WO1997044181A1 - Equipement tubulaire en materiaux composites realises par enroulement de tissus desequilibres en trame sur un mandrin compressible - Google Patents

Equipement tubulaire en materiaux composites realises par enroulement de tissus desequilibres en trame sur un mandrin compressible Download PDF

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    • B29L2023/22—Tubes or pipes, i.e. rigid

Definitions

  • Equipment such as piles and masts, must not only have good breaking characteristics, but also have good rigidity under the effects of a bending movement.
  • the composite structure must take full advantage, on the one hand of the tensile and compressive strength of the fibers, and on the other hand, of the flexural modulus of the reinforcing fibers.
  • the part main of these is placed 2 ⁇ along the axis of the stake or mast
  • the elongated structures such as pious masts, beams are produced by winding, preferably helically, of glass fabrics impregnated with thermosetting resin, such as epoxide, polyester, vinylester
  • these fabrics are imbalanced in the weft, that is to say, have a 2 ⁇ higher percentage of yarn in the weft than in the warp, moreover, their weaving admits an angular deformation which allows, according to the invention , to place the weft threads parallel to the axis xx 'of the structure
  • the tube is therefore produced by helical winding of a glass fabric imbalance c / t with c ⁇ t
  • c indicates the percentage of fiber placed in warp and t the percentage of fiber placed in weft
  • this modulating rate allows, depending on the diameter / thickness ratio, to ensure good resistance to radial buckling
  • the tube consists of successive layers produced by helical winding - back and forth -.
  • the helical winding is preferably made by biasing the fabric at an angle ⁇ (fig. 1) so that the weft (1) is parallel to the longitudinal axis of the tube, the warp (2) having an angle ⁇ with respect to the circumferential plane (3), this arrangement improves the flexural modulus.
  • the winding of each layer is preferably made by partial covering (6) of successive turns (4) (5) (fig. 2)
  • the width of the offset I between two successive turns is such as
  • the helical winding is made either with contiguous strips (7) (f ⁇ g.3), or with alternating strips (fig. 4).
  • the strips (8) and (9) are placed on the 1st outward journey. This latter type of winding improves the resistance to inter-laminar shear forces.
  • the successive layers will preferably be offset to reduce the discontinuity effect caused by the strips.
  • the implantation of each layer is offset by a space of width K such that
  • the tapes (14) (15) (16) are the first tapes and the tapes (17) (18) (19) are the second tapes
  • the fabric preferentially used is a glass fiber fabric, we can , without departing from the invention, use fabrics made of carbon, aramid, high-resistance polyethylene On
  • SUBSTITUTE SHEET (RULE 26) can also use hybrid fabrics (ex: glass + carbon).
  • the fabrics used can be pre-impregnated with thermosetting resin.
  • the fabrics used can be pre-impregnated with thermoplastic resin.
  • the fabrics can be wound at the same time as a thermoplastic film and impregnated by compression compression.
  • a regular layer of compressible materials is placed on the mandrel, then the glass cloth is wound on this compressible mandrel.
  • the compressibility characteristics of the material will be such that its deformability will remain low under the limited effort of winding the fabric and will absorb the constriction of the composite structure by transmitting to the mandrel only a slight clamping effort, facilitating also the mandrel according to the invention, the chosen material will have a low coefficient of friction.
  • the material is preferably a closed cell polyethylene foam with an icy skin.
  • the foam in order to facilitate the mandrel and the internal surface condition of the tube, the foam will be coated with a film of terphane.
  • tubes of oblong shape will be produced (fig. 6).
  • This type of tube can be applied for example to the production of a wave breaker.
  • the tube can be a sandwich tube (fig. 7) constituted by two concentric tubes (20,21) produced according to the invention and separated by a wall (22) made of rigid material in compression such as: rigid foam, honeycomb, balsa ...
  • This solution makes it possible to lighten the tubes and improve rigidity.
  • to improve the rigidity in the event of bending stress according to inner tube may be cylindrical and the outer tube oblong

Abstract

Tubes, pieux, mâts en matériaux composites soumis à des efforts de compression axiale ou de flexion, réalisés par enroulement adapté de tissus déséquilibrés en trame, telle que la partie principale de fibres de renforcement, sont placés parallèlement à l'axe longitudinal de la structure. Les tubes, pieux et mâts sont réalisés par enroulement sur un mandrin compressible, pour assurer le démandrinage sans contraindre, ni microfissurer les tubes.

