FR3068287A1 - Blindage leger pour structures et procede de realisation d'un blindage - Google Patents

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FR3068287A1
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nails
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skin
shielding
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FR1756110A
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English (en)
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Caroline Petiot
Michel Bermudez
Didier Mesnage
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Airbus Group SAS
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Publication date
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Abstract

Un blindage et un procédé de réalisation d'un blindage pour structures pouvant être soumises à des impacts d'objets de faibles ou moyennes énergies. Le blindage comprend au moins une peau de surface supérieure (60) et une peau de surface inférieure (70) sensiblement parallèle à la peau de surface supérieure (60). Un matériau d'âme résultant d'un empilement d'au moins deux couches successives et adjacentes de tissus secs (10), est positionné entre les peaux de surfaces supérieure et inférieure (60), (70). Le matériau d'âme est renforcé par une pluralité de clous (40) réalisés en matériaux rigides traversant l'épaisseur du matériau d'âme (30) et formant des liaisons de renfort entre les peaux de surface supérieure et inférieure (60), (70). Les clous traversent chaque couche de tissus secs (10) sans adhérer aux dits tissus secs de sorte que les dites couches de tissus secs soient en mesure de glisser entre elles suivant des directions sensiblement parallèles aux peaux de surface supérieure et inférieure. Un procédé de fabrication d'un tel blindage.

Description

BLINDAGE LEGER POUR STRUCTURES ET PROCEDE DE REALISATION D’UN BLINDAGE
La présente invention appartient au domaine de blindage des structures. Plus particulièrement l’invention s’applique au blindage de structures pouvant être soumises à des impacts d’objets de faibles ou moyennes énergies.
L’invention concerne particulièrement un blindage capable d’absorber l’énergie passive suite à un impact et elle peut être utilisée dans n’importe quel domaine requérant une fonction d’absorption d’énergie vis-à-vis d’un impact localisé.
De nos jours les matériaux composites sont de plus en plus utilisés. En effet, les matériaux composites peuvent être conçus pour avoir des propriétés physiques optimales, ainsi que des propriétés thermiques et mécaniques spécifiques à certaines applications. La masse réduite des pièces réalisés en matériau composite est aussi l’un des principaux avantages de ces matériaux.
Les matériaux composites sont ainsi utilisés dans les applications où les propriétés mécaniques et la réduction de masse sont cruciales comme dans l’industrie aérospatiale, aéronautique, automobile etc. Cependant, la question de leur capacité à absorber l’énergie localisée d’un impact reste un sujet sensible et à perfectionner encore.
Les structures aéronautiques peuvent par exemple être exposées à un certain nombre de menaces exceptionnelles d’impact avec des objets projetés en dynamique rapide, par exemple des projectiles de débris de moteur, nécessitant de développer des solutions de blindage rapporté ou non. Les solutions de blindage connues font souvent appel à des matériaux lourds comme un acier ou bien à des composites fragiles à matrice céramique comme pour les cas d’usage militaire. Pour des applications civiles, comme souvent pour les militaires, ces solutions entraînent dans le domaine aéronautique des masses beaucoup trop importantes pour être utilisables en exploitation.
En conséquence, les blindages structuraux ou rapportés pour l’aéronautique sont soumis à des contraintes de masse qui obligent à rechercher des solutions toujours plus légères. L’enjeu est d’établir une conception à coûts optimisés et particulièrement bien adaptée aux cadences industrielles tout en restant légères par rapport à un acier, au titane ou bien à des céramiques techniques, voire un alliage d’aluminium .
Les matériaux composites en structure sandwich restent parmi les solutions les plus prometteuses pour l’absorption de l’énergie des chocs dans le domaine aéronautique car elles offrent un comportement amélioré en rigidité et résistance, tout en conservant une masse réduite.
Les panneaux en sandwich sont généralement formés de deux composantes : les peaux et l’âme. Les peaux, en surface, sont conçues pour résister aux efforts de tension et compression et sont typiquement réalisés en matériaux composites à matrice de résine organique et fibres de verre, carbone ou céramique, la matrice de résine durcie étant du type thermodurcissable ou thermoplastique. D’autre part, l’âme est conçue pour résister à la compression et au cisaillement afin de transférer les efforts entre les peaux. L’âme est généralement en mousse de polymères, d’aluminium ou en nid d’abeille. Dans le cas général toutes les couches de matériaux sont reliées entre elles de façon rigide pour donner au panneaux réalisés les rigidités et résistances recherchées.
La résistance aux impacts de ces structures en sandwich est toutefois souvent insuffisante pour absorber l’énergie suite à des accidents comme la collision d’un oiseau, l’impact de débris de piste, l’impact de débris de moteur ou d’hélice et même pour l’impact de grêlons etc., car elles sont réalisées principalement pour répondre à des objectifs de résistance mécanique.
Pour palier aux défauts mentionnés, des techniques de renforcement supplémentaires telles que le cloutage (pinning en anglais) ou la couture de fils ont été proposées. Ces renforts créent des modes d’absorption d’énergie additionnelles et améliorent la tenue des structures aux impacts.
