WO2011064263A2 - Élément structural composite à transmission électrique de puissance intégrée - Google Patents

Élément structural composite à transmission électrique de puissance intégrée Download PDF

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WO2011064263A2
WO2011064263A2 PCT/EP2010/068145 EP2010068145W WO2011064263A2 WO 2011064263 A2 WO2011064263 A2 WO 2011064263A2 EP 2010068145 W EP2010068145 W EP 2010068145W WO 2011064263 A2 WO2011064263 A2 WO 2011064263A2
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structural
profile
section
cores
core
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Jesus Aspas Puertolas
Nicolas Maisonnave
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European Aeronautic Defence And Space Company Eads France
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    • H02G3/36—Installations of cables or lines in walls, floors or ceilings
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64C—AEROPLANES; HELICOPTERS
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    • B64C1/064—Stringers; Longerons
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
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    • H02G3/386—Installations of cables or lines in walls, floors or ceilings the cables or lines being installed in preestablished conduits or ducts in walls

Definitions

  • the present invention relates to a laminated composite material element, more particularly intended to enter into the constitution of an aircraft structure.
  • the invention is more particularly in the field of the installation of a power distribution network in an aircraft.
  • the working structures of aircraft are generally manufactured based on structural elements made of fibrous reinforcement composite materials, constituting, for example, fuselage sections.
  • the combined properties of lightness and mechanical strength of these elements make it possible to manufacture working structures that are lighter than using conventional materials, but of equivalent mechanical strength, and thus to manufacture an aircraft that consumes less energy and that is capable of to carry a larger payload.
  • the manufacture of working structures requires a step of dimensioning the structural elements in which the stresses to which the various structures will be subjected (mechanical, thermal, etc.) are identified, and the characteristics of the composites composing them are determined.
  • An aircraft generally comprises several types of systems such as electrical / electronic systems, such as avionics, or the power distribution network.
  • the power distribution network is generally located under the floor structure, between the vertical floor connecting rods and the fuselage, in a reduced space.
  • This network is complex and requires the deployment of a plurality of bundles of cables which are generally held by supports fixed on working structures. These bundles of cables are exposed to possible sources of damage.
  • the present invention aims at proposing a solution to ensure the deployment of a power distribution network which makes it possible both to obtain a gain in mass for the aircraft and to protect the power distribution network from the sources of damage. .
  • the invention also aims that installation operations of the power distribution network at the structure level are simple and quick to implement.
  • the present invention relates to a structural element intended to enter into the constitution of a structure, for example a fuselage or more particularly an aircraft floor, to jointly strengthen said structure and to carry electric power.
  • the structural element is made of laminated composite material and comprises, in a thickness of the lamination, a core consisting of an electrically conductive material covered with a casing of electrically insulating material.
  • laminated composite material is meant a stack of folds of reinforcing fibers embedded in a polymerizable resin.
  • the nucleus has a dual role: a role of electric power transport and a structural role.
  • the electrically conductive material constituting the core is advantageously a metallic material, for example aluminum.
  • the core has a dimension, width and thickness, less than one dimension, width and thickness, of the structural member. It has a cross section adapted to transport electric power. The cross section of the nucleus is determined according to the intensity of a current to pass through it so as not to heat the envelope covering the core.
  • the structural element comprises, around the core and its envelope, a stack of plies based on fibers impregnated with an electrically insulating resin.
  • the fibers are, for example, carbon fibers.
  • This stack of folds said structural, provides a high mechanical rigidity surrounding the core and its envelope. Stacking contributes mainly to the structural strength of the element.
  • the insulating envelope is composed of a stack of plies based on fibers impregnated with an electrically insulating resin.
  • the fibers are electrically insulating and may be both inorganic, such as glass fibers, and organic, such as aramid fibers.
  • the matrix resin of the envelope is preferably compatible with the resin of the stack of structural folds, preferably it is the same resin.
  • the resin is for example epoxy resin.
  • the envelope in addition to electrically isolating the core, contributes to the structural contribution of the element.
  • the core is advantageously protected, on the one hand electrically by the envelope and on the other hand by the envelope-stack assembly of structural folds, said assembly having a high mechanical rigidity.
  • the number and the nature of the structural folds are determined, according to calculations within the competence of those skilled in the art, so as to confer on the structural element the structural properties required to participate in the stiffening of the structure on which is fixed said element. These calculations take into account the fact that the envelope and the core advantageously contribute to the mechanical performance of the structural element. Taking into account the contributions of the envelope and the core thus makes it possible not to oversize the number of structural folds and consequently the final structural element.
  • the structural assembly is fixed to the structure by any means, in particular by screwing, gluing or riveting.
  • said element is in the form of an elongate profile, that is to say having a length that is large compared to its transverse dimensions.
  • the profile may have different cross-sectional shapes, in particular a closed cross section, for example of triangular cross section or an open cross section, for example an I-shaped cross section.
  • the profile may be for example a rail or a false rail of an aircraft floor.
  • the core extends over all or part of the length of said profile. Thus, it is possible to circulate current over a large length in the aircraft, without the use of cable bundles.
  • the core may take the form of an insert, in the form of a plate, or a braid.
  • the structural section comprises three cores.
  • the barycentres of the three cores are arranged, in a cross section of the section, at the vertices of an equilateral triangle. This configuration thus allows the passage of a three-phase current, each core being connected to a phase of a three-phase network.
  • the cores are for example arranged at the sides of the profile, one core per side.
  • the section comprising a sole connected to a head by a core substantially perpendicular to said flanges and webs, the cores are for example arranged, one in the core and two in the head.
  • the three cores are each in an independent insulating envelope. In another embodiment of the profile, the three cores are in the same envelope.
