WO2016146800A1 - Assemblage a liaison souple et liaison souple pour un tel assemblage - Google Patents

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WO2016146800A1
WO2016146800A1 PCT/EP2016/055904 EP2016055904W WO2016146800A1 WO 2016146800 A1 WO2016146800 A1 WO 2016146800A1 EP 2016055904 W EP2016055904 W EP 2016055904W WO 2016146800 A1 WO2016146800 A1 WO 2016146800A1
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WO
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panel
edge
panels
tongue
assembly
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PCT/EP2016/055904
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English (en)
Inventor
Sylvain Claudel
Original Assignee
Airbus Defence And Space Sas
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Filing date
Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61D—BODY DETAILS OR KINDS OF RAILWAY VEHICLES
    • B61D17/00—Construction details of vehicle bodies
    • B61D17/04—Construction details of vehicle bodies with bodies of metal; with composite, e.g. metal and wood body structures
    • B61D17/08—Sides
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B61—RAILWAYS
    • B61D—BODY DETAILS OR KINDS OF RAILWAY VEHICLES
    • B61D17/00—Construction details of vehicle bodies
    • B61D17/005—Construction details of vehicle bodies with bodies characterised by use of plastics materials

Definitions

  • the present invention relates to a flexible link assembly and a flexible link for such an assembly. It applies in particular to the fixing between composite panels and large metal structures.
  • Deformation technologies are less expensive, but they require that the materials have large plastic deformations, and introduce residual stresses in the materials that make the assemblies mechanically less efficient, in static but also in fatigue.
  • each piece with an end wing and to assemble the head-to-tail parts so that the end flanges attach to opposite sides of the parts, in particular by riveting: sets of assemblies will be at the junction between the terminal wings and opposite sides, areas where it will be necessary to provide solutions to fill these games
  • the solution envisaged here is intended to obtain a contact between the two parts of the connection which will give a proper mechanical strength of the connection.
  • the present invention provides an end connection between two panels each comprising two plates or skins, defining external faces of said panels, connected by a solid or cellular core or by a box, and comprising a termination edge, for which a plates or skins of each panel is extended by a tongue, the tongue of a first of said panels coming, during the connection between the panels, to be applied on the outer face of the skin or plate without tongue of a second said panels and for which the edge of a first of said panels, said bevel edge, is beveled with respect to said faces of the panel comprising it while the edge of the second of said panels, said right edge, is an edge substantially perpendicular to said face of the panel comprising it, so that the tongue of the panel with a straight edge, called catch tab, has in its width an end portion in the ui and a free intermediate portion capable of flexing to make up for differences in thickness between the panels while the tongue of the panel comprising said edge in bevel, said tongue support, bears substantially all of its width on the bearing portion of
  • said support tongue defines a substantially rigid reference surface for the connection.
  • said right edge is at a 90 ° angle
  • said beveled edge makes an angle of 45 ° ⁇ 15 ° with respect to the normal to said faces of the panel having it.
  • Said bevel edge is advantageously made by folding a first skin at a first inclination at the beginning of the bevel and then at a second inclination at the end of the bevel where the first skin joins the second skin of the panel to form a first tongue called a tongue. support at the end of said beveled edge.
  • Said straight edge is advantageously a wall connecting the two plates of the right-sided panel and disposed at the end of a first of these plates, said catch-up tab of the panel comprising said right edge being constituted by an extension of a second of its plates cantilevered with respect to said right edge.
  • the panel comprising said right edge is a panel or a metal structure.
  • Said catch tab is made so as to have a flexibility adapted to make up the differences in thickness of the panels by flexing its free intermediate portion.
  • the free intermediate portion can be sufficiently deformable to come into contact with the face of the panel receiving it and allow riveting while minimizing the stresses induced by the assembly.
  • the link comprises a substantially rectangular triangular section day for which said beveled edge constitutes the hypotenuse of said section, the right edge and said free intermediate portion constituting the other two sides of said section.
  • the invention further proposes an assembly of two panels which comprises between the two panels a riveted connection comprising at least a first line of fastening rivets of the support tongue of the panel comprising said beveled edge on a bearing face of the panel comprising said right edge and at least a second line of fastening rivets of said end portion of said catch tab on a bearing face of the panel having said beveled edge.
  • the support wall of the panel comprising said right edge is advantageously a recessed edge of the tongue-free face of said panel so as to compensate for the thickness of the support tongue to have the flat faces outside the two panels in continuity.
  • the support wall of the panel comprising said right edge is advantageously a recessed edge of the tongue-free face of said panel and connected to said face by a heel forming a stop for the support tongue.
  • the catch tab is preferably adapted to bend under the action of the assembly of the first panel and the second panel is towards the first panel or in the opposite direction.
  • the flexibility of said catch tab is calculated to allow it to flex by a distance at least equal to the sum of the tolerances of the layers that constitute each panel.
  • the flexibility of said catch-up tab is calculated to allow it to flex by a distance at least equal to the quadratic sum of the tolerances of the layers constituting each panel.
  • the deflection of said catch tab is measured at the point of docking between said tongue and the face of the panel on which it is applied.
  • the invention is also applicable to a composite panel / metal structure composite assembly for which a first of said panels is a composite panel and a second of said panels is a metal structure.
  • the composite panel is advantageously the panel comprising said beveled edge and the composite panel comprising a core between a first skin and a second skin, the soul has a beveled edge extending from the first skin to extend towards the second skin, the first skin marrying the slope of the beveled edge to join the second and realize the support tongue.
  • the metal structure is advantageously the panel comprising said right edge.
  • FIG. 1 a metal structure termination and a composite panel termination of the invention in cross-sectional and opposite view;
  • Figures 2A and 2B views of the termination of Figure 1 respectively for a negative game and a positive game
  • FIG. 4 the modeling of a catch-up tab of the metal structure of FIG. 1;
  • FIGS. 5A and 5B modelizations of the stresses in the structure for the games of FIGS. 2A and 2B;
  • FIGS. 7A and 7B schematic representations of the assembly of FIG. 1 at the level of the catch tab in front view
  • FIGS. 8A to 8C an example of a rivet that can be used for the invention.
  • Figure 9 a perspective view of a rail car comprising composite panels fixed with a lower metal structure by means of a connection according to the invention
  • Figure 10 a perspective view of the assembly of a panel and structural portion of Figure 9;
  • Figure 1 1 a side sectional view of the assembly of Figure 10.
  • the present invention is part of the assembly of large length panels and especially in the context of the study of replacement aluminum or steel panels including rail car bodies by composite side panels.
  • composite panels 300 attach to metal frame members 200 constituting the base of the cars in order to save weight on the structure, and roof panels 301 attach to said side panels. . This makes it possible to increase the payload of the body, whether in number of passengers or on-board equipment.
  • One of the constraints of such an embodiment is to minimize the assembly costs of large parts such as those that make up the train body, including the side walls, the metal frame and the roof. For this we must find the ideal compromise between the cost of manufacturing primary parts and the cost of pure assembly. The latter is directed by the time required for handling and the complexity of operation.
  • the riveting process is well suited to making connections between large parts and is suitable for assembling the aforementioned parts.
  • the present invention proposes a new approach that uses the flexibility of a part during the assembly of panels which will allow to allow greater tolerance on the dimensions of the parts, particularly the thickness composite panels that will be assembled on metal structures.
  • the present invention also makes it possible to obtain wider form defect tolerances for the manufacture of the parts, thus a lower cost possible, while ensuring the performance of the assembly by using the flexibility of part of the assembly.
  • Composite panels are solid products comprising skins or plates made of a bonding material called a matrix and a reinforcing material in general in the form of fibers which sandwich a lightweight filler material, foam, foam material, material or the like. bee or other called soul.
  • the matrix retains the geometrical arrangement of the fibers and transmits them the stresses to which the piece is subjected.
  • the material obtained is thus light, has good fatigue strength and has good mechanical properties in the direction of the fibers.
  • the preferred assembly method for joining two large thin pieces is riveting. This process frequently uses so-called blind rivets because they require access to only one side of the assembly. With the help of a pressure gun, the rivet rod is pulled, which makes it possible to crush the head on the other side.
  • the rod is sized to break at its base from a certain pressure.
  • the assembly is composed of two lines of rivets. The first is on the outside of the train, the second is on the inside of the train.
  • Riveting lines are for example shown under the marks 1 10, 120 in Figure 10 between the panel 300 and the structure or metal frame 200 rail car sill used to receive a fixed panel according to the invention.
