont des pièces 30 rapportées, elles peuvent être adaptées selon la courbure locale de l'élément de fuselage.

D'autres particularités et avantages de l'invention apparaîtront encore dans la description ci-après. Aux dessins annexés, donnés à titre d'exemples non limitatifs : - la figure 1a représente selon une vue en trois dimensions un 5 ensemble comportant un élément de fuselage, un cadre, et leur entretoise de liaison, selon l'art antérieur ; - la figure 1 b représente une vue de détail de la liaison entre un cadre et un élément de fuselage, selon l'art antérieur ; - la figure 2 représente selon une vue schématique en trois 10 dimensions un ensemble conforme à un mode de réalisation de l'invention ; - la figure 3 représente une cale et une entretoise telles que mises en oeuvre dans un premier mode de réalisation de l'invention ; - la figure 4 représente une vue de détail d'une peau de fuselage en matériau composite intégrant une cale, telle que mise en oeuvre dans un 15 deuxième mode de réalisation de l'invention ; - la figure 5 représente une vue de détail d'une première variante de l'invention ; et - la figure 6 représente une vue de détail d'une seconde variante de l'invention. 20 Dans l'état de la technique, un fuselage d'avion peut être constitué de l'assemblage d'éléments de fuselages. Un mode d'assemblage connu dans l'état de la technique est représenté aux figures 1 a et 1 b. Les éléments de fuselage comportent une peau 1, et des raidisseurs 2. Les raidisseurs 2 sont fixés à la peau 1, et s'étendent longitudinalement, c'est-à-dire sensiblement 25 dans la direction de l'axe principal du fuselage, une fois ce dernier constitué. La peau 1 est une plaque métallique ou en matériau composite, qui constitue l'enveloppe externe d'un fuselage. Les raidisseurs 2 sont liés à la face interne de la peau 1, c'est-à-dire la face destinée à être vers l'intérieur du fuselage, et présentent une section 30 s'étendant vers l'intérieur du fuselage. La section des raidisseurs 2 peut typiquement être en « T », en « J », ou en Omega. D'autres sections sont envisageables, par exemple et de manière non limitative, en « S », ou en « I ».

Les raidisseurs présentent une résistance importante à la flexion. Ils présentent généralement un pied 21, c'est à dire un rebord augmentant la surface de contact avec la peau 1. Liés rigidement à la peau 1, les raidisseurs 2 la renforcent et la rigidifient dans la direction longitudinale.

Lorsque la peau 1 est métallique ou en matériau composite, l'assemblage entre les raidisseurs 2 et la peau 1 peut être réalisé à l'aide de moyens de fixation traversant les raidisseurs 2 et la peau 1. Les moyens de fixations peuvent être des rivets. Lorsque la peau est en matériau composite, les raidisseurs 2, eux- mêmes en matériau composite, peuvent être liés à la peau 1 lors de son moulage. Pour constituer un fuselage, les éléments de fuselage comportant la peau 1 et les raidisseurs 2 sont assemblés de manière connue sur des cadres 3. La liaison entre un cadre 3 et un élément de fuselage met en oeuvre une 15 entretoise 4. Le cadre renforce transversalement l'élément de fuselage, et en garantit le bon positionnement. L'entretoise 4 est liée rigidement, d'une part au cadre 3, et d'autre part à l'élément de fuselage. Plus spécifiquement, l'entretoise 4 a pour fonction de réaliser une liaison rigide entre la peau 1 et le cadre 3. Néanmoins, afin de 20 garantir une bonne surface de contact au niveau de la liaison entre l'entretoise 4 et l'élément de fuselage, il est connu d'employer des raidisseurs 2 comportant un élargissement 22 local du pied 21. L'entretoise est alors liée à l'élément de fuselage au niveau de l'élargissement 22. Néanmoins, cette solution est onéreuse car le coût de fabrication 25 d'un raidisseur 2 est directement lié à sa largeur, conditionnée par l'élargissement 22 du pied 21. En outre, l'entretoise 4 doit être adaptée à chacune des liaisons, la distance entre la peau 1 et le cadre 3, ainsi que la géométrie de la peau, notamment sa courbure, pouvant varier d'une liaison à l'autre dans un même fuselage. Cela conduit à l'emploi de nombreuses 30 références d'entretoises différentes. Dans l'invention, dont un mode de réalisation est représenté schématiquement en figure 2, l'entretoise 4 est liée rigidement à la peau 1 de l'élément de fuselage par l'intermédiaire d'une cale 5, indépendante des raidisseurs 2, c'est-à-dire non constituée par les raidisseurs 2, interposée entre ledit élément de fuselage et l'entretoise 4. L'épaisseur de chaque cale 5 et/ou sa géométrie, sont adaptées à la liaison considérée entre le cadre 3 et la peau 1. Il est ainsi possible d'utiliser, pour constituer un fuselage entier, une seule référence ou un nombre faible de références d'entretoises 4. Selon un premier mode de réalisation de l'invention, la cale 5 est une pièce rapportée. La figure 3 présente un exemple de cale et d'entretoise, telles que mises en oeuvre dans ce premier mode de réalisation. En partie gauche de la figure sont représentées une cale 5 et une entretoise 4 telles que positionnées l'une par rapport à l'autre après assemblage d'un élément de fuselage sur un cadre. En partie droite, sont représentés la cale 5 et l'entretoise 4 séparées l'une de l'autre.

