FR2993284A1 - Complexe textile de renforcement pour pieces composites, et pieces composites integrant un tel complexe - Google Patents

Abstract

Complexe textile de renforcement (1) pour pièce composite, comportant plusieurs couches (2,3,4) de fils de haute ténacité, lesdits fils étant disposés parallèlement à l'intérieur de chaque couche et sans embuvage, à savoir : . une première couche (2) dont les fils (6) sont orientés selon une direction de référence (7) ; . une seconde couche (3) dont les fils (8) sont orientés dans une direction (9) formant un premier angle (theta ) par rapport à la direction de référence (7) ; . une troisième couche (4) dont les fils (10) sont orientés dans une direction (11) formant un second angle (theta ) par rapport à la direction de différence (7), lesdits premier et second angle étant de sens distincts, l'ensemble des couches étant reliées entre elles par couture, tricotage ou collage, caractérisé en ce que la deuxième et la troisième couches diffèrent par au moins un paramètre choisi parmi le groupe comprenant : - la valeur absolue de l'angle de la direction des fils par rapport à la direction de référence, - la masse surfacique, - le matériau composant les fils desdites couches.

Description

COMPLEXE TEXTILE DE RENFORCEMENT POUR PIECES COMPOSITES, ET PIECES COMPOSITES INTEGRANT UN TEL COMPLEXE DOMAINE TECHNIQUE L'invention se rattache au domaine des textiles techniques, plus particulièrement aux textiles utilisés pour la fabrication de matériaux composites, dans lesquels le matériau textile est associé à une matrice, généralement thermodurcissable. Elle vise plus spécifiquement un complexe de renforcement multiaxial, dont la géométrie particulière permet d'optimiser les propriétés mécaniques des pièces composites l'intégrant. Un tel complexe textile peut trouver de multiples applications. On citera en particulier, sans qu'il s'agisse d'une quelconque limitation, l'industrie aéronautique, automobile ou aérospatiale, la fabrication de structures d'éoliennes, et en particulier des pales d'éoliennes, ou bien encore de pièces utilisées dans les installations off-shore d'extraction pétrolière ou gazière. TECHNIQUES ANTERIEURES Dans le domaine des matériaux composites, les renforts textiles employés sont destinés à conférer des propriétés mécaniques dont la définition géométrique est directement dépendante de la direction des fils composant le renfort textile. Ainsi, les renforts textiles peuvent inclure un ou plusieurs ensembles de fils de haute ténacité, orientés selon des directions privilégiées. Généralement, pour assurer un comportement orthotropique des composites réalisés, ces différents ensembles de fils sont répartis angulairement de manière équilibrée. Toutefois, une répartition angulaire constante peut ne pas être optimale dans certaines configurations, notamment dans les pièces composites qui sont sollicitées par des charges variables suivant les directions.

Par ailleurs, les structures de renforts textiles susceptibles de conférer des -2- propriétés mécaniques élevées peuvent être de diverses conceptions. Ainsi, on connait des renforts textiles réalisés à base de fils tissés dans lesquels les fils de directions différentes sont entrelacés les uns avec les autres.

On connait également, comme décrit dans le document WO 2010/014342, des structures textiles composées de nappes de fils parallèles rectilignes, qui sont associées par différents moyens, sans que les fils ne soient entrelacés entre eux. Ce type de structure couramment appelée NCF (pour Non CrimpFabric) présente l'avantage de posséder des fils parfaitement rectilignes, et donc sans embuvage, et qui expriment donc leurs propriétés mécaniques de façon optimale. Un objectif de l'invention est de permettre la réalisation de renforts de hautes performances mécaniques, en particulier pour la réalisation de pièces composites élancées ou analogues.