  • the temperature of a train box can rise to temperatures exceeding 80 ° C which solicits important assemblies and in particular assemblies composite / metal which imposes particular design constraints.
  • the edge of a composite panel 1 to be fastened comprises a return to the skin forming a fastening tab 17 bearing on one face of the metal panel 2 and here called a tab of FIG. in the sense that it constitutes a substantially rigid reference bearing surface for the assembly.
  • the metal panel 2 has on its side a metal tongue 24 provided with an end portion bearing on one face of the composite panel but also provided with an intermediate free support part over a length which allows to provide flexibility for the assembly, this tongue being called catch tab.
  • the rivets are positioned at the portion of the tongues resting on the faces of the panels and inserted into holes, a series of holes P1 crossing the catching tab and a first skin 10 of the panel and a series of holes P2 crossing the part. in support of the catch tab and a bearing wall 21 of the frame.
  • substantially or substantially rigid reference bearing surface is meant that the support tongue is sufficiently rigid so that its eventual deflection remains negligible compared to the flexion of the catch-up tongue in case of difference in thickness of the panels at of the connection, which corresponds for example to an angular deflection of the support tongue 10 to 100 times less than that of the catch tab at their junction with the edge of the panel carrying them for a thickness difference.
  • the support tongue is in abutment on substantially its entire length, which means that even if a small portion of the support tongue is cantilevered, this small part remains of negligible length, for example up to 10% of the length of the tongue and is of insufficient length to bring a significant angular deflection of the support tongue.
  • the defects of shape of the composite parts are induced in particular by the imperfect shape of the mold.
  • the defects of the mold cause a first family of defects on the piece produced.
  • a second source of defects comes from deformation efforts after polymerization.
  • the process of manufacturing composite materials entails internal tensions that relax after polymerization, which leads to an overall deformation of the piece spring effect called "spring back”.
  • a third source of defects originates, on the face opposite the mold, variations in thicknesses related to manufacturing dispersions (cumulative tolerances of successive layers of materials assembled on the mold): this gives rise to stacking defects.
  • the composite panel 1 comprises a first skin 10 and a second skin 1 1 disposed on either side of a core 12 made of foam, honeycomb or other light material. It comprises, at the level of at least one edge of the composite panel, an assembly termination comprising the border 17 of return to the skin made by solidifying together the two skins 10, 1 1 and forming the support tongue.
  • the edge 13 of the core is cut into a bevel to achieve a progressive transition zone from the first face 14 to the second face 15 of the panel , the first skin 10 covering the transition zone from the first face to the second face of the panel to be applied to the second skin 1 1 which extends the second face and make the support tongue 17 by return to the skin of the composite panel.
  • the support tongue Due to its constitution by joining the two skins the support tongue is relatively rigid and non-flexible.
  • the metal structure 2 comprises an end 20 of junction with the composite panel provided with a bearing wall 21 opposite the support tongue 17.
  • This structure further comprises a connecting wall 22 between said support wall and a second face 23 of the structure, this connecting wall forming a substantially straight edge.
  • substantially or essentially straight edge is meant a perpendicular edge or as perpendicular as possible to the skins or plates 23, 24, 21, 26 taking into account cutting, machining or molding tolerances. In the context of the present invention, it is considered that substantially or substantially straight an edge at 90 ° ⁇ 15 ° of the surface of the skins or plates.
  • the tongue 24 extends beyond the right edge on the face 23 of the structure opposite to that carrying the support wall 17.
  • the tongue 24 is cantilevered and is applied on the first face 14 of the composite panel .
  • the tongue 24 has a free portion of length "a” and a bearing portion of length "b" + "c".
  • the free portion is above the beveled edge 13 of the panel 1 and allows the tongue 24 to bend which gives it a catch-up function and defects as will be seen later.
  • a range of 30 ° to 60 ° is considered to be 45 ° ⁇ 15 ° to the plate normal to provide a suitable tab free length for the invention.
  • the portion of the tongue 24 bearing on the first face 14 of the panel and the rim 17 on the support wall 21 constitute receiving areas of fixing means such as rivets.
  • the defects that catch the catch tab 24 are including the stacking defects of the composite panel and the structure.
  • stacking defects D e are constituted by the sum of the tolerances of all the layers which constitute each panel (skin, sandwich webs, etc.). It may be a classical addition, or a quadratic addition. (we take the square root of the sum of the squares of the uncertainties of each layer) more realistic from the point of view risk of occurrence, and therefore preferred by the inventors. Its value is of the order of ⁇ 1 millimeter for a stack such as that of Figure 1, when the panels have a thickness of about 50 mm, the skins of the composite sandwich having a thickness of about 3 mm.
  • the tongue is adapted to bend under the action of the assembly of the panel and the structure in the direction of the panel as shown in Figure 2A with a displacement -y corresponding to a thickness of the panel relative to the structure or in the opposite direction in Figure 2B with a displacement + y corresponding to a thickness of the panel relative to the structure.
  • FIG. 3 represents an example of structure 200 comprising a first face 26 terminated at the assembly portion with a composite panel by the support wall 21 and which has a second face 23 which is extended by the tongue 24.
  • the enlargement in Figure 3 allows to distinguish a heel 25 connecting the support wall 21 to the first face 26 of the structure.
  • This heel makes it possible here to obtain a flat outer face between the panel and the structure, the difference in height between the bearing portion 21 and the plate 26 of the structure corresponding to the thickness of the support tongue 17 of the panel composite.
  • the heel may further serve as a stop for the edge 17 of the assembly end of the panel.
  • the tongue 24 is intended by its flexibility to catch the stacking games, but it can not make up alone the games due to the shape tolerances: in fact it is the flexibility of the panel and the structure , flexibility due to their large dimension in the sense of the length that allows to catch this game.
  • the thickness of the latch is defined so that it can withstand the efforts in matting due to the connection;
  • Shear external shear force applied to a rivet (N).
  • the link is able to withstand all the efforts to which it will be subjected in operation.
  • the most dimensioning force is the buckling behavior of the pawl during a bending effort of the connection to do this, the buckling stress Of must be greater than the elastic limit o e of the material used, in fact with a coefficient security of 1, 5.
  • the buckling stress can be calculated in various ways, it is estimated here by assimilation of the pawl to an intermediate between a recessed beam - recessed and a beam-guided:
  • This constraint makes it possible to calculate the maximum arrow attainable by the pawl, and therefore the maximum game that can be caught.
  • y m o m * (2 * L 2 ) / (3 * E * e )
  • assembly pins using the locations provided by the rivets; assembly pins are standard products whose clamping force is known.
  • the shape defect is modeled either by tools (such as 3DCS assembly simulation software from HITEX) or by finite element calculation software in the form of a sinusoidal defect of variable wavelength, of which the amplitude is the expected form defect.
  • tools such as 3DCS assembly simulation software from HITEX
  • finite element calculation software in the form of a sinusoidal defect of variable wavelength, of which the amplitude is the expected form defect.
  • FIGS. 5A and 5B show the location of the stresses ⁇ maximum, ⁇ MI in the case of a negative clearance - y for FIG. 5A, where the maximum stress ⁇ ⁇ ⁇ is situated at the junction between the catches or catch tab and the connecting wall 22 and ⁇ M 2 in the case of positive play + y in the case of Figure 5B where the maximum stress OM 2 is in the docking area of the pawl on the first side 14 of the panel.
  • FIG. This figure shows the aluminum structure 200 of Figure 3 in perspective, this structure to be assembled with a composite sandwich panel.
  • the length of the two pieces and the link is 10 m and the rivets are aligned along two lines 110 and 120 on both sides of the structure.
  • FIG. 7A shows a defect in shape to catch up with D f between the composite panel and the metal structure.
  • FIG. 7B shows, in the left-hand part, the gap Ay, and in the right-hand part the result after tightening by means of adapted tools (pins for example). or rivets 30.
  • the thickness of the foam core of the sandwich panel is 38 mm
  • the thickness of the skins is 3 mm
  • the return to the skin of the composite panel is carried out with a angle of 45 ° and a clearance of 10 mm is provided between the latch or catch tab 24 and the first face 14 of the panel when the edge 17 is placed on the support wall 21 was chosen to avoid double contact.
  • the pins used to make the assembly allow to spend an effort of 2000N.
  • the boundary conditions used to perform the assembly simulations and the conditions of validity of the link are specified below and by way of example, the docking forces are set at 2000N every 240mm (1 pin every 5 holes), ie a pinning force flux of 8333N / mm.
  • the coefficient 1, 3 corresponds to the breaking coefficient of safety specified in the dimensioning standard of cases EN 12663-1.