L'entretoise 4 présente deux faces perpendiculaires, permettant un contact surfacique sensiblement dans un plan longitudinal de l'élément de fuselage entre une première face 41 de l'entretoise et la cale 5, et un contact surfacique dans un plan transversal sensiblement perpendiculaire au plan longitudinal, entre une seconde face 42 de l'entretoise et le cadre 3. A titre d'exemple, une entretoise 4 présentant une section sensiblement en « L » permet cela. La cale 5 est quant à elle géométriquement adaptée à la liaison entre entretoise 4 et peau 1 dans laquelle elle est mise en oeuvre. La cale 5 est interposée entre l'entretoise 4 et la peau 1. La fixation entre peau 1, cale 5, et entretoise 4 peut notamment être réalisée par des moyens de fixation traversant la cale 5. Typiquement les moyens de fixation peuvent être des rivets. Chaque liaison entre peau 1, cale 5 et entretoise 4 comporte de préférence au moins trois rivets, et typiquement quatre rivets. Les moyens de fixation permettent le maintien de la cale 5 entre l'entretoise 4 et la peau 1.

La cale 5 est préférentiellement réalisée par moulage d'un matériau composite. Parmi les matériaux composites, un composite du type dit à fibres courtes est privilégié. Un composite du type dit à fibres courtes est un matériau constitué d'une matrice chargée en fibre de 0,1 mm à 1 mm de longueur. L'emploi d'un matériau composite à fibres courtes pour la constitution dans l'invention de la cale 5 est compatible des faibles charges subies par la 5 cale 5. Ce matériau est de fabrication aisée et maîtrisée, avec des tolérances géométriques faibles, ce qui permet de conformer précisément la cale selon la géométrie requise. Lorsque la cale 5 est en matériau composite, et que la peau 1 est également en matériau composite, il est possible de lier la cale et la peau par 10 co-consolidation, sous réserve que les matériaux composites soient compatibles. C'est typiquement le cas s'ils comportent la même résine matricielle. Il en est de même de la cale 5 et de l'entretoise 4, qui peuvent le cas échéant être liés par co-consolidation. La co-consolidation, ou co-durcissement, est souvent nommée par 15 l'expression anglo-saxonne correspondante « co-curing ». Dans le mode de réalisation ici représenté, la cale 5 présente une face dite inférieure 51. La face inférieure est destinée à être en contact avec la peau 1 du fuselage. La face inférieure 51 est conformée de sorte à épouser la forme locale de la peau 1 dans la zone de contact à laquelle elle est destinée. 20 Ainsi, la face inférieure 51 présente-t-elle une forme légèrement bombée, dans une ou deux directions, pour s'adapter à la courbure (ou aux courbures) de la peau dans la zone de contact. La cale 5 ici représentée comporte également une face dite supérieure 52. La face supérieure 52 présente préférentiellement une forme 25 concave, par exemple en portion de sphère. La légère concavité de la face supérieure 52, associée à une convexité correspondante de la première face 41 de l'entretoise, offre jusqu'à trois degrés de liberté, et peuvent localement former une liaison rotule. Les degrés de libertés ainsi offerts avant fixation de l'ensemble permettent une mise en position plus aisée de l'entretoise. Certaines 30 dispersions géométriques peuvent également être ainsi rattrapées. Selon un deuxième mode de réalisation de l'invention, la cale 5 et la peau 1 sont monobloc. Selon ce deuxième mode de réalisation, la peau est en matériau composite. Une vue de détail d'une peau de fuselage en matériau composite intégrant une cale est présentée en figure 4. La cale 5 est alors une surépaisseur de la peau 1, obtenue de moulage. Le procédé de moulage mis en oeuvre pour cela peut avantageusement être un procédé dit à « pièces finies 5 en sortie de moule » ou « pièces presque finies en sortie de moule », plus couramment nommés selon les expressions