Le brevet US 5,869,165 décrit par exemple une structure en sandwich de résistance à la déformation et au délaminage augmentée grâce à l’intégration de clous dans un axe Z et dans un ordre régulier. Les clous, qui traversent les peaux et l’âme, forment lors de leur pose des cavités qui sont postérieurement remplies avec la résine fluant des peaux lors de la cuisson de la structure, donnant ainsi une résistance améliorée au délaminage entre les peaux et l’âme.
Dans une autre technologie l’âme en matériau cellulaire est renforcée par des fils de coutures puis assemblées en sandwich avant d’être injectées avec une résine pour obtenir le renforcement de l’âme cellulaire seule.
Ces technologies offrent des techniques de renforcement dont l’objectif est de préserver l’intégrité de la structure lors de la réception des efforts. Toutefois, la protection offerte par ces matériaux contre un impact reste insuffisante dans le domaine du blindage car pour être efficaces ils requièrent l’utilisation des matériaux plus rigides et plus denses donnant un poids trop élevé de la structure finale.
Il existe donc toujours le besoin de développer des matériaux permettant de protéger une structure aéronautique des conséquences des impacts, tout en gardant une masse faible et une charge utile maximale.
La présente invention propose un blindage composite d’âme renforcée permettant l’absorption d’énergie passive suite à des impacts d’objets de faibles ou moyennes énergies. L’invention à pour but un blindage léger pour structures combinant résistance, rigidité et faible masse ainsi que son procédé de fabrication.
L’invention à pour but également de développer un blindage léger pour aéronef.
Le blindage pour structure selon l’invention comporte des couches de tissus secs empilées et assemblées par cloutage avec des clous rigides mais destinés à être endommagés.
A cet effet, l’invention vise un blindage pour structures comprenant :
-au moins une peau de surface supérieure et une peau de surface inférieure sensiblement parallèle à la peau de surface supérieure
-un matériau d’âme renforcée positionné entre les peaux de surfaces supérieure et inférieure et résultant d’un empilement d’au moins deux couches successives et adjacentes de tissus secs,
-une pluralité de clous réalisés en matériaux rigides traversant l’épaisseur du matériau d’âme et formant des liaisons de renfort entre les peaux de surface supérieure et inférieure 60, 70, caractérisé en ce que :
les clous traversent chaque couche de tissu secs 10 sans adhérer aux dits tissus secs de sorte que les dites couches de tissu secs soient en mesure de glisser entre elles suivant des directions sensiblement parallèles aux peaux de surface supérieure et inférieure.
Le cloutage est ainsi l’élément principal permettant de maintenir entre elles les couches des tissus secs par rapport aux peaux de surface supérieure et inférieure en conditions ordinaires. Toutefois l’assemblage du blindage permet le glissement des couches de tissus secs adjacentes suite à la réception d’un impact. La capacité de mouvement entre couches de tissus secs est avantageusement utilisée comme mécanisme d’absorption d’énergie. Cette absorption d’énergie est due d’une part, au frottement généré lors du glissement entre couches de tissus secs et fibres de tissus composants les mailles et, d’autre part, au cisaillement des clous par les couches de tissus sec en mouvement.
Les clous du blindage sont donc destinés à être endommagés, leurs fractures et/ou déformations permettant d’absorber l’énergie d’un choc, un phénomène multiplié par leur capacité à être multi fragmentés sur la longueur d’un même clou aux intersections avec chaque couche de tissus secs. D’ailleurs, les clous du blindage peuvent être également endommagés sous l’effet du choc dans la zone d’impact, permettant de multiplier encore l’énergie absorbée.
Le blindage est ainsi conçu pour absorber l’énergie du choc par plusieurs mécanismes qui visent la déformation et la rupture et/ou déformation des couches de tissus secs et de clous, ainsi que la déformation et éventuelle rupture des peaux de surface, notamment la peau de surface où l’impact est envisagé. Les mécanismes détaillés pour l’absorption d’énergie seront détaillés postérieurement.
Dans une forme de réalisation, le matériau d’âme est constitué par l’empilement successif d’au moins deux couches de tissus secs intercalées avec un matériau cellulaire. Ce mode de réalisation permet d’obtenir un blindage d’épaisseur plus important tout en conservant un poids faible, ainsi que de mieux définir des aires de rupture des clous aux intersections dédits clous avec les couches de tissus secs.
Le blindage de l’invention peut comporter également toutes ou partie des caractéristiques suivantes considérées isolément ou en toute combinaison techniquement opérable.
Les clous traversent également dans son épaisseur la peau de surface supérieure et/ou la peau de surface inférieure.
Le matériau et les dimensions des clous sont déterminés pour permettre leur rupture et/ou déformation par les tissus secs lors du glissement et déformation des tissus secs.
Les clous sont positionnés avec des angles d’inclinaison comprises entre +60° et -60°, par rapport à une perpendiculaire à à surface de la peau de surface inférieure 60 et ou supérieure, et de préférence inclinés à +45° ou -45°.
Les clous sont agencés suivant au moins deux directions principales différentes.