  • Fig. 11 shows the view of a curved panel case 300 'assembled with the body structure 200 or another panel.
  • the length of the latch or catch tab 24 ' is geometrically fixed at 62mm.
  • the validity requirements of the connection are ensured for more restrictive tolerances on the panels to be assembled, since the stiffness of the composite panel limits its ability to deform.
  • the maximum defect justified corresponds to a sinusoid of amplitude 4.5mm peak to peak and a wavelength of 5m. This defect corresponds to an overall shape tolerance of 4.5 mm associated with a local shape tolerance of 0.1 mm over 300 mm.
  • the pawl length had to be lengthened to its maximum value, or 69mm to maximize the flexibility of the latter.
  • FIGS. 8A to 8C show a blind rivet that can be used to make the assembly of the invention.
  • the rivet 30 is shown before being crushed to tighten an external part A on an internal part B, for example the support wall and the catches or catch tab and the first skin of the panel.
  • the rivet according to the example comprises a rod 31 terminated by a bulge 36, a head 32, here a countersunk head, a hollow body 33 receiving the rod and having a conical portion 33a, a helical washer 34 and a deformable sleeve 35.
  • the helical washer is disposed between the sleeve 35 and the conical portion 33a of the hollow body 33 and the deformable sleeve 35 is retained by the bulge 36 of the rod 31 against the washer.
  • FIG. 8B a pull on the rod 31 pulls on the bulge 36 which pushes the washer 34 and the sleeve 35 onto the body 33.
  • the washer is expanded and the sleeve crushes longitudinally while widening while climbing on the part conical body.
  • FIG. 8C the washer 34 abuts against the internal part B and is held by means of the crushing of the sleeve 35.
  • the side faces 300 of the car are riveted according to the invention on the body 200, structure located in the lower part of the car.
  • the invention is not limited to the examples shown and in particular a tubular reinforcement element or according to another profile such as an omega may be provided in the panel under the first skin 10 to the right of the piercing zones P1 receiving the rivets 30 for strengthen the panel.
  • the metal structure may be of varied height H, be straight or have a radius of curvature different from that shown.

Landscapes

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  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Connection Of Plates (AREA)

Abstract

L'objet de l'invention est une liaison en bout entre deux panneaux (1, 2, 200, 300, 300') comportant chacun deux plaques ou peaux (10, 11, 23, 26), définissant des faces externes desdits panneaux, reliées par une âme pleine ou alvéolée ou par un caissonnage (12, 27), et comportant un bord de terminaison, pour lequel une des plaques ou peaux de chaque panneau se prolonge par une languette (17, 24), la languette d'un premier desdits panneaux venant, lors de la liaison entre les panneaux, s'appliquer sur la face extérieure de la peau ou plaque (10, 26) dépourvue de languette d'un second desdits panneaux et pour lequel le bord d'un premier desdits panneaux, dit bord en biseau (13), est réalisé en biseau par rapport auxdites faces du panneau le comportant (10, 11) tandis que le bord du second desdits panneaux, dit bord droit (22), est un bord substantiellement perpendiculaire auxdites face du panneau le comportant, de sorte que la languette du panneau à bord droit, dite languette de rattrapage (24), comporte dans sa largeur une partie terminale en appui (b, c) et une partie intermédiaire libre (a) susceptible de fléchir pour rattraper des différences d'épaisseur entre les panneaux tandis que la languette du panneau comportant ledit bord en biseau, dite languette d'appui (17), est en appui sur substantiellement toute sa largeur sur la partie d'appui (21) de la face du panneau le recevant. Application à l'assemblage de panneaux de grande longueur.

Description

ASSEMBLAGE A LIAISON SOUPLE ET
LIAISON SOUPLE POUR UN TEL ASSEMBLAGE
Domaine de l'invention
La présente invention concerne un assemblage a liaison souple et une liaison souple pour un tel assemblage. Elle s'applique en particulier à la fixation entre panneaux composites et structures métalliques de grandes dimensions.
Arrière plan technologique
Lors de la fabrication de structures de grandes dimensions tels les aéronefs ou les caisses de train, on est amené à assembler des structures de plusieurs dizaines de mètres. C'est le cas par exemple de la liaison entre le panneau de face et la parte inférieure (brancard) d'une caisse de train.
Ces panneaux initialement en matériaux métalliques, sont appelés à être remplacés au moins partiellement par des panneaux en matériaux composite qui permettent de concevoir et réaliser des structures encore plus légères, ce qui particulièrement important pour les industrie du transport.
Qu'ils soient métalliques ou en matériaux composites, les panneaux de grandes dimensions qui ont une fonction structurale sont souvent des panneaux de type sandwich, c'est à dire qu'ils sont constitués de deux peaux reliées entre elles par différentes techniques bien connues. C'est en général la technologie qui permet de donner aux panneaux de la raideur et de l'inertie pour une masse optimisée la plus faible possible.
Comme toutes les pièces manufacturées, ces panneaux présentent des tolérances de fabrication, qui sont en fait de deux sortes :
Des tolérances générales liées à l'empilement des couches élémentaires de chaque panneau à assembler
Des tolérances de forme des pièces Or du fait des grandes dimensions, les pièces à assembler présentent des tolérances de forme qui peuvent induire des jeux qui peuvent atteindre plusieurs millimètres entre les pièces à assembler. Ces jeux ne sont pas acceptables pour de nombreuses raisons, mécanique, étanchéité tenue dans le temps, et donc les définisseurs utilisent différentes méthodes pour combler ces jeux.
On peut d'abord utiliser des panneaux dont les tolérances de forme soient très faibles, nettement plus faibles que celles des produits standards, soit en contrôlant mieux le procédé de fabrication, soit en effectuant des usinages après cette fabrication : on conçoit que ce type de solution est particulièrement coûteux.
Ou bien on peut combler les jeux :
Par exemple, en aéronautique, on pratique très souvent un « comblage rigide », c'est à dire qu'on introduit des cales métalliques dans les intervalles, ce qui nécessite de mesurer très précisément les jeux au cas par cas.
Quand le jeux est faible - quelques dixièmes de mm, on peut se contenter de le combler avec un mastic.
Dans d'autres industries, on peut chercher à rattraper les jeux, et utiliser la flexibilité des panneaux et les déformer jusqu'à ce que les jeux soient éliminés par exemple à l'aide de vis ou de rivets.
Toutes ces méthodes ont des inconvénients, et généralement :
Les technologies aéronautiques sont très performantes mais aussi très coûteuses (mesures et réalisation de comblages spécifiques et précis, ré usinage de grandes pièces, ..)
Les technologies par déformation sont moins coûteuses, mais elles nécessitent que les matériaux présentent de grandes déformations plastiques, et introduisent des contraintes résiduelles dans les matériaux qui rendent les assemblages mécaniquement moins performants, en statique mais aussi en fatigue.
Pour fixer les idées, mentionnons la norme NF EN 755-9 dans sa version en vigueur au 1 er mars 2015, qui définit les tolérances de forme acceptables lors de la fabrication de profilés en Aluminium, permet d'évaluer les jeux auxquels on peut usuellement s'attendre à une tolérance de rectitude globale de 1 ,5 mm/m, soit 15 mm pour une pièce de 10m de longueur à laquelle s'ajoute une tolérance de rectitude locale de 0,6 mm/300 mm, soit un jeu de 30 mm pour un assemblage de deux pièces métalliques de 10 m de long.
Selon la figure 1 , pour raccorder de telles pièces, il est possible de pourvoir chaque pièce d'une aile terminale et d'assembler les pièces tête bêche de sorte que les ailes terminales se fixent sur des faces opposées des pièces notamment par rivetage : les jeux d'assemblages vont se trouver au niveau de la jonction entre les ailes terminales et les faces opposée, zones où il va être nécessaire d'apporter des solutions pour combler ces jeux
On s'intéresse ici aux solutions qui permettent un compromis optimal entre la performance technique de l'assemblage et son cout économique : il s'agit d'utiliser une méthode d'assemblage la plus simple possible, qui soit le moins exigeante possible vis-à-vis des tolérances de fabrication des pièces et qui n'induise qu'un minimum de contraintes résiduelles dans les pièces assemblées, de façon à préserver la tenue structurale dans la durée des pièces assemblées.
La solution envisagée ici a pour but d'obtenir un contact entre les deux parties de la liaison ce qui va donner une tenue mécanique correcte de la liaison.