anglo-saxonnes respectives de moulage « net-shape » ou « near net-shape ». Dans de tels procédés, la pièce sortie de moule présente des caractéristiques géométriques et de surface telles qu'il n'est pas nécessaire (ou qu'il n'est que peu nécessaire) de l'usiner avant 10 emploi. Selon ces procédés, on peut former la cale 5 par injection de résine, typiquement chargée en fibres courtes, en fin de moulage de la peau 1, ou de l'élément de fuselage. La cale 5 peut également comporter, en substitution des fibres 15 courtes, des fibres longues discontinues généralement désignées par l'expression anglo-saxonne « choped fibres ». Le matériau composite obtenu est désigné sous l'appellation « carbone forgé ». Les fibres longues employées ont une longueur de l'ordre du centimètre ou de quelques centimètres. Ce mode de réalisation de l'invention est particulièrement 20 avantageux, en ce qu'il permet la réalisation directe de la cale adaptée à la liaison considérée. En épaisseur, la chaîne de côtes et de tolérances de l'assemblage est simplifiée, car il y a une seule interface entre la peau 1, intégrant la cale 5, et l'entretoise 4. L'entretoise 4 peut, dans ce mode de réalisation, être liée à la cale 5 25 par co-consolidation, sous réserve de compatibilité entre les matériaux composites constituant ces pièces. Selon ce deuxième mode de réalisation, la cale peut présenter une face supérieure 52 présentant une forme concave, l'entretoise 4 présentant une première face 41 de convexité correspondante. Les avantages en termes de 30 liberté de positionnement et de rattrapage des tolérances sont identiques à ceux précédemment décrits pour le premier mode de réalisation.

Quel que soit le mode de réalisation de l'invention, deux variantes, présentées respectivement aux figures 5 et 6, sont envisageables dans la mise en oeuvre de l'invention. La mise en oeuvre de l'une ou l'autre de ces variantes dépend essentiellement des caractéristiques géométriques de l'élément de 5 fuselage, et notamment de la distance d'écartement entre deux raidisseurs 2. Selon une première variante, représentée en figure 5, la cale 5 ne présente aucun contact direct avec le raidisseur 2. La cale est ainsi liée à l'élément de fuselage uniquement au niveau de la peau 1. Cette solution est adaptée notamment lorsque les raidisseurs 2 sont suffisamment distants pour 10 permettre une liaison satisfaisante de la cale avec la peau et avec l'entretoise. Si la liaison est réalisée par des moyens de fixation traversant la cale 5, typiquement des rivets, l'écartement entre les raidisseurs 2 qui conditionne la largeur de la cale 5 doit être suffisante pour accueillir un nombre suffisant de moyens de liaison, par exemple trois ou quatre. Dans le cadre d'un fuselage 15 d'avion de ligne, la distance minimale entre deux raidisseurs permettant l'emploi de cette première variante peut être de l'ordre de 200mm. Cette première variante est à l'évidence compatible des premier et deuxième modes de réalisation de l'invention précédemment exposés. Selon une deuxième variante de l'invention, représentée en figure 6 20 la cale recouvre au moins partiellement le pied 21 du raidisseur. Cette solution est particulièrement adaptée lorsque les raidisseurs 2 ne sont pas suffisamment distants pour permettre une liaison satisfaisante de la cale avec la peau ou avec l'entretoise. Cela peut typiquement être le cas pour un fuselage d'avion de ligne lorsque la distance entre deux raidisseurs est inférieure à 200mm. Il 25 convient de noter que cette variante est également compatible des deux modes de réalisation précédemment exposés. Dans le second mode de réalisation de l'invention, l'élément de fuselage comportant une peau 1 intégrant la cale 5 et des raidisseurs 2, peut être réalisé lors d'un unique procédé de moulage dans lequel ces éléments sont concomitamment moulés et/ou liés entre eux.