  • the cross section of the profile is preferably closed.
  • the envelope grouping the three cores forms an insulating layer in the thickness of the lamination and is located between two layers, called structural, each formed by a stack of structural folds.
  • the structural section comprises electrical connection means electrically connected to the cores. These connection means are for example distributed along the profile or at the longitudinal ends of said profile.
  • connection means said electrical connection means are conductive inserts opening on one side of the profile.
  • the profile thus obtained by the invention advantageously comprises a power distribution network while participating in the stiffening of the structure of which it is an integral part.
  • a structure incorporating such a profile has a saving in weight and a smaller footprint compared to the structures of the prior art equipped with a conventional power distribution network.
  • the cores are furthermore advantageously protected in the thickness of the profile. It follows from all these advantageous features a reduction in the manufacturing costs of the structures thus formed compared to the solutions of the prior art.
  • FIGS. 1 to 9 represent:
  • Figure 1 is a perspective view of an example of a first embodiment of a structural section according to the invention
  • Figure 7 a perspective view of an example of a second mode of the structural section
  • Figure 8 a cross section of another example of the second embodiment of the structural section
  • Figure 9 a cross section of another example of the second embodiment of the structural section.
  • the structural section 1, as illustrated in Figures 1 to 9, is intended to be fixed on a structure 5, in particular an aircraft structure.
  • the profile is a rail or a false rail of an aircraft floor.
  • the structural section 1 is advantageously made of laminated composite material, it has an elongate shape and comprises, in a thickness of the lamination, three cores 131 made of an electrically conductive material, for the transport of electrical power. Each core 131 extends over all or part of the length of the structural section.
  • the structural section is advantageously designed for the passage of a three-phase current, each core being connected to a phase of a three-phase network.
  • the three cores are then regularly distributed in a cross section of the structural section 1, so as to obtain a balanced three-phase network.
  • the three nuclei are arranged so that their geometric centroids form the three vertices of an equilateral triangle. Thus, the geometric symmetry between the three phases is maintained and the three-phase network is balanced.
  • the three nuclei, as distributed and isolated, constitute the three phases of a three-phase system of electric power transmission.
  • Each core 131 has a particular cross section determined by calculations within the reach of the skilled person, depending on the intensity of the current to transit.
  • the table below illustrates maximum intensity values that can pass through a kernel depending on the cross-section of the kernel.
  • the maximum allowable current density is defined by the maximum allowable temperature increase in the materials surrounding the core.
  • the core 131 is preferably formed of a material having a good conductivity / density ratio, such as a metal, for example aluminum.
  • the core 131 is a conductive insert, for example of trapezoidal cross-section, as illustrated in FIG. 1, or of rectangular cross section, as illustrated in FIG.
  • the core 131 is a conductive braid.
  • the profile 1 is fixed to the structure by any conventional means, especially by gluing, screwing, clipping or riveting, since the fixing operations do not damage the electrically conductive cores.
  • said profile comprises a fiber-based structural layer 11, inside which are disposed the three cores 131, each covered with an envelope made of electrically insulating material, said insulating envelope 13.
  • the structural section has an open cross section.
  • the embodiment of this second embodiment is described in the case of an I-shaped cross section, without this choice being limiting of the invention.
  • the structural section 1 comprises a head 101 and a sole 103 connected to each other by a core 102 substantially perpendicular to the sole 103 and to the head 101.
  • the structural section 1 is fixed to the structure 5 at the level of the sole
  • a core 131 is disposed in the core 102 of the structural section, and two cores 131 are arranged in the head 101 of the section, one on each side of the core 102. .
  • the structural section 1 has a local extra thickness at the nuclei 131, overthickness related to the introduction of cores, and associated insulating envelopes, within the structural layer 1 1.
  • the insulating envelope 13 comprises a stack of folds formed of fibers embedded in an electrically insulating resin.
  • the fibers are electrically insulating and can be of any type, for example glass or aramid.
  • the envelope also provides a clean mechanical strength which contributes to the structural strength of the structural section 1.
  • the characteristics of the structural layer 11 are determined, by calculation according to the known design methods, from the stresses to which the profile must be subjected.
  • the characteristics of the structural layer 11 are determined by considering the contributions to the structural strength of the insulating shells 13 and the cores 131. Taking into account the contribution of the insulating casings 13 and the cores 131 thus makes it possible not to oversize the structural layer 1 1 and the final section.
  • the structural layer 11 comprises a superposition of folds formed of fibers impregnated with an electrically insulating matrix resin.
  • the fibers may be oriented unidirectionally and / or woven or braided. It is preferably carbon fibers, which in particular have the advantage of good mechanical strength combined with great lightness.
  • the resin used to form this layer may be of any type, both thermosetting and thermoplastic.
  • the matrix resin in this structural layer 1 1 is preferably compatible with the resin used in the constitution of the insulating envelopes 13, advantageously it is the same resin.
  • the determination of the number of folds and orientations of the fibers in the successive folds, the insulating envelopes 13 and the structural layer 11, uses calculation techniques known to those skilled in the art.
  • the present invention is not limited to an I-shaped cross-section profile.
  • Other cross-sections can be realized as long as the condition according to which the centroids of the cores form the three vertices of an equilateral triangle is respected.
  • the structural section 1 has a C-shaped cross section.
  • the profile comprises a head 101 connected to a sole 103 by a core 102, each having a core 131.
  • the profile 1 has a T-shaped cross section.
  • the profile comprises a soleplate 103 and a core 102 that is substantially perpendicular to the soleplate 103.
  • the core 102 comprises a core 131 and the soleplate 103 comprises a core 131 on either side of the core 102.
  • the profile 1 has a Y-shaped cross-section.