Brève description de l'invention
La présente invention prévoit pour ce faire une liaison en bout entre deux panneaux comportant chacun deux plaques ou peaux, définissant des faces externes desdits panneaux, reliées par une âme pleine ou alvéolée ou par un caissonnage, et comportant un bord de terminaison, pour lequel une des plaques ou peaux de chaque panneau se prolonge par une languette, la languette d'un premier desdits panneaux venant, lors de la liaison entre les panneaux, s'appliquer sur la face extérieure de la peau ou plaque dépourvue de languette d'un second desdits panneaux et pour lequel le bord d'un premier desdits panneaux, dit bord en biseau, est réalisé en biseau par rapport auxdites faces du panneau le comportant tandis que le bord du second desdits panneaux, dit bord droit, est un bord substantiellement perpendiculaire auxdites face du panneau le comportant, de sorte que la languette du panneau à bord droit, dite languette de rattrapage, comporte dans sa largeur une partie terminale en appui et une partie intermédiaire libre susceptible de fléchir pour rattraper des différences d'épaisseur entre les panneaux tandis que la languette du panneau comportant ledit bord en biseau, dite languette d'appui, est en appui sur substantiellement toute sa largeur sur la partie d'appui de la face du panneau le recevant.
Préférablement, ladite languette d'appui définit une surface de référence substantiellement rigide pour la liaison.
Selon un mode de réalisation particulier, ledit bord droit fait un angle de 90°
± 15°par rapport auxdites faces des peaux ou plaqu es du panneau le comportant.
Selon un mode de réalisation alternatif ou complémentaire, ledit bord en biseau fait un angle de 45° ± 15° par rapport à la normale auxdites faces du panneau la comportant.
Ledit bord en biseau est avantageusement réalisé par un pliage d'une première peau selon une première inclinaison en début de biseau puis selon une seconde inclinaison en fin de biseau où la première peau rejoint la seconde peau du panneau pour former une première languette dite languette d'appui à l'extrémité dudit bord en biseau.
Ledit bord droit est avantageusement une paroi reliant les deux plaques du panneau à bord droit et disposée en bout d'une première de ces plaques, ladite languette de rattrapage du panneau comportant ledit bord droit étant constituée par un prolongement d'une seconde de ses plaques en porte à faux par rapport audit bord droit.
Selon un mode de réalisation particulier le panneau comportant ledit bord droit est un panneau ou une structure métallique.
Ladite languette de rattrapage est réalisée en sorte d'avoir une flexibilité adaptée à rattraper les différences d'épaisseur des panneaux par flexion de sa partie intermédiaire libre.
En particulier, en réalisant une languette de rattrapage et un biseau suffisamment longs, la partie intermédiaire libre peut être suffisamment déformable pour venir en contact avec la face du panneau la recevant et permettre un rivetage tout en minimisant les contraintes induites par l'assemblage.
Selon un aspect préférentiel de l'invention, la liaison comporte un jour de section substantiellement triangulaire rectangle pour laquelle ledit bord en biseau constitue l'hypoténuse de ladite section, le bord droit et ladite partie intermédiaire libre constituant les deux autres côtés de ladite section. L'invention propose en outre un assemblage de deux panneaux qui comprend entre les deux panneaux une liaison rivetée comprenant au moins une première ligne de rivets de fixation de la languette d'appui du panneau comportant ledit bord en biseau sur une face d'appui du panneau comportant ledit bord droit et au moins une seconde ligne de rivets de fixation de ladite partie terminale de ladite languette de rattrapage sur une face d'appui du panneau comportant ledit bord en biseau.
La paroi d'appui du panneau comportant ledit bord droit est avantageusement une bordure en retrait de la face dépourvue de languette dudit panneau en sorte de compenser l'épaisseur de la languette d'appui pour avoir les faces planes extérieures aux deux panneaux en continuité.
La paroi d'appui du panneau comportant ledit bord droit est avantageusement une bordure en retrait de la face dépourvue de languette dudit panneau et relié à ladite face par un talon formant une butée pour la languette d'appui.
La languette de rattrapage est préférablement adaptée à se courber sous l'action de l'assemblage du premier panneau et du second panneau soit en direction du premier panneau soit dans le sens opposé.
Selon un mode de réalisation particulier, la souplesse de ladite languette de rattrapage est calculée pour lui permettre de fléchir d'une distance au moins égale à la somme des tolérances des couches qui constituent chaque panneau. Selon un mode de réalisation alternatif, la souplesse de ladite languette de rattrapage est calculée pour lui permettre de fléchir d'une distance au moins égale à la somme quadratique des tolérances des couches qui constituent chaque panneau.
Pour la somme quadratique on prend la racine carrée de la somme des carrés des incertitudes de chaque couche.
Le fléchissement de ladite languette de rattrapage se mesure au point d'accostage entre ladite languette et la face du panneau sur lequel elle s'applique.
L'invention s'applique en outre à un assemblage mixte panneau composite / structure métallique pour lequel un premier desdits panneaux est un panneau composite et un second desdits panneaux est une structure métallique.
Le panneau composite est avantageusement le panneau comportant ledit bord en biseau et, le panneau composite comprenant une âme entre une première peau et une seconde peau, l'âme comporte un bord en biseau partant de la première peau pour s'étendre vers la seconde peau, la première peau épousant la pente du bord en biseau pour rejoindre la seconde et réaliser la languette d'appui.
La structure métallique est avantageusement le panneau comportant ledit bord droit.
Brève description des dessins
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention seront apparents à la lecture de la description qui suit d'un exemple non limitatif de réalisation de l'invention en référence aux dessins qui représentent:
en figure 1 : une terminaison de structure métallique et une terminaison de panneau composite de l'invention en vue de côté coupe et en vis à vis;
aux figures 2A et 2B: des vues de la terminaison de la figure 1 respectivement pour un jeu négatif et un jeu positif;
en figure 3: un détail de la structure de la figure 1 ;
en figure 4: la modélisation d'une languette de rattrapage de la structure métallique de la figure 1 ;
aux figures 5A et 5B: des modélisations des contraintes dans la structure pour les jeux des figures 2A et 2B;
en figure 6: un exemple de structure recevant un panneau conformément à l'invention;
aux figures 7A et 7B: des représentations schématique de l'assemblage de la figure 1 au niveau de la languette de rattrapage en vue de face;
aux figures 8A à 8C: un exemple de rivet utilisable pour l'invention.
en figure 9: une vue en perspective d'une voiture ferroviaire comportant des panneaux composites fixés avec une structure inférieure métallique au moyen d'une liaison selon l'invention;
en figure 10: une vue en perspective de l'assemblage d'un partie de panneau et de structure de la figure 9;
en figure 1 1 : une vue en coupe de côté de l'assemblage de la figure 10.
Description détaillée de modes de réalisation de l'invention
La présente invention s'inscrit dans le cadre de l'assemblage de panneaux de longueur importante et notamment dans le cadre de l'étude du remplacement de panneaux aluminium ou acier notamment de caisses de voitures ferroviaires par des panneaux latéraux composites. Dans ce cadre, comme représenté en figure 9, des panneaux composites 300 se fixent à des éléments de châssis métalliques 200 composant la base des voitures dans le but de gagner du poids sur la structure et des panneaux de pavillon 301 se fixent sur lesdits panneaux latéraux. Ceci permet d'augmenter la charge utile de la caisse, que ce soit en nombre de passagers ou en équipement embarqué.
Une des contraintes d'une telle réalisation est de minimiser les coûts d'assemblage des pièces de grandes dimensions comme celles qui composent la caisse de train, notamment les façades latérales, le châssis métallique et le pavillon. Pour cela il faut trouver le compromis idéal entre le coût de fabrication des pièces primaires et le coût d'assemblage pur. Ce dernier est dirigé par le temps nécessaire à la manipulation et la complexité d'opération.
Le procédé de rivetage est bien adapté à la réalisation de liaisons entre des pièces de grandes dimensions et convient pour l'assemblage des pièces précédemment cités.
Dans le secteur aéronautique, beaucoup de solutions au cas par cas sont utilisés lors de l'assemblage (métrologie, ré-usinage des pièces, utilisation de calles physiques usinées...). Dans le domaine ferroviaire visé, le prix accepté par unité de masse gagnée sur une caisse de train est nettement inférieur au prix accepté pour la même unité de masse gagnée sur un aéronef par exemple. En outre le coût de fabrication des pièces tels que des panneaux doit rester réduit ce qui ne permet pas de réduire autant que dans l'aéronautique les tolérances dimensionnelles acceptables des pièces.