30 D'application industrielle dans le domaine aéronautique, l'invention ainsi développée permet l'emploi d'un nombre restreint d'entretoises différentes pour l'assemblage d'un fuselage. Elle permet en outre une baisse des coûts de fabrication des raidisseurs du fuselage, en ce qu'elle en limite la largeur maximale par suppression des élargissements locaux des pieds de raidisseur.

Claims (14)

1. REVENDICATIONS1. Ensemble comportant : - un élément de fuselage d'aéronef, comportant une peau (1) et des raidisseurs (2) liés à ladite peau (1) ; - un cadre (3) de renfort ; - une entretoise (4) liant rigidement l'élément de fuselage et le cadre (3) ; caractérisé en ce que l'entretoise (4) est liée rigidement à la peau (1) par l'intermédiaire d'une cale (5), indépendante des raidisseurs (2), interposée entre ledit élément de fuselage et l'entretoise (4).
2. 2. Ensemble selon la revendication 1, dans lequel la cale (5) est une pièce rapportée.
3. 3. Ensemble selon la revendication 2, dans lequel la cale (5) est en matériau composite, préférentiellement du type à fibres courtes ou du type à fibres longues discontinues.
4. 4. Ensemble selon la revendication 2 ou la revendication 3, dans lequel l'élément de fuselage est lié à l'entretoise (4) par des moyens de fixation traversant la cale (5).
5. 5. Ensemble selon la revendication 3, la peau (1) étant en matériau composite, dans lequel la peau (1) et la cale (5) sont liées par soudage.
6. 6. Ensemble selon l'une quelconque des revendications 2 à 5, dans lequel la cale (5) comporte une face dite inférieure (51) en contact avec la peau (1), la face inférieure (51) étant conformée de sorte à épouser la forme locale (5) de la peau (1) dans la zone de contact.
7. 7. Ensemble selon la revendication 1, dans lequel, la peau (1) étant en matériau composite, la cale (5) est une surépaisseur de la peau (1) obtenue de moulage.
8. 8. Ensemble selon la revendication 7, dans lequel la cale (5) est en résine chargée de fibres courtes, introduite localement lors du moulage selon un procédé de moulage dit « à pièces finies en sortie de moule ».
9. 9. Ensemble selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la cale (5) ne présente aucun contact direct avec les raidisseurs (2).
10. 10. Ensemble selon l'une des revendications 1 à 8, dans lequel la cale (5) recouvre au moins partiellement un pied (21) des raidisseurs (2).
11. 11. Ensemble selon l'une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la cale (5) comporte une face dite supérieure (42) présentant une forme concave, ladite entretoise (4) présentant une surface correspondante convexe en contact avec la face concave de la cale (5), de sorte à former une liaison rotule avant fixation entre l'entretoise (4) et la cale (5).
12. 12. Partie de fuselage d'un aéronef comportant plusieurs ensembles selon l'une des revendications précédentes, dans laquelle les entretoises (4) sont identiques tandis que les cales (5) associées auxdites entretoises (4) présentent des géométries différentes.
13. 13. Partie de fuselage selon la revendication 12, dans laquelle les cales (5) sont adaptées en épaisseur pour chaque liaison entre une entretoise (4) et la peau (1), selon la distance (5) entre une extrémité de l'entretoise (4) et la peau (1).
14. 14. Partie de fuselage selon la revendication 12 ou la revendication 13, dans laquelle les cales (5) sont des pièces rapportées, adaptées selon la courbure locale (5) de l'élément de fuselage.