Les clous sont agencés en lignes formant des rangées parallèles, les clous d’une rangée ayant des inclinaisons différentes de celles d’une rangée adjacente.
Le matériau dans lequel est réalisé un clou est choisi parmi un carbone, un titane, un polymère, une aramide, un polyéthylène, une céramique, un bore, un carbure de silicium, un verre ou un métaux ou un mélange de ces composés.
Les tissus secs comprennent des textiles unidirectionnels et/ou tissés en 2 dimensions et/ou tissés en 3 dimensions de fibres choisies parmi le groupe comprenant verre S2, aramide, carbone, PBO, polyéthylène, polyamide et/ou des combinaisons de ces fibres.
Le matériau cellulaire est formé principalement avec une mousse en polyméthacrylamide et/ou en polyuréthane et/ou en autre matériau présentant des caractéristiques similaires de compressibilité et densité.
Un film adhésif positionné à l’interface des peaux de surface supérieure et inférieure avec le matériau d’âme.
Une barrière pour la fuite de résine est positionnée sur la ou les surfaces supérieure et inférieure du matériau d’âme.
Les peaux de surface supérieure et inférieure sont formées en matériau composite comportant des fibres de carbone et/ou aramide, fibres de verre et/ou céramique maintenues dans une matrice de résine organique thermodurcissable ou thermoplastique et/ou une ou plusieurs peaux métalliques.
L’invention vise également un procédé de fabrication d’un blindage comprenant les étapes de :
a) préparation du matériau d’âme par empilement des couches de tissus secs, le cas échéant avec interposition de matériau cellulaire;
b) cloutage de l’ensemble avec des clous réalisés en matériau rigide;
c) préparation des peaux de surface supérieure et/ ou inférieure
d) positionnement des peaux de surface supérieure et inférieure du matériau d’âme.
e) assemblage des peaux de surface supérieure et inférieure avec le matériau d’âme.
Dans une mode de mis en œuvre, l’étape b) de cloutage est réalisée après l’étape d) de positionnement des peaux en traversant les peaux de surface supérieure et inférieure et l’ensemble du matériau d’âme. Cette variante permet notamment d’améliorer la liaison entre les peaux de surface inférieure et supérieure avec le matériau d’âme.
Le procédé de fabrication du blindage peut comporter également toutes ou partie des étapes suivantes dans des modes particulières de mise en oeuvre, considérées isolément ou en toute combinaison techniquement opérable.
Les peaux de surface supérieure et/ou inférieure sont préalablement polymérisées, au moins partiellement, avant l’étape d) de positionnement des dites peaux sur le matériau d’âme.
Une étape de polymérisation complète des peaux de surface supérieure et/ou inférieure pendant l’étape e) d’assemblage desdites peaux sur le matériau d’âme.
Une étape de pose sur chaque peau d’un film adhésif entre chaque peau et le matériau d’âme, formant barrière pour la fuite de la résine des peaux lors de l’étape de polymérisation complète.
L’invention vise encore, un aéronef comprenant un blindage selon l’invention installé de manière intégrale sur le fuselage ou fixé à distance du fuselage.
L’invention sera mieux comprise après la lecture de la description qui suit et à l’examen des figures qui l’accompagnent. Celles-ci ne sont présentées qu’à titre indicatif et non limitative de l’invention. Les figures montrent :
Figure 1 : une section du blindage de l’invention avec un matériau d’âme renforcée assemblé avec une peau de surface inférieure et une peau de surface supérieure.
Figure 2 : une section du blindage de l’invention avec un matériau d’âme renforcée comprenant des couches de tissus secs et des couches intercalaires d’un matériau cellulaire assemblé avec une peau de surface supérieure et inférieure.
Figure 3 : une section illustrant deux possibilités d’intégration sur une structure du blindage de l’invention ; rapporté de manière intégrale sur la structure, détail (a) ; fixé à distance de la structure, détail (b).
Figure 4 : une vue schématique du mécanisme de cisaillement des clous suite à un impact.
La figure 1 représente une section d’un blindage 100 suivant l’invention. Le blindage 100 présente une structure du type sandwich comportant une âme 30 entre deux peaux de surface, une peau de surface supérieure 60 et une peau de surface inférieure 70. Dans cette forme de réalisation, l’âme 30 est une âme multicouche d’épaisseur E résultant d’un empilement de couches en fibres tissés constituant des tissus secs 10.
Le blindage 100 comporte également des clous 40 rigides traversant l’âme 30 et fixés aux peaux de surface supérieure et inférieure 60, 70 à leurs extrémités, respectivement inférieure et supérieure. Les clous 40 sont agencés de manière sensiblement régulière pour maintenir entre elles, les couches empilés des tissus secs 10 qui ne peuvent pas en pratique être maintenus entre elles par leur caractéristiques intrinsèques, contrairement aux âmes des panneaux sandwich conventionnels. Les clous 40 traversent ainsi chaque couche de tissu secs 10 sans adhérer aux dits tissus de sorte que les dites couches de tissu secs soient en mesure de glisser entre elles suivant des directions sensiblement parallèles aux peaux de surface supérieure et inférieure. Le cas échéant, les clous peuvent également servir à maintenir l’assemblage de tissus secs avec les peaux de surface supérieure et inférieure.