Des tolérances de fabrication trop contraignantes imposeraient des prix de fabrication trop importants. Il est connu que les structures fortement hyperstatiques constituées de grandes pièces relativement souples et sujettes à des défauts géométriques ne peuvent pas être assemblées sans subir des déformations. Il en résulte un état géométrique et des contraintes résiduelles partiellement maîtrisées.
La présente invention propose une nouvelle approche qui utilise la flexibilité d'une pièce lors de l'assemblage de panneaux ce qui va permettre d'autoriser une plus grande tolérance sur les dimensions des pièces en particulier de l'épaisseur des panneaux composites qui vont être assemblés sur des structures métalliques. La présente invention permet également d'obtenir des tolérances de défaut de forme plus larges pour la fabrication des pièces, donc un coût le plus faible possible, tout en assurant la performance de l'assemblage en utilisant la flexibilité d'une partie de l'assemblage.
Les panneaux composites sont des produits solides comportant des peaux ou plaques réalisées avec un matériau de liaison appelé matrice et d'un matériau de renfort en général sous forme de fibres qui prennent en sandwich un matériau de comblement léger, mousse, matériau alvéolaire, matériau ni d'abeille ou autre appelé âme.
La matrice conserve la disposition géométrique des fibres et leur transmet les sollicitations auxquelles est soumise la pièce. Le matériau obtenu est ainsi léger, possède une bonne tenue en fatigue et possède de bonnes caractéristiques mécaniques dans le sens des fibres.
Dans le cas de pièces de grande longueur, un défaut d'épaisseur ou de planéité d'un panneau tel qu'un panneau composite va se traduire par exemple par des ondulations du panneau sur la longueur du panneau.
Le mode d'assemblage privilégié pour lier deux pièces minces de grandes dimensions est le rivetage. Ce procédé utilise fréquemment des rivets dits aveugles car ils nécessitent d'avoir accès à seulement un coté de l'assemblage. A l'aide de pistolet à pression on vient tirer sur la tige du rivet, ce qui permet d'écraser la tête de l'autre coté. La tige est dimensionné pour se casser en sa base à partir d'une certaine pression.
Dans le cas de caisses de train l'assemblage est composé de deux lignes de rivets. La première se situe sur la face extérieure du train, la seconde se situe sur la face intérieure du train.
Des lignes de rivetages sont par exemple représentées sous les repères 1 10, 120 sur la figure 10 entre le panneau 300 et la structure ou châssis métallique 200 de bas de caisse de voiture ferroviaire utilisable pour recevoir un panneau fixé selon l'invention.
Dans une application à la réalisation de caisses de train notamment, en fonction de la chaleur et de l'hydrométrie, la température d'une caisse de train peut monter à des températures dépassant les 80°C c e qui sollicite de manière importante les assemblages et en particulier les assemblages composite/métal ce qui impose des contraintes de dimensionnement particulières.
Dans le contexte de l'invention et selon la figure 1 , le bord d'un panneau composite 1 à fixer comporte un retour à la peau formant une languette 17 de fixation venant en appui sur une face du panneau métallique 2 et appelée ici languette d'appui dans le sens qu'elle constitue une surface d'appui de référence substantiellement rigide pour l'assemblage.
Le panneau métallique 2 comporte de son côté une languette métallique 24 pourvue d'une partie terminale en appui sur une face du panneau composite mais aussi pourvue d'une partie intermédiaire libre d'appui sur une longueur qui permet d'apporter de la flexibilité pour l'assemblage, cette languette étant appelée languette de rattrapage. Les rivets sont positionnés au niveau de la partie des languettes en appui sur les faces des panneaux et insérés dans des perçages, une série de perçages P1 traversant la languette de rattrapage et une première peau 10 du panneau et une série de perçages P2 traversant la partie en appui de la languette de rattrapage et une paroi d'appui 21 du châssis.
Par surface d'appui de référence substantiellement ou essentiellement rigide on entend que la languette d'appui est suffisamment rigide pour que son éventuel fléchissement reste négligeable par rapport à la flexion de la languette de rattrapage en cas de différence d'épaisseur des panneaux au niveau de la liaison, ce qui correspond par exemple à un fléchissement angulaire de la languette d'appui 10 à 100 fois inférieur à celui de la languette de rattrapage au niveau de leur jonction avec le bord du panneau les portant pour un écart d'épaisseur.
De même la languette d'appui est en appui sur substantiellement toute sa longueur exprime que même si une petite partie de la languette d'appui est en porte à faux, cette petite partie reste de longueur négligeable par exemple jusqu'à 10% de la longueur de la languette et est de longueur insuffisante pour apporter un fléchissement angulaire significatif de la languette d'appui.
Les défauts de forme des pièces composites sont induits notamment par la forme imparfaite du moule. Les défauts du moule entraînent une première famille de défauts sur la pièce produite.
Une deuxième source de défauts vient des efforts de déformation après polymérisation. Le procédé de fabrication des matériaux composites entraînent des tensions internes qui se relâchent après polymérisation, ce qui conduit à une déformation globale de la pièce par effet ressort appelé en anglais "spring back".
Ces deux sources de défauts induisent les défauts de forme Df sur les pièces composites.
Une troisième source de défauts proviens, sur la face opposée au moule, des variations d'épaisseurs liées aux dispersions de fabrications (cumul des tolérances des couches successives de matériaux assemblés sur le moule) : ce qui donne lieu à des défauts d'empilement.
Le panneau composite 1 comprend une première peau 10 et une seconde peau 1 1 disposées de part et d'autre d'une âme 12 en mousse, nid d'abeille ou autre matériau léger. Il comprend, au niveau d'au moins un bord du panneau composite, une terminaison d'assemblage comportant la bordure 17 de retour à la peau réalisée en solidarisant ensemble les deux peaux 10, 1 1 et formant la languette d'appui.
Pour améliorer la jonction entre les peaux et la rigidité du bord du panneau au niveau de la terminaison, le bord 13 de l'âme est découpé en biseau pour réaliser une zone de transition progressive depuis la première face 14 vers la seconde face 15 du panneau, la première peau 10 recouvrant la zone de transition depuis la première face vers la seconde face du panneau pour venir s'appliquer sur la seconde peau 1 1 qui prolonge cette seconde face et réaliser la languette d'appui 17 par retour à la peau du panneau composite.
Du fait de sa constitution par solidarisation des deux peaux la languette d'appui est relativement rigide et non flexible.
La structure métallique 2 comprend pour sa part une extrémité 20 de jonction avec le panneau composite pourvu d'une paroi d'appui 21 en regard de la languette d'appui 17.
Cette structure comporte en outre une paroi de liaison 22 entre ladite paroi d'appui et une seconde face 23 de la structure, cette paroi de liaison formant un bord substantiellement droit.
Par bord substantiellement ou essentiellement droit on entend un bord perpendiculaire ou le plus perpendiculaire possible aux peaux ou plaques 23, 24, 21 , 26 compte tenu des tolérances de découpe, usinage ou de moulage. On considère dans le contexte de la présente invention comme bord substantiellement ou essentiellement droit un bord à 90° ±15° de la surface des peaux ou plaques.
La languette 24 s'étend au delà du bord droit sur la face 23 de la structure opposée à celle portant la paroi d'appui 17. La languette 24 est en porte à faux et vient s'appliquer sur la première face 14 du panneau composite.
La languette 24 comporte une partie libre de longueur "a" et une partie en appui de longueur "b"+"c".
La partie libre se situe au dessus du bord en biseau 13 du panneau 1 et permet à la languette 24 de fléchir ce qui lui donne une fonction de rattrapage de jeu et de défauts comme il sera vu plus loin.
Pour ce qui concerne le bord en biseau on considère qu'une plage de 30°à 60° soit 45° ± 15° par rapport à la normale aux pla ques permet d'avoir une longueur libre de languette adéquate pour l'invention.
La partie de la languette 24 en appui sur la première face 14 du panneau et la bordure 17 sur la paroi d'appui 21 constituent des zones de réception de moyens de fixation tels que des rivets.
Les défauts que permet de rattraper la languette de rattrapage 24 sont notamment les défauts d'empilement du panneau composite et de la structure.
Ces défauts d'empilement De sont constitués par la somme des tolérances de toutes les couches qui constituent chaque panneau (peau, âmes du sandwich, etc..) Il peut s'agit d'une addition classique, où d'une addition quadratique (on prend la racine carrée de la somme des carrés des incertitudes de chaque couche) plus réaliste du point de vue risque d'occurrence, et donc préférées par les inventeurs. Sa valeur est de l'ordre de ±1 millimètre pour un empilement tel celui de la figure 1 , quand les panneaux ont une épaisseur de l'ordre de 50 mm, les peaux du sandwich composite ayant une épaisseur d'environ 3 mm.