  • the profile 1 comprises a head 101 connected to two soles 103 by two webs 102.
  • the head 101 and the two webs 102 comprise each a core 131.
  • the section 1 further comprises, at the intersection of the two webs 102 and the head 101 a core 19 of elongate shape, preferably but not limited to circular cross section.
  • This core 19 is able to provide an electrical reference, for example a neutral. It also contributes to the mechanical characteristics of the profile.
  • the profile 1 has an omega-shaped cross section.
  • the profile 1 comprises a head 101 which is connected by two webs 102 respectively to two flanges 103.
  • the head 101 and the two webs 102 each comprise a core 131.
  • This first embodiment of the present invention is also not limited to an open cross-sectional profile.
  • This first embodiment can also be realized for closed cross section profiles, such as for example a triangular or circular cross section. Those skilled in the art are able to adapt the invention to undescribed cross-sections.
  • said structural section 1 made of stratified composite material, comprises, in its thickness, a set of superimposed layers.
  • the profile 1 is of substantially constant thickness.
  • the profile has a closed cross section.
  • this first embodiment is described in the case of a substantially triangular hollow cross section without this choice being limiting of the invention.
  • the cross section has a rounded contour.
  • the structural section 1 comprises, at a first face, said outer face 18, a first structural layer January 1 and at a second face, said inner face 19, a second structural layer 12.
  • the two structural layers 1 1, 12 comprise a fold or a stack of plies formed of fibers impregnated with an electrically insulating matrix resin.
  • the fibers can be oriented from unidirectional way and / or woven or braided. It is preferably carbon fibers, which in particular have the advantage of good mechanical strength combined with great lightness.
  • the resin used to form this layer may be of any type, both thermosetting and thermoplastic.
  • the two structural layers 1 1, 12 are of the same nature.
  • the profile 1 comprises, between the two structural layers 1 1, 12, a layer with electrically insulating properties, said insulating layer 13.
  • Said insulating layer is preferably a structural layer comprising a stack of plies formed of fibers impregnated with an electrically resin insulating. These fibers are electrically insulating and can be of any type, for example glass or aramid.
  • the matrix resin in this insulating layer 13 is preferably compatible with the resin used in the constitution of the structural layers 11, 12, advantageously it is the same resin.
  • the insulating layer 13 comprises the three cores 131 distributed, according to the cross section of the profile, so as to maintain symmetry between the three phases and obtain a balanced three-phase network.
  • said insulating layer is of constant thickness.
  • the characteristics of the structural layers are determined, by calculations according to the known design methods, from the stresses to which the profile must be subjected.
  • the structural layers 1 1, 12 are determined by considering contributions to the structural strength of the insulating layer
  • Figures 7 and 8 illustrate two examples of distribution of the cores on the triangular sectional section.
  • Figure 7 illustrates a distribution of the cores 131 substantially at the sides of the profile, one core per side.
  • Figure 8 illustrates a distribution of the cores 131 substantially at the blunt angles of the profile, a core by angle.
  • said profile comprises, between the two structural layers 1 1, 12, two insulating layers 13, 14, each comprising three cores 131, 141.
  • the two insulating layers 13, 14 are preferably separated by a continuous conductive layer 15.
  • the two insulating layers 13, 14 are preferably of the same kind, preferably a structural layer based on glass fibers or aramid.
  • This variant embodiment is particularly advantageous for the current transport of a three-phase network, where two cores 131, 141, one core per insulating layer, are connected to a same phase.
  • the two nuclei 131, 141 linked to one and the same phase are preferably each placed in an insulating layer, opposite one another, as illustrated in FIG.
  • the cores 131, 141 of the two layers are offset relative to each other, as shown in FIG. 9, so as to minimize electromagnetic interference between said cores.
  • the exemplary embodiment is described for two cores 131, 141 connected to the same phase. But the invention is applicable for a phase connected to one, three or more cores, by adapting the number of insulating layers.
  • the conductive continuous layer 15 between two insulating layers 13, 14 is preferably, but not exclusively, in the form of a metal foil, for example aluminum or copper.
  • This continuous layer advantageously provides electrical shielding between the cores 131, 141 of each insulating layer. Due to its metallic and continuous nature, it also participates in a substantially homogeneous manner with the characteristics of the profile 1. It is also able to provide an electrical reference, for example a neutral.
  • This second embodiment of the invention is not limited to a section of triangular cross section.
  • Other cross sections for example a circular section, may be used.
  • This second embodiment of the invention is also not limited to a section of closed cross section.
  • the invention can also be used for open cross-sections, such as, for example, an I, J, cross section.
  • open cross-sections such as, for example, an I, J, cross section.
  • Those skilled in the art are able to adapt the invention to undescribed cross-sections as soon as possible. when the condition according to which the centroids of the nuclei form the three vertices of an equilateral triangle is respected.
  • the structural section 1 because of the presence of the nuclei 131, 141 integrated in its thickness, is adapted to conduct significant electrical currents from one end to the other of each core.
  • the structural section 1 comprises electrical connection means 2 connected to the cores 131, 141 distributed in the vicinity of the longitudinal ends 16, 17 of said section 1, and along the profile.
  • connection means 2 can be of several forms, an embodiment of which is illustrated in FIG. 7.
  • said means are internal connectors, for example metallized holes or inserts, which open on the outer face 18 of the profile 1, in the vicinity of the longitudinal ends 16, 17 of the profile, as well as along the profile.
  • Metallic hole means holes whose surface receives after drilling an electrically conductive coating, for example in the form of a conductive paint.
  • Each hole is further electrically connected to a core 131, 141.
  • said means are constituted by a recess of the structural layers, and insulating layers according to the embodiment of the profile, so as to make the cores 131, 141 outcropping and expose them.
