FR3019606B1 - Systeme d'absorption d'energie a organe en composite metallique deformable plastiquement - Google Patents
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Abstract
La présente invention concerne un système d'absorption d'énergie cinétique qui comprend uniquement un tube à paroi mince à écraser axialement. Sur la surface extérieure du tube, un traitement thermique surfacique de cimentation est effectué. Cinq différentes formes géométriques traitées thermiquement sont proposées. Afin de comparer l'effet de forme de la zone traitée thermiquement sur l'énergie absorbée, l'aire de cette zone est la même quelle que soit la forme géométrique choisie. Pour chaque cas, 15% de la surface extérieure est uniquement traitée. Ce dispositif amortisseur peut être utilisé dans toute application nécessitant l'absorption d'énergie cinétique en cas de choc, notamment dans les véhicules de transport routier ou ferroviaire ou les véhicules de transport suspendus.
Description
Système d'absorption d'énergie à organe en composite métallique déformable plastiquement
La présente invention concerne le domaine des systèmes d'absorption d'énergie à organe déformable plastiquement. De tels systèmes sont utilisés notamment pour les véhicules de transport.
On connaît dans l'état de la technique des systèmes d'absorption d'énergie cinétique, ou absorbeurs de choc, qui comprennent au moins un organe adapté à absorber de l'énergie par déformation plastique en cas de choc. Par exemple, pour la protection des occupants d'un véhicule automobile, train, bateau, etc., on connaît un système d'absorption constitué par un organe déformable plastiquement. L'organe d'absorption est généralement un corps solide, et fréquemment un cylindre à paroi mince. Ce cylindre est conformé de manière à être écrasé axialement en cas de collision du véhicule.
Du fait de la stabilité de la charge moyenne d'écrasement ainsi que de l'importance de la course d'écrasement par unité de masse, de tels cylindres sont des éléments clés très intéressants pour quantifier la capacité à l'absorption. En revanche, leur comportement durant le processus d'écrasement est difficilement prévisible. La déformation plastique de la paroi du tube peut se faire selon deux modes de déformation principaux: le mode dit axisymétrique (ou "concertina") et le mode non axisymétrique (nommé aussi "diamant").
Du fait des incertitudes sur le comportement en écrasement axial des tubes durant le choc, il est très difficile de modéliser le comportement du véhicule en cas de choc en fonction de la vitesse.
Par ailleurs, pour des applications demandant l'absorption d'une grande quantité d'énergie cinétique, par exemple dans le cas de trains et plus spécifiquement de trains à grande vitesse, l'encombrement de l'organe d'absorption devient trop important.
Le but de la présente invention est de proposer un système d'absorption d'énergie cinétique permettant notamment d'améliorer la capacité des tubes à absorber davantage l'énergie cinétique pendant le choc. L'invention concerne un organe tubulaire en composite métallique-métallique absorbant par déformation plastique de l'énergie cinétique lors d'une sollicitation de cet organe, caractérisé par un traitement thermique spécifique appliqué uniquement sur la surface extérieure du tube. La zone surfacique traitée thermiquement prend différentes formes géométriques. Afin de comparer convenablement l'effet de forme de cette zone traitée thermiquement à l'énergie absorbée, l'aire de cette zone est la même quelle que soit la forme géométrique choisie. Pour chaque cas, un pourcentage choisi de la surface extérieure est uniquement traitée.
Avantageusement, ledit organe déformable est un cylindre à paroi mince. Les cylindres peuvent présenter toutes sortes de sections, de formes et de longueurs initiales.
Tous types de matériaux métalliques peuvent être utilisés en dehors des matériaux fragiles.
La sollicitation s'exerçant sur le dispositif amortisseur est bien entendu généralement une sollicitation de nature instantanée comme un choc, mais il peut également s'agir d'une sollicitation de nature progressive.
Un système absorbeur d'énergie cinétique selon l'invention présente un coût relativement faible et il est facile à adapter à un usage donné. Il peut trouver application pour tout type de véhicules de transport comme voitures, bateaux, avions, etc.
Il est particulièrement intéressant dans le domaine du transport par train où les chocs subis sont quasi-systématiquement des chocs frontaux. L'incorporation d'organes d'absorption selon l'invention peut se faire facilement. Les trains à grande vitesse (T.G.V) pour lesquels l'énergie cinétique à absorber est particulièrement importante sont spécialement concernés par la présente invention.
Un autre domaine d'application est celui des moyens de transport suspendus, tels qu'ascenseurs, téléphériques ou autres, dans lesquels l'invention peut servir d'amortisseur de choc en cas de chute accidentelle. Ce dispositif pourra être installé dans une partie inférieure du moyen de transport suspendu, entre un socle et un habitacle dans lequel se trouvent des personnes à protéger.
Il peut être utilisé dans tout dispositif nécessitant une absorption d'énergie cinétique, y compris dans le domaine de la recherche, notamment en ce qui concerne l'étude du comportement plastique des différents matériaux. L'invention sera mieux comprise à la lecture des schémas et photos annexés, correspondant à un mode de réalisation non limitatif, où : la figure 1 représente le système d'absorption d'énergie selon l'invention où toutes les configurations proposées sont photographiquement présentées. En effet, on prend en compte l'influence de la forme de zone traitée thermiquement par la cémentation appliqué uniquement sur la surface extérieure du tube. Pour cela, cinq différentes formes géométriques traitées thermiquement sont testées: trois différentes configurations avec des zones d'une forme d'anneau traitées thermiquement horizontalement (par rapport à l'axe du tube) : 2 anneaux (notée 3H) , 4 anneaux (5H) et 6 anneaux (7H) , une configuration ayant 3 zones traitées verticalement (forme de trais, notée 3V) parallèle à l'axe du tube et enfin une zone traitée sous forme hélicoïdale avec un angle d'inclinaison de 45° (notée Hélico).