Pour l'application particulière aux pales d'éoliennes, on sait que ces structures peuvent être soumises à des contraintes mécaniques élevées, et ce d'autant plus qu'il s'agit de pièces de taille importante, et de forme très allongée. Ainsi, la tenue des performances mécaniques élevées conduit généralement, avec les solutions existantes, à un surdimensionnement des structures porteuses, et à des compromis concernant les durées de vie. EXPOSE DE L'INVENTION L'invention concerne donc un complexe textile de renforcement pour pièces composites, qui comporte plusieurs couches de fils de haute ténacité. Ces fils sont disposés parallèlement à l'intérieur de chaque couche et sans embuvage, et l'ensemble de ces couches est relié par tout moyen, tel que couture, tricotage ou collage.30 -3- Ce complexe comporte au moins trois couches distinctes, à savoir : - une première couche dont les fils sont orientés selon une direction de référence ; - une seconde couche dont les fils sont orientés dans une direction formant un premier angle non nul par rapport à la direction de référence ; - une troisième couche dont les fils sont orientés dans une direction formant un second angle par rapport à la direction de référence, le premier et le second angle étant de sens opposés, Conformément à l'invention, ce complexe se caractérise en ce que la deuxième et la troisième couches diffèrent par au moins un paramètre choisi parmi le groupe comprenant - - la valeur absolue de l'angle de la direction des fils par rapport à la direction de référence, - leur masse surfacique, - le matériau composant les fils desdites couches. En d'autres termes, l'invention consiste à combiner plusieurs couches de type NCF en choisissant des paramètres liés à la géométrie des couches élémentaires, c'est-à-dire leur orientation, leur masse, ou leurs propriétés intrinsèques par la sélection du matériau, de manière à obtenir un matériau globalement anisotrope, Plusieurs modes d'exécution sont possibles pour obtenir ce résultat. Ainsi, dans une première famille de réalisation, les angles faits par les fils des deuxième et troisième couches sont différents, et en particulier différents en valeur absolue de plus de 5°, pour obtenir un effet sensible. En d'autres termes, le complexe de renforcement présente donc une structure anisotrope, ou plus généralement des propriétés qui ne se déduisent pas par 30 symétrie autour d'un plan médian passant par la direction de référence, en ce -4- sens que les différentes couches qui le composent ne sont pas disposées avec des angles identiques entre elles, mais clairement différents. Grâce à cette configuration particulière, les propriétés mécaniques des pièces 5 composites intégrant ces complexes de renforcement peuvent être optimisées. Ainsi, le Demandeur a constaté que grâce à la différence entre les angles que forment les fils des couches orientées et la direction de référence, on profite d'un effet de couplage entre les déformations en flexion, et les déformations en torsion autour de la direction de référence, en conservant de bonnes propriétés 10 mécaniques par ailleurs. L'emploi de la troisième couche, disposée avec une orientation opposée, contribue à augmenter la résistance en torsion ou en flexion, tout en conservant, grâce à la différence des valeurs absolues des deux angles, un phénomène de couplage entre les phénomènes de flexion et de torsion. 15 A titre d'exemple, un tel couplage peut être avantageusement mis à profit dans des structures élancées évoluant dans un milieu fluide subissant des charges variables, telles que les éoliennes. Dans ce cas, le couplage permet par exemple de modifier l'angle d'attaque d'une pale d'éolienne, sans nécessiter de système actif, et/ou de liaison mécanique complexe, puisque la structure se déforme 20 passivement en fonction la charge subie. En faisant varier les deux angles, ainsi que par le choix des matériaux, et en particulier de leur nature ou de leur épaisseur, il est possible d'agir sur différents paramètres mécaniques des structures en incorporant de tels renforts, en jouant en particulier sur divers paramètres que sont : 25 - la raideur axiale ; - la raideur en cisaillement ; - les résistances dans le sens d'un cisaillement positif ou négatif ; - le couplage entre les phénomènes de torsion et de flexion ; - la charge critique de flambement ; 30 - la fatigue du matériau. -5- En pratique, on obtient des résultats satisfaisants lorsque l'angle que forme la seconde direction est compris entre 10° et 35°, et préférentiellement compris entre 15° et 25°. Complémentairement, des résultats satisfaisants sont obtenus lorsque l'angle de la troisième couche par rapport à la direction de référence, se situe entre 25° et 60°, dans la direction opposée par rapport à la direction de référence. Le choix des différents angles permet de privilégier un ou plusieurs paramètres mécaniques du composite intégrant le renfort.