  • said means may be external connectors mounted on one of the faces 18, 19 of the profile 1, for example in the form of a multi-pin flat connector, each pin being connected to a core 131, 141, or integrated internal connectors between layers forming the profile, for a connection via an interconnection face, which may for example be a slice of the profile.
  • the electrical connection means are not limited to the means described, and other conventional connectors may also be used in the context of the invention.
  • said profile has only one core for the passage of a single-phase current.
  • the present invention therefore makes it possible to produce a profile intended to be fixed on an aircraft structure and incorporating cores participating both in the mechanical strength of said profile and in the transport of electrical power.
  • the profile according to the invention provides numerous advantages over a conventional shaped decoupled assembly / means for fixing bundles of power transmission cables, such as, for example, a gain in mass, a reduction in size, a reduction of risks. damage and wear of the cores as well as a simplified and fast implementation.

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Abstract

L'invention concerne un élément structural en matériau composite stratifié se présentant sous la forme d'un profilé allongé et comportant, dans une épaisseur de la stratification, trois noyaux constitués d'un matériau électriquement conducteur recouverts d'une enveloppe en matériau électriquement isolant. Les barycentres des trois noyaux sont disposés, selon une section transversale du profilé, aux sommets d'un triangle équilatéral.

Description

ÉLÉMENT STRUCTURAL COMPOSITE Â TRANSMISSION ÉLECTRIQUE DE PUISSANCE INTÉGRÉE
La présente invention concerne un élément en matériau composite stratifié, plus particulièrement destiné à entrer dans la constitution d'une structure d'aéronef.
L'invention s'inscrit plus particulièrement dans le domaine de l'installation d'un réseau de distribution de puissance dans un aéronef.
L'utilisation de matériaux composites est de nos jours largement répandue dans de nombreux domaines industriels, notamment dans les domaines de l'aéronautique et de l'aérospatiale. Ainsi, les structures travaillantes d'aéronefs sont généralement fabriquées à base d'éléments structuraux en matériaux composites à renfort fibreux, constituant par exemple des tronçons de fuselage. Les propriétés combinées de légèreté et de résistance mécanique de ces éléments permettent de fabriquer des structures travaillantes plus légères qu'en utilisant des matériaux conventionnels, mais de résistance mécanique équivalente, et donc de fabriquer un aéronef qui consomme moins d'énergie et qui est apte à transporter une charge utile plus importante.
La fabrication des structures travaillantes nécessite une étape de dimensionnement des éléments structuraux dans laquelle les contraintes auxquelles les différentes structures seront soumises (mécaniques, thermiques, etc.) sont identifiées, et les caractéristiques des matériaux composites qui les composent sont déterminées.
Après la fabrication des structures travaillantes, les différents systèmes que comporte l'aéronef sont installés. Un aéronef comporte en général plusieurs types de systèmes comme par exemple les systèmes électriques/électroniques, tels que l'avionique, ou encore le réseau de distribution de puissance.
Le réseau de distribution de puissance est généralement situé sous la structure plancher, entre les bielles de plancher verticales et le fuselage, dans un espace réduit.
L'installation de ce réseau est complexe et nécessite de déployer une pluralité de faisceaux de câbles qui sont généralement tenus par des supports fixés sur des structures travaillantes. Ces faisceaux de câbles y sont exposés à d'éventuelles sources d'endommagement.
La présente invention vise à proposer une solution pour assurer le déploiement d'un réseau de distribution de puissance qui permette à la fois d'obtenir un gain de masse pour l'aéronef et de protéger le réseau de distribution de puissance des sources d'endommagement.
L'invention vise également à ce que les opérations d'installation du réseau de distribution de puissance au niveau de la structure soient simples et rapides à mettre en œuvre.
La présente invention concerne un élément structural destiné à entrer dans la constitution d'une structure, par exemple un fuselage ou plus particulièrement un plancher d'aéronef, pour conjointement renforcer ladite structure et transporter une puissance électrique.
Suivant l'invention, l'élément structural est en matériau composite stratifié et comporte, dans une épaisseur de la stratification, un noyau constitué d'un matériau électriquement conducteur recouvert d'une enveloppe en matériau électriquement isolant.
Par matériau composite stratifié, on entend un empilement de plis de fibres de renfort noyés dans une résine polymérisable.
Le noyau a un double rôle : un rôle de transport de puissance électrique et un rôle structural.
Le matériau électriquement conducteur constituant le noyau est avantageusement un matériau métallique, par exemple de l'aluminium.
Le noyau présente une dimension, largeur et épaisseur, inférieure à une dimension, largeur et épaisseur, de l'élément structural. Il présente une section transversale adaptée au transport d'une puissance électrique. La section transversale du noyau est déterminée en fonction de l'intensité d'un courant à y faire transiter de sorte à ne pas échauffer l'enveloppe recouvrant le noyau.
L'élément structural comporte, autour du noyau et de son enveloppe, un empilement de plis à base de fibres imprégnés d'une résine électriquement isolante. Les fibres sont par exemple des fibres de carbone.
Cet empilement de plis, dits structuraux, apporte une rigidité mécanique élevée entourant le noyau et son enveloppe. L'empilement contribue principalement à la résistance structurale de l'élément.
L'enveloppe isolante est composée d'un empilement de plis à base de fibres imprégnés d'une résine électriquement isolante. Les fibres sont électriquement isolantes et peuvent être aussi bien minérales, telles que des fibres de verre, qu'organiques, telles que des fibres d'aramide. La résine formant matrice de l'enveloppe est de préférence compatible avec la résine de l'empilement de plis structuraux, avantageusement c'est la même résine. La résine est par exemple de la résine époxyde.