Les clous 40 sont représentés sur la figure 1 avec un angle d’environ +30° et -30° par rapport à la verticale mais l’angle peit varier entre +60° et -60°. Avantageusement les clous sont agencés suivant au moins deux directions principales différentes pour assurer une stabilité au moins isostatique de la liaison entre les couches de tissus secs 10 ou, entre les couches de tissus secs 10 et les peaux de surface supérieure et inférieure 60, 70. Accessoirement, le blindage 100 comporte sur chaque peau de surface supérieure et inférieure, du côté de l’âme 30, un film adhésif 50, 50’ dont la fonction sera abordée ultérieurement.
La figure 2 montre une section du blindage dans une autre forme de réalisation de l’invention avec un matériau d’âme renforcée comprenant des couches de tissus secs 10 et comportant en outre des couches intercalaires d’un matériau cellulaire 20. Suivant ce mode de réalisation les mêmes éléments que pour le mode de la figure 1 se retrouvent, mais avec une âme 30 comportant trois couches de tissus secs 10 empilées avec des couches intercalaires de matériau cellulaire 20 tels qu’une mousse de faible densité. Cette variante permet d’obtenir une épaisseur plus élevée du blindage, sans augmenter significativement la masse surfacique du blindage obtenu.
Le matériau cellulaire 20 est un matériau de plus faible densité que celle de couches des tissus secs. Le matériau cellulaire 20 peut comporter des cellules ouvertes ou fermées, mais avantageusement fermées en particulier pour éviter un risque de remplissage de cellules par de la résine lors de la fabrication du blindage. Il peut s’agir d’une mousse de polyméthacrylamide (PMI) et/ou de polyuréthane (PU) et/ou un autre matériau présentant des caractéristiques similaires de compressibilité et densité.
Comme dans la plupart des blindages un objectif du blindage 100 est d’absorber l’énergie apportée par l’impact de sorte à arrêter l’objet impactant ou pour le moins que son énergie résiduelle soit suffisamment faible lorsqu’il aura traversé le blindage. Contrairement à une structure travaillante devant reprendre des efforts sans déformation sensible ni endommagement, le matériau 100 est conçu pour se déformer et s’endommager de manière à absorber l’énergie.
Dans le contexte de l’invention, l’énergie est absorbée par plusieurs mécanismes qui se produisent séquentiellement ou simultanément lors d’un impact.
Ces mécanismes sont :
i) la déformation du blindage, en particulier des peaux de surface supérieure et inférieure ;
ii) la fracture et/ou déformation des clous au niveau de l’impact sous l’effet du choc ;
iii) densification par compression sous impacts des matériaux alvéolaires ou cellulaires si utilisés, iv) le frottement généré lors du glissement des tissus secs entre eux et des fibres de tissus lors de la déformation du blindage ;
v) la fracture et/ou déformation des clous au niveau des tissus dont la mise en tension des tissus, referme les mailles et cause le cisaillement des clous ;
vi) rupture de fibres des peaux de surface supérieure et éventuellement inférieure, ainsi que la déformation et la rupture des tissus secs.
Le blindage 100 est de préférence assemblé avec des peaux de surface supérieure et inférieure 60, 70 réalisés dans un matériau relativement déformable favorisant sa déformation lors d’un impact. La déformation des peaux, particulièrement la peau de surface supérieure 70 du côté de l’impact envisagé, permet de transférer au matériau d’âme 30 l’énergie de l’impact.
Les peaux de surface supérieure et inférieure 60, 70 peuvent être réalisés de manière non limitative en matériaux composites à fibres de carbone, aramide, fibres de verre, ou céramique maintenus dans une matrice de résine organique pouvant être thermodurcissable ou thermoplastique. Une ou les deux peaux de surface peuvent également être métalliques.
Les tissus secs 10, libres de glisser entre eux absorbent l’énergie par le frottement généré lors du glissement entre couches de tissus secs 10 et entre les fibres de tissus, glissement qui résulte de la déformation du blindage 100. Dans une étape ultérieure de déformation, les tissus sont déformés jusqu’à leur rupture permettant l’absorption d’une énergie additionnelle.
Dans une forme de réalisation, les tissus sont poudrés avec une poudre de résine thermo fusible lors de la mise en place des tissus secs. La poudre de résine, qui fond au moins partiellement lors d’une étape de chauffage du procédé de fabrication, produit des liaisons faibles entre les couches de tissus secs qui a pour effet d’augmenter l’absorption d’énergie lors du glissement de tissus entre eux en détruisant les dites liaisons faibles.
Les tissus secs 10 peuvent être choisis de manière non limitative du group comprenant des textiles unidirectionnels et/ou tissés en 2 dimensions et/ou tissés en 3 dimensions des fibres appartenant au groupe de verre S2, aramide comme par exemple kevlar, carbone, PBO, polyéthylène, polyamide et/ou des combinaisons de ces fibres.