La languette est adaptée à se courber sous l'action de l'assemblage du panneau et de la structure soit en direction du panneau comme représenté en figure 2A avec un déplacement -y correspondant à une sous épaisseur du panneau par rapport à la structure soit dans le sens opposé en figure 2B avec un déplacement +y correspondant à une sur épaisseur du panneau par rapport à la structure.
La figure 3 représente un exemple de structure 200 comportant une première face 26 terminée au niveau de la partie d'assemblage avec un panneau composite par la paroi d'appui 21 et qui comporte une seconde face 23 qui se prolonge par la languette 24. L'agrandissement en figure 3 permet de distinguer un talon 25 reliant la paroi d'appui 21 à la première face 26 de la structure. Ce talon permet ici d'obtenir une face extérieure plane entre le panneau et la structure, la différence de hauteur entre la partie d'appui 21 et la plaque 26 de la structure correspondant à l'épaisseur de la languette d'appui 17 du panneau composite. Le talon peut en outre servir de butée pour la bordure 17 de l'extrémité d'assemblage du panneau.
Comme vu plus haut, la languette 24 est destinée par sa souplesse à rattraper les jeux d'empilement, mais elle ne pourra rattraper à elle seul les jeux dus aux tolérances de forme : en fait c'est la souplesse du panneau et de la structure, souplesse due à leur grande dimension dans le sens de la longueur qui permet de rattraper ce jeux.
Il est à noter qu'il est bien connu que cette souplesse dépend de la forme du panneau et de la structure, et par exemple un panneau plan sera très souple alors qu'un panneau courbe comme celui de la figure 3 sera beaucoup moins souple.
Comme expliqué dans la partie précédente, pour réaliser l'assemblage sans avoir de jeu à combler, il faut augmenter la souplesse de la pièce métallique pour diminuer la contrainte interne au niveau de l'assemblage. C'est le rôle de la languette de rattrapage 24 d'apporter cette souplesse dans l'assemblage, par une conception adaptée de cette languette.
Pour cette conception adaptée, il y a lieu de se donner un certain nombre d'objectifs, liés au bon fonctionnement de la structure assemblée.
De manière générale, pour la conception de cette liaison :
- On se donne un critère de contrainte de flambage maximale admissible dans la languette;
- On se donne un critère de contrainte résiduelle maximale admissible dans la languette;
- On se donne un jeux maximum de liaison admissible, susceptible d'un comblage par mastic;
- On définit l'épaisseur du linguet de façon qu'il puisse supporter les efforts en matage dus à la liaison;
- Sur la base de cette épaisseur et du critère de flambage, on en déduit la longueur maximale possible du linguet; - Sur la base de cette longueur, de l'épaisseur et du critère de contrainte résiduelle, on calcule l'effort maximum de serrage de la liaison, dont on déduit la déformée maximale;
- On compare cette déformée à la tolérance maximale possible due aux empilements des constituants des panneaux, en s'assurant que l'écart maximal entre la déformée et la tolérance maximale est inférieure au jeux maximum de liaison admissible;
- On s'assure qu'avec les efforts ainsi définis, on pourra rattraper les jeux du aux tolérances de forme pour la liaison réelle à réaliser.
Dans l'hypothèse où l'on ne peut pas rattraper respectivement les tolérances d'empilement ou de forme, on réitère l'analyse en réduisant respectivement ces tolérances.
En pratique, on démarrant l'analyse avec des tolérances standard qui permettent d'avoir un cout minimum des panneaux, on peut être amené à réduire ces tolérances et donc à augmenter le cout des panneaux, mais cette augmentation sera la plus faible possible.
Il faut d'abord que la languette de rattrapage modélisée à la figure 4, aussi appelée ci-après linguet, et la liaison soient capables de supporter les efforts de de la structure en fonctionnement. Ces efforts supposés connus permettent de déterminer le nombre d'éléments de liaison/rivets, leur diamètre D, le pas P entre deux rivets en fonction en particulier de leur caractéristiques. Le fonctionnement par matage de ces rivets permet de déterminer l'épaisseur du linguet :
e > F_cisaillement / (D * o matage)
avec :
e = épaisseur du linguet (mm);
o matage = contrainte de matage admissible sur (MPa);
D = diamètre du rivet (mm);
F_cisaillement = effort externe de cisaillement appliqué sur un rivet (N).
Par ailleurs, il faut que la liaison soit capable de supporter tous les efforts auxquels elle sera soumise en fonctionnement. L'effort le plus dimensionnant est la tenue en flambage du linguet lors d'un effort de flexion de la liaison pour ce faire, la contrainte de flambage Of doit être supérieure à la limite élastique oe du matériau utilisé, en fait avec un coefficient de sécurité de 1 ,5. La contrainte de flambage peut être calculée de diverses façon, on l'estime ici par assimilation du linguet à un intermédiaire entre une poutre encastrée - encastrée et une poutre encastrée-guidée :
F_critique flambage = T E If / Ik
Avec :
E = module élastique du matériau du linguet (MPa);
If = Inertie de flexion du linguet = b * e3 / 12;
Ik = 0,6 ;
D'où :
0_crltique flambage = ("Π"2 * E* e2)/(4,32 * l_2) > 1 ,5 Oe
avec :
L: longueur du linguet jusqu'au point d'introduction du serrage (mm);
e = épaisseur du linguet (mm);
oe = limite élastique du matériau utilisé (MPa);
D'où :
L < π * e * E1/2 * 1 / (4,32 * 1 ,5 * σθ )1/2
Pour que le linguet 24 reste utilisable dans sa fonction, il faut également que la contrainte de flexion induite par le serrage n'atteigne pas une fraction de la limite élastique du matériau ; la valeur maximale om admissible pour cette contrainte résiduelle dépend de l'assemblage et de sa fonction, mais en première estimation on peut choisir que cette contrainte maximale ne dépasse pas la moitié du potentiel de contrainte à limite élastique du matériau ,soit om = 1 / (2 *1 ,15) * oe. Cette contrainte permet de calculer la flèche maximale atteignable par le linguet, et donc le jeu maximal qui peut être rattrapé.
Si ym est cette flèche, elle est liée à la contrainte maximale acceptable dans le linguet par la relation (approximation du linguet par une poutre encastrée) : ym = om * (2 * L2) / (3 * E * e)
La comparaison de cette flèche maximale atteignable avec le défaut d'empilement De permet de vérifier si l'assemblage est possible :
Soit ym > De - m, où m est le jeux résiduel qui peut être comblé par un mastic ; m vaut au maximum 0,7 mm de façon classique. Alors, l'assemblage est réalisable. Soit ym < De - m alors l'assemblage n'est pas réalisable ; il faut revoir la chaîne de côte qui doit être plus contraignante ; et les pièces seront plus chère à fabriquer.
Il reste à vérifier que le flux d'effort d'accostages maximal Fa appliqué en bout de linguet sera suffisant pour assurer cette déformation. Pour réaliser l'opération d'assemblage, on utilise usuellement des épingles, qui sont des dispositifs d'accostage provisoire que l'on place dans les trous prévus pour les rivets de l'assemblage final ; connaissant l'effort maximal d'accostage d'une épingle (Tepingie) et considérant une épingle dans chaque trou, on calcule Ka = Tepingie / P et que cette valeur est supérieure à l'effort K nécessaire pour faire fléchir le linguet de la valeur du défaut maximal De:
K = 3 * De * E * e3 / (L3 * 12)
A l'issu de cette première phase de prédéfinition du linguet, l'analyse se poursuit par un calcul qui permet de vérifier les exigences d'assemblages en prenant en compte les défauts de formes des panneaux à assembler dans leurs grandes longueurs.
Cela nécessite un calcul aux éléments finis, dans lequel on modélise l'ensemble des deux pièces à assembler, y compris le linguet ou languette de rattrapage défini précédemment, avec les hypothèses suivantes ;
La déformation est assurées par des épingles d'assemblage utilisant les lieux prévus par les rivets ; les épingles d'assemblage sont des produits standards, dont la force de serrage est connue .
Le défaut de forme est modélisé soit par des outils (tels le logiciels de simulation d'assemblage 3DCS de la société HITEX), soit avec un logiciel de calcul par élément fini sous forme d'un défaut sinusoïdal de longueur d'onde variable, dont l'amplitude est le défaut de forme attendu.