L'enveloppe, en plus d'isoler électriquement le noyau, participe à l'apport structural de l'élément.
Ainsi, le noyau est avantageusement protégé, d'une part électriquement par l'enveloppe et d'autre part par l'ensemble enveloppe- empilement de plis structuraux, ledit ensemble présentant une rigidité mécanique élevée.
De façon générale, le nombre et la nature des plis structuraux sont déterminés, selon des calculs du ressort de l'homme du métier, de manière à conférer à l'élément structural les propriétés structurales requises pour participer au raidissement de la structure sur laquelle est fixé ledit élément. Ces calculs prennent en compte le fait que l'enveloppe et le noyau contribuent avantageusement aux performances mécaniques de l'élément structural. La prise en compte des apports de l'enveloppe et du noyau permet ainsi de ne pas surdimensionner le nombre de plis structuraux et par conséquent l'élément structural final. L'ensemble structural est fixé à la structure par tous moyens, notamment par vissage, collage ou rivetage.
Dans un mode de réalisation de l'élément structural, ledit élément se présente sous la forme d'un profilé allongé, c'est-à-dire présentant une longueur grande par rapport à ses dimensions transversales.
Le profilé peut présenter différente formes de section transversale, notamment une section transversale fermée, par exemple de section transversale triangulaire ou une section transversale ouverte, par exemple une section transversale en forme de I.
Le profilé peut être par exemple un rail ou un faux rail d'un plancher d'aéronef.
Le noyau s'étend sur tout ou partie de la longueur dudit profilé. Ainsi, il est possible de faire circuler du courant sur une grande longueur, dans l'aéronef, sans recourir à des faisceaux de câbles.
Le noyau peut prendre la forme d'un insert, sous forme d'une plaque, ou d'une tresse.
Dans un exemple préféré de réalisation, le profilé structural comporte trois noyaux.
Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, les barycentres des trois noyaux sont disposés, selon une section transversale du profilé, aux sommets d'un triangle équilatéral. Cette configuration permet ainsi le passage d'un courant triphasé, chaque noyau étant relié à une phase d'un réseau triphasé.
Dans le cas d'une section transversale triangulaire, les noyaux sont par exemple disposés au niveau des cotés du profilé, un noyau par coté.
Dans le cas d'une section transversale en forme de I, le profilé comportant une semelle reliée à une tête par une âme sensiblement perpendiculaire auxdites semelles et âmes, les noyaux sont par exemples disposés, un dans l'âme et deux dans la tête.
Dans une forme de réalisation du profilé, les trois noyaux sont chacun dans une enveloppe isolante indépendante. Dans une autre forme de réalisation du profilé, les trois noyaux sont dans une même enveloppe. La section transversale du profilé est de préférence fermée. Dans un mode de réalisation de l'enveloppe, l'enveloppe regroupant les trois noyaux forme une couche isolante dans l'épaisseur de la stratification et est située entre deux couches, dites structurales, formée chacune par un empilement de plis structuraux.
Selon une caractéristique de l'invention, le profilé structural comporte des moyens de connexion électrique raccordés électriquement aux noyaux. Ces moyens de connexion sont par exemple répartis le long du profilé ou au niveau des extrémités longitudinales dudit profilé.
Dans un mode de réalisation des moyens de connexion, lesdits moyens de connexion électrique sont des inserts conducteurs débouchant sur une face du profilé.
Le profilé ainsi obtenu par l'invention comporte avantageusement un réseau de distribution de puissance tout en participant à la rigidification de la structure dont il fait partie intégrante.
Une structure intégrant un tel profilé présente un gain de masse et un encombrement réduit par rapport aux structures de l'art antérieur équipées d'un réseau de distribution de puissance conventionnel. Les noyaux sont en outre avantageusement protégés dans l'épaisseur du profilé. Il résulte de toutes ces caractéristiques avantageuses une diminution des coûts de fabrication des structures ainsi formées par rapport aux solutions de l'art antérieur.
Une description détaillée de modes de réalisation préférés de l'invention est faite ci-après, à simple titre illustratif, en référence aux figures 1 à 9 qui représentent :
Figure 1 , une vue en perspective d'un exemple d'un premier mode de réalisation d'un profilé structural selon l'invention ;
Figure 2 à 6, différents exemples de profilé structural selon le premier mode de réalisation illustrant des formes différentes de réalisation ;
Figure 7, une vue en perspective d'un exemple d'un deuxième mode de réalisation du profilé structural ;
Figure 8, une coupe transversale d'un autre exemple du deuxième mode de réalisation du profilé structural ;
Figure 9, une coupe transversale d'un autre exemple du deuxième mode de réalisation du profilé structural.
Selon un mode de réalisation de l'invention, le profilé structural 1 , comme illustré sur les figures 1 à 9, est destiné à être fixé sur une structure 5, en particulier une structure d'aéronef.
Dans un exemple de réalisation non limitatif de l'invention, le profilé est un rail ou un faux rail d'un plancher d'aéronef.
Le profilé structural 1 est avantageusement en matériau composite stratifié, il présente une forme allongée et comporte, dans une épaisseur de la stratification, trois noyaux 131 constitués d'un matériau électriquement conducteur, pour le transport d'une puissance électrique. Chaque noyau 131 s'étend sur tout ou partie de la longueur du profilé structural.
Le profilé structural est avantageusement conçu pour le passage d'un courant triphasé, chaque noyau étant relié à une phase d'un réseau triphasé. Les trois noyaux sont alors régulièrement répartis, dans une section transversale du profilé structural 1 , de sorte à obtenir un réseau triphasé équilibré.