Les clous 40 traversent le matériau d’âme 30 permettant aux couches de tissus secs 10 de ne pas glisser entre elles en conditions ordinaires par rapport aux peaux de surface supérieure et inférieure 60, 70. Les clous forment également de renforts hors plan destinés à une défaillance volontaire pour l’absorption d’énergie suite à un impact.
Les déformations du blindage suite à un impact d’énergie suffisante ont pour conséquence le glissement des tissus secs entre eux et également le resserrement des mailles formées par les fibres des tissus secs, au moins dans les zones de mise en tension desdits tissus secs.
Lorsque les efforts du glissement ou de tension sont suffisantes, l’action des fibres des tissus secs sur les clous conduit à leur sectionnement par cisaillement conduisant à une absorption d’énergie. La multiplication des clous concernés par ce phénomène, ainsi que la multiplication des plis des tissus secs multipliant ce phénomène sur un même clou permet ainsi d’absorber une grande quantité d’énergie lors d’un impact.
L’endommagement des clous 40 est générée ainsi par au moins deux mécanismes. La rupture et/ou déformation lors de l’impact par les forces de compression ou déflexion dans le clou et, de cisaillement sensiblement perpendiculaire à leur axe qui se propage à distance du point d’impact dans le blindage. Ce cisaillement est généré par les couches et fibres de tissus secs dont le mouvement génère un effet similaire à l’action d’une guillotine.
La nature des clous 40 est ainsi choisie corrélativement à la nature des fibres des tissus secs 10 pour favoriser l’absorption d’énergie lors de leurs endommagement. Les clous 40 sont donc de nature assez rigide pour requérir une énergie significative pour leurs fractures et/ou déformations mais de nature assez fragile et/ou déformable pour être fracturés et/ou déformés par les tissus secs 10. Par exemple, les clous 40 sont réalisés en carbone et/ou en titane. Les clous réalisés en carbone favorisent un mécanisme de fragmentation des clous sous chargement de compression alors que les clous réalisés en titane favorisent un mécanisme de déformation plastique des clous.
Les clous 40 peuvent être également réalisés dans d’autres matériaux tels qu’un polymère, une céramique, un bore, un carbure de silicium, un verre, un métaux ou un mélange de ces composés. Différents types de clous, tant en matériau qu’en section des clous, peuvent être mis en œuvre dans un même blindage, en particulier pour s’adapter à différents niveaux d’énergie d’impact ou pour une absorption progressive de l’impact.
Les clous 40 sont insérés à travers l’épaisseur des couches de tissus secs empilées avec ou sans un matériau cellulaire intercalaire. Si l’âme est assemblée avec une ou plusieurs peaux de surface supérieure et inférieure, le cloutage peut être réalisé avant ou après l’assemblage desdites peaux. Le matériau d’âme peut notamment être assemblé avec des peaux de surfaces pré-imprégnés ou en infusion. Pour de tels matériaux, les clous peuvent de préférence être en composite à base de fibres longues et matrice organique ou en titane. Les clous pultrudés avec des fibres de carbone seront privilégiés en présence de peaux de surface supérieure et ou inférieure en composites à fibres de carbone.
Les clous sont positionnés avec des angles d’inclinaison compris entre +60° et -60° par rapport à une perpendiculaire locàe à la surface de la peau de surface inférieur et supérieure, et de préférence inclinés à +45° ou -45°. Les clous 40 peuvent être agencés en rangées suivant au moins deux directions principales de leurs angles d’inclinaison. Dans un mode de réalisation, les clous sont agencés dans des rangées parallèles suivant un axe longitudinale et dont les clous des rangées sont inclinés dans au moins deux directions différentes de plans d’inclinaison, plans définis par rapport à une perpendiculaire locale à la peau de surface supérieure et inférieure et l’axe du clou, par exemple de plans tournés d’un quart de tour à chaque rangée.
Les clous peuvent avoir une section transversale circulaire ou non circulaire, de forme d’un jonc simple ou bien comporter une tête. Avantageusement, mais non nécessairement, un clou a une section constante, ce qui facilite la pose, mais tous les clous d’un blindage n’ont pas nécessairement la même section ni la même longueur.
La figure 3 montre deux possibilités d’intégration du blindage sur une structure d’un aéronef : une installation réalisée de manière intégrale sur une structure, détail (a) et une installation « fixé à distance >> d’une structure, détail (b).
Dans la première forme d’installation, une structure, ici un revêtement du fuselage de l’aéronef à blinder, est mis en œuvre comme peau de surface supérieure 60 du blindage 100. Dans cette option d’assemblage, le blindage est réalisé dans une première étape avec seulement une peau de surface inférieure 70 pour être assemblé par la suite avec la peau de surface extérieure de l’aéronef (e.g. la peau extérieure du fuselage en carbone) pour former le blindage intégré à la structure. Ici le blindage 100 est formé à l’intérieur de l’aéronef mais une solution similaire peut être mise en œuvre pour former le blindage à l’extérieur de l’enveloppe structurelle de l’aéronef, le revêtement du fuselage constituant dans ce cas la peau de surface inférieure 70.
Dans l’installation fixé à distance de la structure, le blindage 100 est incorporé à une structure d’aéronef aux moyens de fixations reprises sur ladite structure, e.g les cadres de fuselage.