Description

EQUIPEMENT TUBULAIRE EN MATERIAUX COMPOSITES
REALISES PAR ENROULEMENT DE TISSUS
DESEQUILIBRES EN TRAME SUR UN MANDRIN COMPRESSIBLE
i De nombreux équipements, en particulier des pieux et des mâts, sont réalises en acier et présentent, de ce fait, des inconvénients, tels que a) leur masse élevée et dans certains cas des difficultés logistiques de mise en place b) leur sensibilité à la corrosion qu'elle soit aérienne, aquatique ou terrestre c) leur coût d'entretien lo Pour repondre, en particulier a ces inconvénients, de tels équipements ont ete réalises en aluminium ou en matériaux composites Dans le cas de ces équipements en matériaux composites, la technique généralement utilisée est celle de l'enroulement filamentaire de rowing
Les équipements, tels que les pieux et les mâts, doivent avoir non seulement de l ^ bonnes caractéristiques a la rupture, mais aussi présenter une bonne rigidité sous les effets d'un mouvement fléchissant
Pour cela, il faut que la structure composite profite pleinement, d'une part de la résistance a la rupture en traction et en compression des fibres, et d'autre part, du module de flexion des fibres renforçatπces Ainsi, tl faut que la partie principale de celles-ci soit placée 2<ι selon l'axe du pieu ou du mât
Selon l'invention, les structures allongées, telles que des mâts pieux, des poutres sont réalisées par enroulement, preferentiellement hélicoïdal, de tissus de verre imprègnes de résine thermodurcissable, telle que epoxyde, polyester, vinylester
Selon l'invention, ces tissus sont déséquilibres en trame, c'est a dire, ont un 2^ pourcentage plus important de fil en trame qu'en chaîne , de plus, leur tissage admet une déformabihte angulaire qui permet, selon l'invention, de placer les fils de trame parallèlement a l'axe x x' de la structure
L'originalité de la conception de ces tubes composites a haute tenue a la flexion objet de la présente invention, ressortira de sa description et de la |ustιfιcatιon technique "o correspondante
Selon l'invention, on réalise donc le tube par enroulement hélicoïdal d'un tissu de verre déséquilibre c/t avec c<t Conformément aux habitudes, c indique le pourcentage de fibre placées en chaîne et t le pourcentage de fibre placée en trame On prendra preferentiellement c compris entre 10 et 25 % et t entre 90 et 75 % , cette modulante du taux permet, en fonction du rapport diamètre/épaisseur, d'assurer une bonne tenue au flambage radial
Selon l'invention, le tube est constitué de couches successives réalisées par enroulement hélicoïdal - aller et retour -. L'enroulement hélicoïdal se fait à l'aller avec un angle de β 1 = (90°- α) par rapport à l'axe longitudinal et au retour avec un angle de β2 = (90° + α).
Selon l'invention, l'enroulement hélicoïdal est fait preferentiellement en biaisant le tissu d'un angle α (fig.1) de telle façon que la trame (1) soit parallèle à l'axe longitudinal du tube, la chaîne (2) présentant un angle α par rapport au plan circonférentiel (3), cette disposition améliore le module de flexion.
Selon l'invention, l'enroulement de chaque couche est fait preferentiellement par recouvrement partiel (6) des spires successives (4)(5) (fig.2) Pour éviter les surépaisseurs locales, la largeur du décalage I entre deux spires successives est telle que
L n avec L largeur de la nappe et n un nombre entier >1
Sans sortir de l'invention, l'enroulement hélicoïdal est fait soit avec des lés jointives (7) (fιg.3), soit avec des lés alternées (fig.4). Les lés (8) et (9) sont placés lors du 1er aller Les lés (10) et (1 1) lors du 1 er retour , les lés (12) et (13) lors du 2ème aller. Ce dernier type d'enroulement améliore la tenue aux efforts de cisaillement inter laminaire.
Selon l'invention, dans le cas d'un enroulement à spires jointives, les couches successives seront preferentiellement décalées pour diminuer l'effet de discontinuité provoqué par les lés. Par exemple, dans le cas d'un enroulement hélicoïdal à lés jointives de largeur L et de nombre de couches q, l'implantation de chaque couche (aller + retour) est décalée d'un espace de largeur K tel que
L K = ~ m avec m entier >1 et si possible avec
m ≈ 3 r r étant un entier (fig.5).
Les lés (14) (15) (16) sont les lés du 1er aller et les lés (17) (18) (19) sont les lés du 2ème aller Si le tissu preferentiellement utilisé est un tissu en fil de verre, on peut, sans sortir de l'invention, utiliser des tissus en carbone, aramide, polyéthylène haute résistance On
FEUILLE DE REMPLACEMENT (RÈGLE 26) peut aussi utiliser des tissus hybrides (ex : verre + carbone).
Sans sortir de l'invention, les tissus utilisés peuvent être préimprégnés de résine thermodurcissable.
Sans sortir de l'invention, les tissus utilisés peuvent être préimprégnés de résine thermoplastique.
Sans sortir de l'invention, les tissus peuvent être enroulés en même temps qu'un film thermoplastique et imprégné par fusion compression.
Dans le cas, où l'on réalise des équipements tels que des pieux ou des mâts de fortes épaisseurs, comportant des parties cylindriques et présentant un déséquilibre de renfort de fibres selon l'axe x x' de l'équipement, on constate, après polymérisation, des forces de serrage importantes de la structure composite sur le mandrin ; ce phénomène peut rendre difficile ou empêcher le démandrinage et créer des micro ruptures dans la structure.
Pour éviter ces inconvénients majeurs, selon l'invention, on place sur le mandrin une couche régulière de matériaux compressibles, puis on enroule le tissu de verre sur ce mandrin compressible.
Selon l'invention, les caractéristiques de compressibilité du matériau seront telles que sa déformabilité restera faible sous l'effort limité d'enroulement du tissu et absorbera le rétreint de la structure composite en ne transmettant au mandrin qu'un faible effort de serrage, facilitant aussi le démandrinage Selon l'invention, le matériau choisi aura un coefficient de frottement faible.
Selon l'invention, le matériau est preferentiellement une mousse de polyéthylene à cellule fermée avec une peau glacée.
Sans sortir de l'invention, on pourra utiliser un autre matériau présentant les caractéristiques ci-dessus, par exemple des mousses de polyuréthanne souples. Selon l'invention, afin de faciliter le démandrinage et l'état de surface interne du tube, on revêtira la mousse d'un film de terphane.
Dans le cas où les efforts de flexion seraient préférentiels selon une direction radiale privilégiée, selon l'invention on réalisera des tubes de forme oblong (fig.6). Ce type de tube peut s'appliquer par exemple à la réalisation de brise vague. Sans sortir de l'invention, le tube peut être un tube sandwich (fig .7) constitué par deux tubes concentriques (20,21 ) réalisés selon l'invention et séparés par une paroi (22) en matériau rigide en compression tel que : mousse rigide, nid d'abeille, balsa ... Cette solution permet d'alléger les tubes et d'améliorer la rigidité. Sans sortir de l'invention, pour améliorer la rigidité en cas d'effort de flexion selon tube intérieur pourra être cylindrique et le tube extérieur oblong