Les trois noyaux sont disposés de sorte que leurs barycentres géométriques forment les trois sommets d'un triangle équilatéral. Ainsi, la symétrie géométrique entre les trois phases est maintenue et le réseau triphasé est équilibré. Les trois noyaux, tels que répartis et isolés, constituent les trois phases d'un système triphasé de transport d'énergie électrique.
Bien que le profilé soit décrit, et les noyaux disposés, pour le passage d'un courant triphasé, il est également possible de faire passer un courant monophasé dans chaque noyau, sans se départir du cadre de l'invention.
Chaque noyau 131 présente une section transversale notamment déterminée, par des calculs à la portée de l'homme du métier, en fonction de l'intensité du courant à transiter. Le tableau ci-dessous illustre des valeurs d'intensité maximale qui peuvent transiter dans un noyau en fonction de la section transversale dudit noyau.
Figure imgf000009_0001
La densité de courant maximum admissible est définie par l'augmentation maximum de température admissible dans les matériaux qui entourent le noyau.
Le noyau 131 est de préférence formé dans un matériau présentant un bon rapport conductivité/densité, tel qu'un métal, par exemple l'aluminium.
Dans un exemple de réalisation, le noyau 131 est un insert conducteur, par exemple de section transversale trapézoïdale, comme illustré sur la figure 1 , ou de section transversale rectangulaire, comme illustré sur la figure 7.
Dans un autre exemple de réalisation (non représenté sur les figures), le noyau 131 est une tresse conductrice.
Le profilé 1 est fixé à la structure par tout moyen conventionnel, notamment par collage, vissage, clipsage ou rivetage, dès lors que les opérations de fixation n'endommagent pas les noyaux électriquement conducteurs.
Dans un premier mode de réalisation du profilé structural 1 , comme illustré sur la figure 1 , ledit profilé comporte une couche structurale 1 1 à base de fibres, à l'intérieur de laquelle sont disposés les trois noyaux 131 recouverts chacun d'une enveloppe en matériau électriquement isolant, dite enveloppe isolante 13.
Avantageusement, le profilé structural présente une section transversale ouverte. L'exemple de réalisation de ce deuxième mode est décrit dans le cas d'une section transversale en forme de I, sans que ce choix soit limitatif de l'invention.
Le profilé structural 1 comporte une tête 101 et une semelle 103 reliée l'une à l'autre par une âme 102 sensiblement perpendiculaire à la semelle 103 et à la tête 101 .
Le profilé structural 1 est fixé à la structure 5 au niveau de la semelle
103.
Dans un exemple non limitatif de répartition des noyaux, illustré figure 1 , un noyau 131 est disposé dans l'âme 102 du profilé structural, et deux noyaux 131 sont disposés dans la tête 101 du profilé, un de chaque coté de l'âme 102.
D'autres répartitions sont possibles, telles que par exemple un noyau 131 dans la semelle 103, un noyau 131 dans l'âme 102 et un noyau 131 dans la tête 101 avec la condition que les barycentres des noyaux 131 forment les trois sommets d'un triangle équilatéral. Le profilé structural 1 présente une surépaisseur locale au niveau des noyaux 131 , surépaisseur liée à l'introduction des noyaux, et des enveloppes isolantes associées, à l'intérieur de la couche structurale 1 1 .
De préférence, l'enveloppe isolante 13 comporte un empilement de plis formés de fibres noyés dans une résine électriquement isolante. Les fibres sont électriquement isolantes et peuvent être de tout type, par exemple en verre ou en aramide. L'enveloppe apporte en outre une résistance mécanique propre qui participe à la résistance structurale du profilé structural 1 .
Les caractéristiques de la couche structurale 1 1 sont déterminées, par calcul suivant les méthodes de conception connues, à partir des contraintes auxquelles le profilé doit être soumis.
Avantageusement, les caractéristiques de la couche structurale 1 1 sont déterminées en considérant les contributions à la résistance structurale des enveloppes isolantes 13 et des noyaux 131 . La prise en compte de la contribution des enveloppes isolantes 13 et des noyaux 131 permet ainsi de ne pas surdimensionner la couche structurale 1 1 et le profilé final.
De préférence, la couche structurale 1 1 comporte une superposition de plis formés de fibres imprégnées d'une résine électriquement isolante formant matrice. Les fibres peuvent être orientées de façon unidirectionnelle et/ou tissées ou tressées. Il s'agit de préférence de fibres de carbone, qui offrent notamment l'avantage d'une bonne tenue mécanique combinée à une grande légèreté. La résine utilisée pour former cette couche peut être de tout type, aussi bien thermodurcissable que thermoplastique. La résine formant matrice dans cette couche structurale 1 1 est, de préférence, compatible avec la résine entrant dans la constitution des enveloppes isolantes 13, avantageusement c'est la même résine.
La détermination du nombre de plis et des orientations des fibres dans les plis successifs, des enveloppes isolantes 13 et de la couche structurale 1 1 , fait appel à des techniques de calculs connues par l'homme du métier.
La présente invention ne se limite pas à un profilé de section transversale en forme de I. D'autres sections transversales peuvent être réalisées dès lors que la condition selon laquelle les barycentres des noyaux forment les trois sommets d'un triangle équilatéral est respectée.
Dans un exemple de réalisation, comme illustré figure 2, le profilé structural 1 présente une section transversale en forme de C. Le profilé comporte une tête 101 reliée à une semelle 103 par une âme 102, chacune comportant un noyau 131 .
Dans un autre exemple de réalisation, comme illustré figure 3, le profilé 1 présente une section transversale en forme de T. Le profilé comporte une semelle 103 et une âme 102 sensiblement perpendiculaire à la semelle 103. L'âme 102 comporte un noyau 131 et la semelle 103 comporte un noyau 131 de part et d'autre de l'âme 102.