La figure 4 représente schématiquement le mécanisme de cisaillement des clous 40 dans un blindage 100 selon un mode de réalisation de l’invention dans lequel le matériau d’âme renforcé est assemblé en sandwich avec une peau de surface inférieure et une peau de surface supérieure. Suite à la réception d’un impact, le blindage 10 est déformé suivant sensiblement la direction du projectile reçu.
L’invention profite de la mise en flexion de la structure du blindage ainsi déformée qui génère une série d’élongations 80 des couches de tissus secs 10. Selon l’amplitude des élongations 80 générées, qui est déterminée à son tour par l’importance des déformations du blindage 100, les mailles des tissus secs 10 glissent et génèrent un frottement entre couches adjacentes de tissus secs et dans les fibres des tissus.
De plus, les élongations dans les fibres déforment la structure de la maille composant les tissus secs car cette maille est étirée par des tractions dans des directions opposées. La maille est également déformée par le glissement entre couches de tissus secs causant un resserrement des fibres. La maille déformée se bloque aux points d’intersection des couches de tissus secs 10 avec les clous 40 qui les traversent. II est ainsi généré des points de compression aux intersections entre les tissus secs 10 avec les clous 40 qui provoquent, selon la nature des clous, une fracture et /ou une déformation des clous par un effet de cisaillement.
La fracture des clous est donc une conséquence des forces de compression dans l’axe du clou ou légèrement hors axe lors du choc près du point d’impact. La fracture des clous est également une conséquence du cisaillement générée par le glissement entre couches de tissus secs qui s’applique aux clous dans le plis des tissus, ainsi que par la mise en tension des fibres générée par les élongations dans les couches de tissus secs qui génèrent une compression locale par fermeture de la maille de tissu sur les clous, y compris à distance du point de l’impact.
L’architecture du matériau d’âme renforcée selon l’invention permet ainsi un endommagement volontaire des clous permettant d’absorber de manière passive l’énergie dégagée suite à un impact. De plus, la multi fragmentation et/ou déformation d’un même clou peut être obtenue sur sa longueur grâce aux différents points d’intersection avec les couches de tissus sec.
L’invention concerne également un procédé de fabrication d’un blindage 100 de structures. Le procédé comprend les étapes de :
a) préparation du matériau d’âme 30 par empilement des couches de tissus secs le cas échéant avec interposition de matériau cellulaire 20 ;
b) cloutage de l’ensemble avec des clous 40 réalisés en matériau rigide ;
c) le cas échéant préparation des peaux de surface supérieure et inférieure 60,
d) positionnement des peaux de surface supérieure et/ou inférieure 60, 70 du matériau d’âme 30 et ;
e) assemblage des peaux de surface avec le matériau d’âme 30.
Suivant un mode de réalisation, l’étape b) de cloutage est réalisée après l’étape d) et en traversant avec les clous les peaux de surface supérieure et inférieure 60, 70 et l’ensemble du matériau d’âme 30.
Il peut être mis en oeuvre différentes possibilités pour l’assemblage des peaux de surface. Dans un mode de réalisation les peaux de surface supérieure et/ou inférieure sont positionnées sur le matériau d’âme 30 préalablement polymérisées, cette polymérisation peut être totale ou partielle. Lesdites peaux peuvent être néanmoins positionnées sans polymérisation préalable ou avec une polymérisation partielle, le cas échéant une polymérisation complète sera réalisée à la fin de l’assemblage, par exemple les peaux de surface en fibres préimprégnées en résines thermodurcissables peuvent être positionnés sur le matériau d’âme 30 pour être polymérisés postérieurement à faible pression e.g. 2 à 3 bars.
Pour améliorer la reproductibilité des caractéristiques du matériau d’âme 30, il est possible aussi de réaliser un pré compactage en une épaisseur E souhaitée de l’empilement de tissus secs 10 avant l’insertion des clous 40. Similairement, la mise en place de la structure assemblée du blindage 100 dans un moule fermé ou sous environnement dit étanche, permet également le calibrage en épaisseur de l’ensemble du blindage 100 préalablement à la polymérisation complète à la fin du procédé de fabrication.
Optionnellement, les tissus secs 1 pourront selon besoin être préalablement poudrés ou recouverts d’un voile avant assemblage comme par exemple par un thermoplastique avec une température égale ou inférieure à une température mise en oeuvre lors de la polymérisation. Cette opération aura pour intérêt de stabiliser sans les fixer énergiquement les matériaux de l’âme, tissus secs et matériau cellulaire, et d’augmenter l’énergie nécessaire pour le glissement des tissus et des fibres, donnant au blindage des capacités supérieures d’absorption d’énergie.