En pratique, les fils de ténacité employés peuvent être à base de différents matériaux, en particulier, mais sans y être limités, le carbone, le verre, l'aramide, le basalte, voire certaines fibres naturelles tel que le lin. Pour privilégier certaines propriétés, il est possible de réaliser des renforts dont les différentes couches élémentaires ou plis sont constituées de fils, soit identiques, soit différents, avec toutes les combinaisons possibles entre les couches. Dans une autre famille de réalisations, il est possible d'utiliser des couches orientées dont les angles sont identiques, et symétriques par rapport à la direction de référence, mais qui ont des épaisseurs et/ou des masses surfaciques variables. Autrement dit, il est possible d'employer des couches qui présentent des masses surfaciques individuelles différentes, avec là également l'ensemble des combinaisons possibles en ce qui concerne la répartition des masses surfaciques pour chacune des couches individuelles. On a remarqué que des différences de l'ordre de 10% entre les masses des différentes couches peuvent avoir un effet sur les performances mécaniques des pièces composites intégrant de tels renforts. Dans une autre famille de réalisations, il est possible d'utiliser des couches 30 orientées qui diffèrent mécaniquement par les propriétés mécaniques des -6- matériaux constituant les fils. Ainsi, en réalisant des structures hybrides, combinant par exemple le verre et le carbone, on peut obtenir une structure anisotrope.

Bien entendu, il est possible de combiner plusieurs des paramètres évoqués ci-avant pour optimiser les propriétés mécaniques de la pièce intégrant le renfort textile, en jouant à la fois sur les angles des couches orientées, la masse surfacique relative des différentes couches entre elles, et les matériaux employés, ou seulement deux de ces paramètres.

En fonction des applications, le complexe peut être utilisé soit de façon unique, soit en combinaison avec d'autres complexes identiques ou différents, pour former des empilements.

Dans le cas d'un empilement d'au moins deux complexes identiques, on privilégiera les solutions dans lesquelles tous les complexes superposés présentent les directions de référence orientées dans la même direction. Autrement dit, on réalisera un empilement en alignant les directions à 0° des différentes couches superposées.

De même, concernant les empilements de complexes identiques, divers modes d'association sont envisageables, et en particulier les empilements dits « symétriques », dans lesquels les couches en contact, d'un complexe élémentaire à l'autre, sont de même orientation. Autrement dit, la superposition des différents complexes se fait avec retournement de l'un à l'autre, de sorte que l'empilement présente une symétrie par rapport à un plan de mi- épaisseur. Il est également possible de réaliser des empilements « directs », dans lesquels les différents complexes présentent des dispositions parfaitement identiques, 30 conduisant à des composites « non symétriques ». -7- Bien que la solution la plus simple consiste à employer les complexes n'incluant que les trois couches indiquées, dans certaines variantes, il est également possible d'inclure des couches supplémentaires.