Claims

REVENDICATIONS
1 - Tube en matériaux composite caractérisé en ce qu'il est réalise par enroulement hélicoïdal de tissu déséquilibre en trame, par rapport a la chaîne
2 - Tube selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il estréahse en biaisant le tissu d'un angle égal à l'angle d'enroulement hélicoïdal
3 - Tube selon l'une ou plusieurs des revendications 1 et 2, caractérise en ce que l'enroulement hélicoïdal du tube est réalisé par recouvrement partiel des spires successives
4 - Tube selon l'une ou plusieurs des revendications 1 et 2, caractérise en ce que les les sont jointives ou alternées et dont les couches successives sont décalées pour équilibrer les discontinuités dues aux lés
5 - Tube selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le tissu utilise est composé de fibres monotype ou hybride
6 - Tube selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérise en ce que son profil est cylindrique ou oblong
7 - Tube selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérise en ce que sa structure est mono paroi
8 - Tube selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que sa structure est sandwich, avec une matière résistante en compression comprise entre les deux tubes
9 - Tube selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que son mandrin d'enroulement est revêtu d'une couche de matériau compressible
10 - Tube selon la revendications 9, caractérise en ce que le matériau compressible est une mousse de polyéthylène à cellule fermée
FEUILLE DE REMPLACEMENT (RÈGLE 26)
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