Dans un autre exemple de réalisation, comme illustré figure 4, le profilé 1 présente une section transversale en forme de Y. Le profilé 1 comporte une tête 101 reliée à deux semelles 103 par deux âmes 102. La tête 101 et les deux âmes 102 comportent chacune un noyau 131 . Dans une variante améliorée de réalisation de cet exemple, comme illustré sur la figure 5, le profilé 1 comporte en outre, à l'intersection des deux âmes 102 et de la tête 101 un noyau 19 de forme allongé, de préférence mais non limitativement de section transversale circulaire.
Ce noyau 19 est apte à fournir une référence électrique, par exemple un neutre. Il participe en outre aux caractéristiques mécaniques du profilé.
Dans un autre exemple de réalisation, illustré figure 6, le profilé 1 présente une section transversale en forme de oméga. Le profilé 1 comporte une tête 101 qui est reliée par deux âmes 102 respectivement à deux semelles 103. La tête 101 et les deux âmes 102 comportent chacun un noyau 131 . Ce premier mode de réalisation de la présente invention ne se limite pas non plus à un profilé de section transversale ouverte. Ce premier mode de réalisation peut également être réalisé pour des profilés de sections transversales fermées, telles que par exemple une section transversale triangulaire ou circulaire. L'homme du métier est en mesure d'adapter l'invention à des sections transversales non décrites.
Dans un deuxième mode de réalisation du profilé structural, comme illustré sur la figure 7, ledit profilé structural 1 , en matériau composite stratifié, comporte, dans son épaisseur, un ensemble de couches superposées.
De préférence, le profilé 1 est d'épaisseur sensiblement constante. Avantageusement, le profilé présente une section transversale fermée.
L'exemple de réalisation de ce premier mode est décrit dans le cas d'une section transversale creuse sensiblement triangulaire sans que ce choix soit limitatif de l'invention. De préférence, afin de diminuer le risque de blessure lors de sa manipulation, la section transversale présente un contour arrondi.
Le profilé structural 1 comporte, au niveau d'une première face, dite face externe 18, une première couche structurale 1 1 et au niveau d'une seconde face, dite face interne 19, une deuxième couche structurale 12.
De préférence, les deux couches structurales 1 1 , 12 comportent un pli ou un empilement de plis formés de fibres imprégnées d'une résine électriquement isolante formant matrice. Les fibres peuvent être orientées de façon unidirectionnelle et/ou tissées ou tressées. Il s'agit de préférence de fibres de carbone, qui offrent notamment l'avantage d'une bonne tenue mécanique combinée à une grande légèreté. La résine utilisée pour former cette couche peut être de tout type, aussi bien thermodurcissable que thermoplastique.
De préférence, les deux couches structurales 1 1 , 12 sont de même nature.
Le profilé 1 comporte, entre les deux couches structurales 1 1 , 12, une couche à propriétés électriquement isolantes, dite couche isolante 13. Ladite couche isolante est de préférence une couche structurale comportant un empilement de plis formés de fibres imprégnés d'une résine électriquement isolante. Ces fibres sont électriquement isolantes et peuvent être de tout type, par exemple en verre ou en aramide. La résine formant matrice dans cette couche isolante 13 est, de préférence, compatible avec la résine entrant dans la constitution des couches structurales 1 1 , 12, avantageusement c'est la même résine.
La couche isolante 13 comporte les trois noyaux 131 répartis, selon la section transversale du profilé, de sorte à maintenir une symétrie entre les trois phases et obtenir un réseau triphasé équilibré.
Dans un mode de réalisation de la couche isolante, ladite couche isolante est d'épaisseur constante.
Les caractéristiques des couches structurales sont déterminées, par calculs suivant les méthodes de conception connues, à partir des contraintes auxquelles le profilé doit être soumis.
Avantageusement, les couches structurales 1 1 , 12 sont déterminées en considérant des contributions à la résistance structurale de la couche isolante
13 et des noyaux 131 . La prise en compte des contributions de la couche isolante 13 et des noyaux 131 permet ainsi de ne pas surdimensionner les couches structurales 1 1 , 12 et le profilé final.
Les figures 7 et 8 illustrent deux exemples de répartition des noyaux sur le profilé à section transversale triangulaire. La figure 7 illustre une répartition des noyaux 131 sensiblement au niveau des côtés du profilé, un noyau par côté.
La figure 8 illustre une répartition des noyaux 131 sensiblement au niveau des angles émoussés du profilé, un noyau par angle.
Dans une variante de réalisation du profilé structural 1 , comme illustré sur la figure 9, ledit profilé comporte, entre les deux couches structurales 1 1 , 12, deux couches isolantes 13, 14, comportant chacune trois noyaux 131 , 141 . Les deux couches isolantes 13, 14 sont séparées, de préférence, par une couche conductrice continue 15.
Les deux couches isolantes 13, 14 sont de préférence de même nature, de préférence une couche structurale à base de fibres de verre ou aramide.
Cette variante de réalisation est particulièrement avantageuse pour le transport de courant d'un réseau triphasé, où deux noyaux 131 , 141 , un noyau par couche isolante, sont reliés à une même phase.
Recourir à de multiples noyaux pour une même phase permet de réduire la section de chaque noyau.
Les deux noyaux 131 , 141 liés à une même phase sont de préférence placés chacun dans une couche isolante, en regard l'un de l'autre, comme illustré sur la figure 3.
De préférence, les noyaux 131 , 141 des deux couches sont décalés les uns par rapport aux autres, comme illustré sur la figure 9, de manière à minimiser les interférences électromagnétiques entre lesdits noyaux.
L'exemple de réalisation est décrit pour deux noyaux 131 , 141 reliés à une même phase. Mais l'invention est applicable pour une phase reliée à un, trois ou plus noyaux, en adaptant le nombre de couches isolantes.