Le calcul donne au final :
- le jeux résiduels qui doivent être au maximum mentionnés ci-dessus (m)
- les contraintes résiduelles qui ne doivent pas dépasser om
Si ces objectifs ne sont pas atteints, il y a lieu de spécifier des défauts de forme plus faibles, ce qui complique les procédé de fabrication des pièces et donc leur coût. On notera que la démarche mentionnée précédemment porte sur le cas pire, qui indique la faisabilité de l'assemblage, et la classe des tolérances de fabrication nécessaires au succès de l'assemblage. Quand cette faisabilité est démontré, il est toujours possible d'optimiser la conception que ce soit en termes de longueur de linguet, choix de matériau, contraintes résiduelles, jeux résiduels et coût.
Augmenter la longueur du linguet permet donc de diminuer fortement la contrainte maximum interne au châssis ou structure métallique. Toutefois augmenter indéfiniment la longueur du linguet n'est pas possible. Il y a un risque de flambage du linguet.
Aussi, un compromis entre la longueur du linguet et donc de la terminaison du panneau composite et de sa partie de retour à la peau et sa souplesse est possible selon les pièces à raccorder, leurs dimensions et les efforts qu'elle ont à passer.
Les figures 5A et 5B représentent la localisation des contraintes σ maximales, σ MI dans le cas d'un jeu négatif - y pour la figure 5A où la contrainte maximale σΜι est située à la jonction entre le linguet ou languette de rattrapage et la paroi de liaison 22 et σ M2 dans le cas d'un jeu positif +y dans le cas de la figure 5B où la contrainte maximale OM2 se situe dans la zone d'accostage du linguet sur la première face 14 du panneau.
Pour mieux décrire la mise en œuvre de l'invention, on va considérer le cas présenté à la figure 6 . Cette figure représente la structure en aluminium 200 de la figure 3 en perspective, cette structure devant être assemblée avec un panneau en matériau sandwich composite. La longueur des deux pièces et de la liaison est de 10 m et les rivets sont alignés selon deux lignes 1 10 et 120 sur les deux côtés de la structure.
La figure 7A représente un défaut de forme à rattraper Df entre le panneau composite et la structure métallique La figure 7B représente en partie gauche l'écart Ay et en partie droite le résultat après serrage au moyen d'outillages adaptés (épingles par exemple) ou des rivets 30.
A titre d'exemple on considérera un panneau tel que l'épaisseur de l'âme en mousse du panneau sandwich est de 38mm, l'épaisseur des peaux est de 3 mm, Le retour à la peau du panneau composite s'effectue avec un angle de 45° et un jeu de 10 mm est prévu entre le linguet ou languette de rattrapage 24 et la première face 14 du panneau lorsque la bordure 17 est posée sur la paroi d'appui 21 été choisi afin d'éviter un double contact.
La structure de l'exemple est en aluminium 6005 T6 de 3 à 5 mm d'épaisseur, son module d'élasticité vaut E=70GPa, et sa limite élastique vaut oe > 220MPa
Par ailleurs, les sollicitations en utilisation ont permis de définir la liaison qui sera réalisée à l'aide de rivets aveugles à tirer en inox passivés de 6,58mmde diamètre, réparti selon un pas de P=60mm, devant permettre d'assurer la tenue sous un flux d'effort de cisaillement de 70 N/mm
Les épingles utilisées pour réaliser l'assemblage permettent de passer un effort de 2000N.
Concernant le défaut d'empilage (chaîne de cote), on le considère égal à ±0,74mm (approche quadratique retenue).
On obtient donc pour le linguet le résultat suivant :
Epaisseur > 2,1 mm soit 3mm retenu;
Longueur maximale L < 69 mm avec cette épaisseur de 3mm;
Flèche maximale admissible par le linguet en flexion = 1 ,5mm , donc supérieur au défaut à rattraper
Flux d'effort d'accostage nécessaire pour déformer le linguet de la valeur du défaut = 1 ,1 N/mm, donc inférieur au flux d'effort d'accostage maxi assuré par les épingles de 33N/mm
On constate donc que les critères que l'on s'est fixé pour définir le linguet sont donc vérifié. L'analyse va se poursuivre par la prise en compte des défauts de formes de pièces à assembler, négligées à ce stade.
Les défauts de forme des pièces dans la grande longueur du panneau de 10m de l'exemple, à titre d'initialisation au départ de l'analyse, seront représentés par:
- Pour la structure métallique : une sinusoïde d'amplitude 15mm crête à crête, et une longueur d'onde de 2,5m, ce défaut correspondant à une tolérance de forme globale de 15mm associé à une tolérance de forme locale de 0,6mm sur 300mm, conforme aux défauts susceptible d'être rencontré sur un profilé en aluminium filé; - Pour le panneau composite : une sinusoïde d'amplitude 15 mm crête à crête, et une longueur d'onde du défaut identique à celui du panneau métallique, soit 2,5 m, mais en opposition de phase par rapport à ce dernier.
Les conditions aux limites permettant de réaliser les simulations d'assemblages et les conditions de validité de la liaison sont précisées ci- dessous et à titre d'exemple, les efforts d'accostage sont fixés à 2000N tous les 240mm (1 épingle tous les 5 trous), soit un flux d'effort d'épinglage de 8333N/mm.
En terme de jeu maxi admissible entre pièces après accostage :
En B : m < 0,7mm;
En A : m < 0,1 mm (plus faible qu'en A car on ne souhaite pas faire de comblage liquide dans cette zone);
En terme de contraintes maxi admissible dans les pièces après accostage : Pièce métallique : critère de Von Mises om < 220 * (1 / (2 * 1 ,15) = 95MPa; Pièce composite : critère de Hashin < 0,15 = (1 / ( 2 * 1 ,3)) 2
Le coefficient 1 ,3 correspond au coefficient de sécurité à rupture spécifié dans la norme de dimensionnement des caisses NF EN 12663-1 .
La souplesse des pièces dépendants des courbures des panneau, deux cas d'assemblages correspondant à deux géométries de panneaux composites ont été étudiés : le cas d'un panneau composite plan (tel qu'une face), et le cas d'un panneau composite courbe (tel qu'un panneau de pavillon).
La figure 1 1 présente la vue d'un cas de panneau courbe 300' assemblé avec la structure de caisse 200 ou un autre panneau.
Dans les analyses qui vont suivre, la longueur du linguet ou languette de rattrapage 24' est fixée géométriquement à 62mm.
Les résultats des deux analyses par calcul aux éléments finis sont présentés ci-dessous :
Pour la liaison entre un panneau composite plan comme en figure 10 et une structure ou panneau métallique, les exigences de validité de la liaison sont assurées pour les tolérances suivantes sur le panneau composite et le panneau métallique :
- une sinusoïde d'amplitude 4,5mm crête à crête et une longueur d'onde de 2,5m, ce défaut correspondant à une tolérance de forme globale de 4,5mm associé à une tolérance de forme locale de 0,2mm sur 300mm; - une sinusoïde d'amplitude 7,5mm crête à crête et une longueur d'onde de 5m, ce défaut correspondant à une tolérance de forme globale de 7,5mm associé à une tolérance de forme locale de 0,1 mm sur 300mm.
Pour le panneau composite courbe de la figure 1 1 , les exigences de validité de la liaison sont assurées pour des tolérances plus contraignantes sur les panneaux à assembler, puisque la raideur du panneau composite limite sa capacité à se déformer. Le défaut maximal justifié correspond à une sinusoïde d'amplitude 4,5mm crête à crête et une longueur d'onde de 5m. Ce défaut correspond à une tolérance de forme globale de 4,5mm associé à une tolérance de forme locale de 0,1 mm sur 300mm.
On voit ainsi que comme attendu, l'assemblage dans le cas du panneau composite courbe demande que sa tolérance de forme soit quasiment deux fois plus faible que celle nécessaire dans le cas de l'assemblage du panneau plan ; et donc que sont cout soit supérieur
En outre, pour obtenir le respect des critères d'accostage dans ces conditions, la longueur du linguet a dû être allongée à sa valeur maximale, soit 69mm afin de maximiser la souplesse de ce dernier.
Les figures 8A à 8 C représentent un rivet aveugle pouvant être utilisé pour réaliser l'assemblage de l'invention.
En figure 8A le rivet 30 est représenté avant son écrasement pour serrer une pièce externe A sur une pièce interne B, par exemple la paroi d'appui et le linguet ou languette de rattrapage et la première peau du panneau.
Le rivet selon l'exemple comporte une tige 31 terminée par un renflement 36, une tête 32, ici une tête fraisée, un corps 33 creux recevant la tige et comportant une partie conique 33a, une rondelle hélicoïdale 34 et un manchon déformable 35.