Pour chaque cas, 15% de la surface extérieure est uniquement traitée.
Techniquement, pour le traitement thermique des tubes fabriqués en acier doux, la cémentation est un procédé qui consiste à mettre les matériaux dans un four durant une période de lh30 à une température de 860 degré, et ensuite à les mettre immédiatement dans un bac à huile afin de refroidir les tubes jusqu'à la température ambiante. - la figure 2 représente des histogrammes pour un dispositif montrant la charge moyenne d'écrasement ainsi que la charge maximale en fonction des cinq différentes formes géométriques traitées thermiquement; - les figures 3 et 4 sont des courbes représentant la charge appliquée et l'énergie absorbée en fonction de la course d'écrasement pour les cinq formes géométriques traitées thermiquement.
Initialement, tester la structure tubulaire en acier doux sans traitement thermique considérée comme référence à l'aide d'une machine sous régime quasi-statique en compression uniaxiale. Tester, par la suite, les cinq différentes formes géométriques obtenues après le traitement thermique appliqué uniquement sur la surface extérieure du tube à l'aide d'une machine sous régime quasi-statique en compression uniaxiale.
Comparer la capacité dissipatrice d'énergie cinétique absorbée des systèmes et leur force moyenne selon les différents types de composite.
Pour identifier le système d'absorption d'énergie optimal, le comportement des structures tubulaires soumises à un écrasement en compression est étudié en vue d'optimiser les capacités dissipatrices d'énergie d'un système selon 1'invention.
Chaque configuration est associée à un moyen de charge. Le système permet de travailler en régime quasi- statique (sollicitation fournie par une presse) ou dynamique (sollicitation fournie par la chute d'un corps).
Une première série de tests expérimentaux a permis de valider la capacité d'un dispositif à optimiser la dissipation d'énergie par déformation plastique de structures tubulaires en composite métallique à la base d'acier doux.
Les tubes utilisés sont de section circulaire, avec un paramètre η (le rapport entre le rayon moyen du tube et l'épaisseur de sa paroi) de 19,5 et un longitudinal paramètre λ (le rapport entre le diamètre moyen du cylindre et sa longueur initiale) de 0,2, correspondant à un diamètre de 38 mm, une épaisseur de 1 mm et une longueur initiale de 180 mm.
La figure 3 représente la charge appliquée en fonction du déplacement axial pour une vitesse de sollicitation de 5mm/min. Cette figure montre également la courbe charge appliquée-déplacement axial pour un tube géométriquement identique mais qui est simplement traité comme dans l'état de la technique.
Si on considère par exemple la figure 2, on remarque en premier lieu un accroissement pour les configurations du traitement thermique selon l'invention de plus de 15kN de la charge moyenne et de plus de 26kN de la charge maximale. En outre, l'amplitude des oscillations au delà du premier pic d'élasticité est largement supérieure pour la présente invention, ce qui prouve que le matériau est davantage résisté. Le mode de déformation est pratiquement mixte (partiellement concertina et partiellement diamant).
Sur la figure 4 a été également représentée la quantité d'énergie absorbée en fonction de la longueur écrasée pour les cinq configurations du traitement thermique selon l'invention. Les courbes correspondant s'éloignent vers le haut progressivement durant l'écrasement. A titre d'exemple, pour un écrasement de 8 0 mm, les énergies absorbées sont de 1,57 kJ pour le cas dit de référence (tube en acier doux sans être subi traitement thermique) et de 2,72 kJ pour la configuration de 4 anneaux (5H) selon l'invention donnant le gain d'énergie absorbée maximal de 73%,
Les histogrammes de la figure 2 représentent la charge moyenne d'écrasement ainsi que la charge maximale en fonction des cinq différentes formes géométriques traitées thermiquement selon l'invention (2 (3H) , 4 (5H) et 6 (7H) anneaux, 3 zones verticales (3V) et Hélico (forme hélicoïdale avec un angle d'inclinaison de 45°)). Suite aux tests en compression pour une vitesse de sollicitation uniaxiale de 5 mm/min, le gain en force moyenne (et en force maximale) est fonction de la forme de zone traitée thermiquement: 65.3% (56.6%), 77.7% (69.3%), 53.8% (72.8%), 66.3% (60.9%) et 37.8% (52.6%), respectivement pour 3H, 5H, 7H, Hélioc et 3V.
Claims (5)
- REVENDICATIONS1 - Système d'absorption d'énergie à organe déformable plastiquement adapté à absorber de l'énergie par déformation plastique en cas de choc, par exemple, pour la protection des occupants d'un véhicule automobile, train, bateau, etc. Caractérisé en ce que ledit organe déformable fabriqué en composite métallique est en acier doux associé à un traitement thermique de cémentation sur la surface extérieure de l'organe et absorbe l'énergie cinétique par déformation plastique lors d'une sollicitation uniaxiale de compression.
- 2 - Système d'absorption d'énergie selon la revendication 1, caractérisé en ce que ledit organe déformable en composite métallique est un cylindre à paroi mince destiné à recevoir une charge de compression uniaxiale.
- 3 - Système d'absorption d'énergie selon les revendications 1 et 2, caractérisé en ce que la section dudit cylindre est circulaire.
- 4 - Véhicule de transport suspendu, caractérisé en ce qu'un système d'absorption d'énergie selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 est installé au niveau d'une partie inférieure du véhicule.
- 5 - Dispositif d'étude du comportement plastique de différents matériaux, caractérisé en ce qu'il comprend un système d'absorption d'énergie selon l'une quelconque des revendications 1 à 3.
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