Le cloutage est par exemple réalisé à l’aide d’un outil de perforation ayant une tête de perforation et un corps creux, comme par exemple une aiguille à corps creux ou une canule. Selon un mode de réalisation de l’invention, les clous sont insérés à travers le matériau d’âme 30 avant de poser les peaux de surface supérieure et inférieure. Dans ce mode de réalisation l’outil perfore dans son épaisseur le matériau d’âme 30 en cours de réalisation et les clous préalablement insérés dans la cavité creuse du corps de l’outil restent en position lors du retrait de l’outil. Les clous, une fois dans le matériau d’âme 30, sont le cas échéant arasés s’ils dépassent des surfaces supérieure et inférieure. Les clous peuvent êtres insérés également par d’autres techniques de cloutage de composites connues de l’homme du métier.
Selon un autre mode de réalisation de la fabrication du blindage 100, le cloutage est réalisé similairement en traversant les peaux de surface supérieure et inférieure 60, 70 et l’ensemble du matériau d’âme 30. Dans ce mode de réalisation il est avantageux de mettre en oeuvre une barrière pour la fuite de la résine depuis les peaux de surface supérieure et inférieure 60, 70 vers le matériau d’âme 30. Dans ce mode de réalisation, le procédé de fabrication comporte une étape de pose sur chaque peau de surface supérieure et inférieure ou sur les surfaces du matériau d’âme 30, d’un film adhésif 50, 50’ entre chaque peau et le matériau d’âme 30, formant une barrière pour la fuite de la résine des peaux lors de l’étape de polymérisation complète.
La barrière pour la fuite est souhaitée pour empêcher la résine des peaux de surface supérieure et inférieure 60, 70 en composites de couler, dans Γ espace laissé par l’outil de perforation autour des clous, vers les tissus secs 10 lors de la polymérisation par cuisson. Un tel espace est dû aux orifices de diamètre légèrement plus grand formés par l’outil de perforation que le diamètre des clous traversant les peaux. La barrière pour la fuite de la résine permet ainsi aux tissus secs 10 de rester secs de résine et de conserver leurs capacités de glissement et de déformation exploitées dans le blindage 100 comme mécanisme d’absorption d’énergie. Cette barrière pour la fuite de la résine peut correspondre au film adhésif 50, 50’ ou à un matériau additionnel ayant cette fonction. D’autre part, le film adhésif 50, 50’ peut être utilisé en tant que barrière pour la fuite de la résine et pour coller les peaux de surface supérieure et inférieure 60, 70 sur le matériau d’âme 30.
Par ailleurs, sauf dans les cas d’une peau de surface correspondant à un élément structural de l’aéronef, il ne sera pas recherché un état de santé de matière avancé. Au contraire, il sera recherché à l’issue de l’étape de polymérisation complète des peaux en composite un taux d’imprégnation des fibres inférieur aux taux des pièces structurelles, générant ainsi une porosité du matériau par un écoulement de la résine d’imprégnation des fibres des peaux lors de la polymérisation terminale.
L’écoulement recherché de résine vers des tissus de drainage lors de la fabrication permet l’obtention d’un gradient de concentration de résine dans la peau de surface supérieure 60, l’imprégnation de la peau étant moins concentrée en résine dans sa partie extérieure conserve une souplesse qui favorise sa déformation et le transfère d’énergie vers le matériau d’âme renforcée en cas d’impact.
Le blindage selon l’invention permet de protéger un aéronef contre des impacts mécaniques de faible ou moyenne énergie comme la collision d’un oiseau, l’impact de débris de piste ou d’hélice, l’impact de grêlons et d’autres impacts avec des objets portant une énergie similaire.
Le blindage réalisé selon l’invention représente une solution efficace et avantageusement légère en comparaison à un blindage réalisé en métal. Le blindage de l’invention peut être mis en place sur des structures existantes déjà conçues. Il est également possible d’intégrer le blindage à des pièces structurelles de l’aéronef et ainsi de réduire le temps d’installation et le nombre des pièces à assembler.
Le blindage selon l’invention pourra être mis en oeuvre sous la forme des panneaux de fuselage, des structures caissonnées, des zones de bord d’attaque ou de fuites, ou d’autres pièces structurelles. Le blindage selon l’invention pourra être utilisé dans des structures autres que les aéronefs, avantageusement pour toutes les structures qui requièrent un bon rapport entre le poids de la pièce et la protection contre des impacts de faible ou moyenne énergie, notamment avec des objets projetés en dynamique rapide.

Claims (20)

  1. REVENDICATIONS
    1. Un blindage(100) pour structures comprenant :
    -au moins une peau de surface supérieure (60) et une peau de surface inférieure (70) sensiblement parallèle à la peau de surface supérieure (60)
    -un matériau d’âme renforcée (30) positionné entre les peaux de surfaces supérieure et inférieure (60), (70) et résultant d’un empilement d’au moins deux couches successives et adjacentes de tissus secs (10),
    -une pluralité de clous (40) réalisés en matériaux rigides traversant l’épaisseur du matériau d’âme (30) et formant des liaisons de renfort entre les peaux de surface supérieure et inférieure (60), (70), caractérisé en ce que :
    les clous traversent chaque couche de tissus secs (10) sans adhérer aux dits tissus secs de sorte que les dites couches de tissus secs soient en mesure de glisser entre elles suivant des directions sensiblement parallèles aux peaux de surface supérieure et inférieure.