La couche conductrice continue 15 entre deux couches isolantes 13, 14 est, de préférence mais non limitativement, sous la forme d'une feuille métallique, par exemple d'aluminium ou de cuivre. Cette couche continue assure avantageusement un blindage électrique entre les noyaux 131 , 141 de chaque couche isolante. Du fait de sa nature métallique et continue, elle participe également de manière sensiblement homogène aux caractéristiques mécaniques du profilé 1 . Elle est en outre apte à fournir une référence électrique, par exemple un neutre.
Ce deuxième mode de réalisation de l'invention ne se limite pas à un profilé de section transversale triangulaire. D'autres sections transversales, par exemple une section circulaire, peuvent être utilisées.
Ce deuxième mode de réalisation de l'invention ne se limite pas non plus à un profilé de section transversale fermée. L'invention peut également être utilisée pour des sections transversales ouvertes, telles que par exemple une section transversale en I, J, .... L'homme du métier est en mesure d'adapter l'invention à des sections transversales non décrites dès lors qu'est respectée la condition selon laquelle les barycentres des noyaux forment les trois sommets d'un triangle équilatéral .
Quelque soit son mode de réalisation, le profilé structural 1 , du fait de la présence des noyaux 131 , 141 intégrés dans son épaisseur, est apte à conduire des courants électriques importants d'une extrémité à l'autre de chaque noyau.
De préférence, comme illustré sur les figures 1 et 7, le profilé structural 1 comporte des moyens de connexion électrique 2 raccordés aux noyaux 131 , 141 repartis au voisinage des extrémités longitudinales 16, 17 dudit profilé 1 , ainsi que le long du profilé.
Ces moyens de connexion 2 peuvent être de plusieurs formes, dont un mode de réalisation est illustré sur la figure 7.
Selon ce mode de réalisation des moyens de connexion électrique 2, lesdits moyens sont des connecteurs internes, par exemple des trous métallisés ou des inserts, qui débouchent sur la face externe 18 du profilé 1 , au voisinage des extrémités longitudinales 16, 17 du profilé, ainsi que le long du profilé.
Par trou métallisé, on entend des trous dont la surface reçoit après perçage un revêtement électriquement conducteur, par exemple sous la forme d'une peinture conductrice.
Chaque trou est en outre relié électriquement à un noyau 131 , 141 . Selon un autre mode de réalisation des moyens de connexion électrique 2 (non représenté), uniquement au voisinage des extrémités longitudinales 16, 17 du profilé 1 , lesdits moyens sont constitués par un évidement des couches structurales, et des couches isolantes selon le mode de réalisation du profilé, de manière à faire affleurer les noyaux 131 , 141 et les mettre à nu.
Selon d'autres modes de réalisation des moyens de connexion électrique 2 (non représentés), lesdits moyens peuvent être des connecteurs externes montés sur une des faces 18, 19 du profilé 1 , par exemple sous forme d'un connecteur plat multibroches, chaque broche étant reliée à un noyau 131 , 141 , ou encore des connecteurs internes intégrés entre des couches formant le profilé, pour un raccordement via une face d'interconnexion, qui peut par exemple être une tranche du profilé.
Les moyens de connexion électrique ne sont pas limités aux moyens décrits, et d'autres connecteurs conventionnels peuvent également être utilisés dans le cadre de l'invention.
Dans un mode de réalisation, différents modes de réalisation de moyens de connexion électrique peuvent être mis en œuvre conjointement pour un même profilé 1 .
Dans une variante simplifiée de réalisation du profilé structural 1 , ledit profilé ne comporte qu'un seul noyau, pour le passage d'un courant monophasé.
La présente invention permet donc de réaliser un profilé destiné à être fixé sur une structure d'aéronef et intégrant des noyaux participant à la fois à la résistance mécanique dudit profilé et au transport de la puissance électrique.
Le profilé suivant l'invention apporte de nombreux avantages par rapport à un ensemble découplé profilé classique/moyens de fixation de faisceaux de câbles de transport de puissance tels que par exemple un gain de masse, une réduction de l'encombrement, une réduction des risques d'endommagement et de l'usure des noyaux ainsi qu'une mise en place simplifiée et rapide.

Claims

R E V E N D I C A T I O N S
Profilé structural en matériau composite stratifié comportant, dans une épaisseur de la stratification, un noyau (131 ) s'étendant sur tout ou partie d'une longueur dudit profilé et constitué d'un matériau électriquement conducteur recouvert d'une enveloppe (13) en matériau électriquement isolant, caractérisé en ce que ledit profilé comporte trois noyaux (131 , 141 ) dont les barycentres sont disposés, selon une section transversale du profilé, aux sommets d'un triangle équilatéral.
Profilé structural selon la revendication 1 caractérisé en ce que le matériau constituant les noyaux (131 ) est un matériau métallique.
Profilé structural selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce qu'il comporte, autour des enveloppes, un empilement (1 1 ) de plis à base de fibres imprégnés d'une résine électriquement isolante.
Profilé structural selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que les enveloppes (13) sont composées d'un empilement de plis à base de fibres imprégnés d'une résine électriquement isolante.
Profilé structural selon l'une des revendications précédentes caractérisé en ce que les trois noyaux (131 , 141 ) sont dans une même enveloppe isolante (13, 14).
Profilé structural selon la revendication 5 caractérisé en ce qu'il présente une section transversale fermée.
Profilé structural selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens de connexion électrique (2) raccordés électriquement aux noyaux.
Profilé structural selon la revendication 7, caractérisé en ce que lesdits moyens de connexion électrique (2) sont des inserts conducteurs débouchant sur une face externe (18) dudit profilé.
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