La rondelle hélicoïdale est disposée entre le manchon 35 et la partie conique 33a du corps creux 33 et le manchon déformable 35 est retenu par le renflement 36 de la tige 31 contre la rondelle.
En figure 8B, une traction sur la tige 31 tire sur le renflement 36 qui pousse la rondelle 34 et le manchon 35 sur le corps 33. La rondelle est expansée et le manchon s'écrase longitudinalement tout en s'élargissant en montant sur la partie conique du corps. En figure 8C, la rondelle 34 est en butée contre la pièce interne B et est maintenue au moyen de l'écrasement du manchon 35. Une fois que l'effort de serrage calibré correspondant à la rupture de la tige 31 est atteint, cette dernière casse pour laisser une surface externe sans aspérité.
Pour la voiture ferroviaire de la figure 9 comportant des panneaux composites fixés avec une structure inférieure métallique, les faces latérales 300 de la voiture sont rivetées conformément à l'invention sur la caisse 200, structure située en partie inférieure de la voiture.
L'invention n'est pas limitée aux exemples représentés et notamment un élément renfort tubulaire ou selon un autre profil tel qu'un oméga peut être prévu dans le panneau sous la première peau 10 au droit des zones de perçage P1 recevant les rivets 30 pour renforcer le panneau. De même la structure métallique peut être de hauteur H variée, être droite ou un posséder un rayon de courbure différent de celui représenté.

Claims

R E V E N D I C A T I O N S
1 - Liaison en bout entre deux panneaux (1 , 2, 200, 300, 300') comportant chacun deux plaques ou peaux (10, 1 1 , 23, 26), définissant des faces externes desdits panneaux, reliées par une âme pleine ou alvéolée ou par un caissonnage (12, 27), et comportant un bord de terminaison, pour lequel une des plaques ou peaux de chaque panneau se prolonge par une languette (17, 24), la languette d'un premier desdits panneaux venant, lors de la liaison entre les panneaux, s'appliquer sur la face extérieure de la peau ou plaque (10, 26) dépourvue de languette d'un second desdits panneaux et pour lequel le bord d'un premier desdits panneaux, dit bord en biseau (13), est réalisé en biseau par rapport auxdites faces du panneau le comportant (10, 1 1 ) tandis que le bord du second desdits panneaux, dit bord droit (22), est un bord substantiellement perpendiculaire auxdites face du panneau le comportant, de sorte que la languette du panneau à bord droit, dite languette de rattrapage (24), comporte dans sa largeur une partie terminale en appui (b, c) et une partie intermédiaire libre (a) susceptible de fléchir pour rattraper des différences d'épaisseur entre les panneaux tandis que la languette du panneau comportant ledit bord en biseau, dite languette d'appui (17), est en appui sur substantiellement toute sa largeur sur la partie d'appui (21 ) de la face du panneau le recevant.
2 - Liaison en bout selon la revendication 1 , pour laquelle ladite languette d'appui (17) définit une surface de référence substantiellement rigide pour la liaison.
3 - Liaison en bout selon la revendication 1 ou 2, pour laquelle ledit bord droit (22) fait un angle de 90° ± 15° par rapport a uxdites faces des peaux ou plaques (23, 26) du panneau le comportant.
4 - Liaison en bout selon la revendication 1 , 2 ou 3, pour laquelle ledit bord en biseau (13) fait un angle de 45° ± 15° par rapport à la normale auxdites faces (10, 1 1 ) du panneau la comportant.
5 - Liaison en bout selon l'une quelconque des revendications précédentes, pour laquelle ledit bord en biseau (13) est réalisé par un pliage d'une première peau (10) selon une première inclinaison en début de biseau puis selon une seconde inclinaison en fin de biseau où la première peau (10) rejoint la seconde peau (1 1 ) du panneau pour former la première languette dite languette d'appui (17) à l'extrémité dudit bord en biseau.
6 - Liaison en bout selon l'une quelconque des revendications précédentes, pour laquelle ledit bord droit (22) est une paroi reliant les deux plaques (23, 26) du panneau à bord droit et disposée en bout d'une première de ces plaques (26), ladite languette de rattrapage (24) du panneau comportant ledit bord droit (22) étant constituée par un prolongement d'une seconde de ses plaques (23) en porte à faux par rapport audit bord droit (22).
7 - Liaison en bout selon l'une quelconque des revendications précédentes, pour laquelle le panneau (2, 200) comportant ledit bord droit est un panneau ou une structure métallique.
8 - Liaison en bout selon l'une quelconque des revendications précédentes, pour laquelle ladite languette de rattrapage (24) est réalisée en sorte d'avoir une flexibilité adaptée à rattraper les différences d'épaisseur des panneaux par flexion de sa partie intermédiaire libre (a).
9 - Liaison en bout selon l'une quelconque des revendications précédentes, pour laquelle, en réalisant une languette de rattrapage (24) et un biseau (13) suffisamment longs, la partie intermédiaire libre (a) est suffisamment déformable pour venir en contact avec la face du panneau la recevant et permettre un rivetage tout en minimisant les contraintes induites par l'assemblage.
10 - Liaison en bout selon l'une quelconque des revendications précédentes, pour laquelle la liaison comporte un jour de section substantiellement triangulaire rectangle, ledit bord en biseau (13) constituant l'hypoténuse de ladite section, le bord droit (22) et ladite partie intermédiaire libre (a) constituant les deux autres côtés de ladite section.
1 1 - Assemblage de deux panneaux au moyen d'une liaison selon l'une quelconque des revendications précédentes qui comprend entre les deux panneaux une liaison rivetée comprenant au moins une première ligne de rivets (P2, 120) de fixation de la languette d'appui (17) du panneau comportant ledit bord en biseau (13) sur une face d'appui (26, 21 ) du panneau comportant ledit bord droit et au moins une seconde ligne de rivets (P1 , 1 10) de fixation de ladite partie terminale de ladite languette de rattrapage (24) sur une face d'appui (10) du panneau comportant ledit bord en biseau.
12 - Assemblage selon la revendication 1 1 pour lequel la paroi d'appui (21 ) du panneau comportant ledit bord droit est avantageusement une bordure en retrait de la face (26) dépourvue de languette dudit panneau en sorte de compenser l'épaisseur de la languette d'appui pour avoir les faces planes extérieures (26, 1 1 ) aux deux panneaux en continuité.
13 - Assemblage selon la revendication 1 1 ou 12 pour lequel la paroi d'appui du panneau comportant ledit bord droit est avantageusement une bordure en retrait (21 ) de la face dépourvue de languette dudit panneau et relié à ladite face par un talon (25) formant une butée pour la languette d'appui (17).
14 - Assemblage selon la revendication 1 1 , 12 ou 13 pour lequel la languette de rattrapage (24) est préférablement adaptée à se courber sous l'action de l'assemblage du premier panneau et du second panneau soit en direction du premier panneau (-y) soit dans le sens opposé (+y).
15 - Assemblage selon la revendication 14, pour lequel la souplesse de ladite languette de rattrapage est calculée pour lui permettre de fléchir d'une distance au moins égale à la somme des tolérances des couches qui constituent chaque panneau.
1 6 - Assemblage selon la revendications 14, pour lequel la souplesse de ladite languette de rattrapage est calculée pour lui permettre de fléchir d'une distance au moins égale à la somme quadratique des tolérances des couches qui constituent chaque panneau.
17 - Assemblage selon la revendication 16, pour lequel pour la somme quadratique on prend la racine carrée de la somme des carrés des incertitudes de chaque couche.
18 - Assemblage selon la revendication 15, 1 6 ou 17 pour lequel Le fléchissement de ladite languette de rattrapage se mesure au point d'accostage entre ladite languette (24) et la face (10) du panneau sur lequel elle s'applique.
19 - Assemblage selon l'une quelconque des revendications 1 1 à 18, pour lequel un premier desdits panneaux est un panneau composite et un second desdits panneaux est une structure métallique. 20 - Assemblage selon la revendication 19, pour lequel le panneau composite est le panneau comportant ledit bord en biseau et la structure métallique est le panneau comportant ledit bord droit.
21 - Assemblage selon la revendication 19 ou 20, pour lequel le panneau composite comprenant une âme (12) entre une première peau (10) et une seconde peau (1 1 ), l'âme comporte un bord en biseau partant de la première peau pour s'étendre vers la seconde peau, la première peau épousant la pente du bord en biseau pour rejoindre la seconde peau et réaliser la languette d'appui.
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