  2. 2. Blindage selon la revendication 1 dans lequel le matériau d’âme (30) comporte un empilement successif d’au moins deux couches de tissus secs (10) intercalées avec un matériau cellulaire (20).
  3. 3. Blindage selon l’une des revendications précédentes dans lequel les clous (40) traversent également dans son épaisseur la peau de surface supérieure (60) et/ou la peau de surface inférieure (70).
  4. 4. Blindage selon l’une des revendications précédentes dans lequel le matériau et les dimensions des clous (40) sont déterminés pour permettre leur rupture et/ou déformation par les tissus secs (10) lors du glissement et déformation des tissus secs.
  5. 5. Blindage selon l’une des revendications précédentes dans lequel les clous (40) sont positionnés avec des angles d’inclinaison comprises entre +60° et 60°, par rapport à une perpendiculaire locale à la surface de la peau de surface inférieure (60) et ou supérieure (70), et de préférence inclinés à +45° ou -45°.
  6. 6. Blindage selon l’une des revendications précédentes dans lequel les clous (40) sont agencés suivant au moins deux directions principales différentes.
  7. 7. Blindage selon l’une des revendications précédentes dans lequel les clous (40) sont agencés en lignes formant des rangées parallèles, les clous d’une rangée ayant des inclinaisons différentes de celles d’une rangée adjacente.
  8. 8. Blindage selon l’une des revendications précédentes dans lequel le matériau dans lequel est réalisé un clou (40) est choisi parmi un un carbone, un titane, un polymère, une céramique, un bore, un carbure de silicium, un verre ou un métaux ou un mélange de ces composés.
  9. 9. Blindage selon l’une des revendications précédentes dans lequel les tissus secs (10) comprennent des textiles unidirectionnels et/ou tissés en 2 dimensions et/ou tissés en 3 dimensions de fibres choisies parmi le groupe comprenant verre S2, aramide, carbone, PBO, polyéthylène, polyamide et/ou des combinaisons de ces fibres.
  10. 10. Blindage selon l’une des revendications 2 à 9 dans lequel le matériau cellulaire (20) est formé principalement avec une mousse en polyméthacrylamide et/ou en polyuréthane et/ou en autre matériau présentant des caractéristiques similaires de compressibilité et densité.
  11. 11. Blindage selon l’une des revendications précédentes comprenant un film adhésif 50, 50’ positionné à l’interface des peaux de surface supérieure et inférieure (60), (70) avec le matériau d’âme (30).
  12. 12. Blindage selon l’une des revendications précédentes dans lequel une barrière pour la fuite de résine est positionnée sur la ou les surfaces supérieure et inférieure du matériau d’âme (30).
  13. 13. Blindage selon l’une des revendications précédentes dans lequel les peaux de surface supérieure et inférieure (60), (70) sont formées en matériau composite comportant des fibres de carbone et/ou aramide, fibres de verre et/ou céramique maintenues dans une matrice de résine organique thermodurcissable ou thermoplastique et/ou une ou plusieurs peaux métalliques.
  14. 14. Procédé de fabrication d’un blindage selon l’une de revendications précédentes comprenant les étapes de :
    a) préparation du matériau d’âme (30) par empilement des couches de tissus secs (10), le cas échéant avec interposition de matériau cellulaire (20) ;
    b) cloutage de l’ensemble avec des clous (40) réalisés en matériau rigide;
    c) préparation des peaux de surface supérieure et/ ou inférieure (60), (70)
    d) positionnement des peaux de surface supérieure et inférieure (60), (70) du matériau d’âme (30) ;
    e) assemblage des peaux de surface supérieure et inférieure (60), (70) avec le matériau d’âme (30).
  15. 15. Procédé de fabrication du blindage selon la revendication 14 selon lequel l’étape b) de cloutage est réalisé après l’étape d) de positionnement des peaux en traversant les peaux de surface supérieure et inférieure (60), (70) et l’ensemble du matériau d’âme (30).
  16. 16. Procédé de fabrication d’un blindage selon la revendication 14 ou 15 dans lequel les peaux de surface supérieure et/ou inférieure sont préalablement polymérisées, au moins partiellement, avant l’étape d) de positionnement desdites peaux sur le matériau d’âme (30).
  17. 17. Procédé de fabrication d’un blindage selon l’une des revendications 14 à 16 comprenant une étape de polymérisation complète des peaux de surface supérieur et/ou inférieure (60), (70) pendant l’étape e) d’assemblage desdites peaux sur le matériau d’âme (30).
  18. 18. Procédé de fabrication d’un blindage selon la revendication 17 comportant une étape de pose sur chaque peau d’un film adhésif 50, 50’ entre chaque peau et le matériau d’âme (30), formant barrière pour la fuite de la résine des peaux lors de l’étape de polymérisation complète.
  19. 19. Aéronef comprenant un matériau de blindage selon l’une des revendications 1 à 13 installé de manière intégrale, un panneau de la structure dudit aéronef étant également une peau de surface supérieure ou une peau de surface inférieure du blindage.
  20. 20. Aéronef comprenant un matériau de blindage selon l’une des revendications 1 à 13 fixé à distance du fuselage.
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