BREVE DESCRIPTION DES FIGURES La manière de réaliser l'invention, ainsi que les avantages qui en découlent ressortiront bien de la description des modes de réalisation qui suivent, à l'appui des figures annexées dans lesquelles : - La figure 1 est une vue en perspective sommaire d'un complexe textile selon un premier mode de réalisation de l'invention. - La figure 2 est une vue en perspective sommaire d'une installation permettant la fabrication du complexe de la figure 1. - La figure 3 est une vue en perspective sommaire éclatée d'un empilement de 15 plusieurs complexes de la figure 1. - La figure 4 est un organigramme illustrant les différents calculs permettant d'évaluer les propriétés mécaniques de composites incorporant des complexes selon l'invention. - Les figures 5A à 5F sont des graphes dont les axes des abscisses et des 20 ordonnées correspondent à des valeurs d'angle d'orientation des fils des deuxième et troisième couches, et qui présentent des courbes d'iso-niveau pour les valeurs de paramètres mécaniques suivants : - la raideur axiale ; - la raideur en cisaillement ; 25 - la résistance dans le sens d'un cisaillement positif ; - la résistance dans le sens d'un cisaillement négatif ; - le couplage entre les phénomènes de torsion et de flexion ; - la charge critique de flambement ; - un critère de fatigue du matériau. 30 - Les figures 6A à 6L, 7A à 7D, 8A à 8E, 9A à 9E, 10A à 10F sont des -8- diagrammes de Kiviat montrant pour cinq séries d'exemples les valeurs de différents paramètres mécaniques comparés à des valeurs d'un exemple de référence.

MANIERES DE REALISER L'INVENTION Comme déjà évoqué, l'invention concerne un complexe textile de renforcement, dont un exemple est illustré schématiquement à la figure 1. Dans la forme illustrée, ce complexe 1 comporte trois couches distinctes 2,3,4, 10 assemblées pour former un élément manipulable individuellement, pour son drapage dans un moule de fabrication de la pièce composite, seul ou en association avec un ou d'autres renforts identiques ou différents. Comme illustré à la figure 1, ce renfort 1 comporte une première couche 2 15 illustrée comme la couche du dessus, et qui se compose de fils 6 de haute ténacité sans torsion, éventuellement étalés transversalement dans le cas de renforts minces, en particulier à base de carbone. Ces fils sont disposés parallèlement sous forme de nappes, en étant aussi rectilignes que possible et sans subir d'ondulations dues à des fils de trame, qui seraient disposés perpendiculairement. 20 Ces fils peuvent être en particulier des fils de verre ou de carbone, dont les propriétés sont choisies en relation avec la performance mécanique souhaitée, et pour des considérations économiques. A titre d'exemple, on peut citer le verre, et en particulier celui commercialisé par 25 la société 3B-The Fiberglass sous la référence SE1500, ou bien encore les fils de carbone commercialisés sous la dénomination T700 par la société TORAY. Bien entendu, le principe de l'invention peut se décliner pour tout type de fils de haute ténacité, y compris éventuellement des fils combinant plusieurs matériaux 30 distincts, ou encore des fils de natures distinctes tel que carbone et verre, associés 2 99 3 2 84 -9- dans une même couche. Comme illustré à la figure 1, ces fils 6 de la première couche 2 sont orientés selon une direction 7 dite de référence, qui est par convention l'angle 0° pour le 5 calcul des orientations des autres couches. Le complexe 1 comporte également une seconde couche 3 réalisée avec des fils 8 également de même ténacité, qui peuvent être identiques ou différents de ceux 6 de la première couche 2. Ces fils 8 sont orientés selon une direction 9 qui forme un angle 01 par rapport à la direction de référence 7. Cet angle 01 est choisi relativement faible, c'est-à-dire entre 10° et 35°, en comparaison avec les angles généralement observés dans les renforts multi-axiaux. La troisième couche 4 du complexe 1 de la figure 1 est également composée de 15 fils de haute ténacité 10, qui peuvent également être similaires ou différents des fils 6,8 des deux autres couches. Ces fils sont orientés selon une direction 11 qui forme un angle 02 par rapport à la direction de référence 7. L'angle 02 est de sens opposé à l'angle 01, de sorte que les directions 8,11 de la deuxième et de la troisième couches 3,4 se trouvent de part et d'autre de la direction de référence 7. 20 En pratique, l'angle 02 formé par les fils de la troisième couche diffère, en valeur absolue, de l'angle 01, et lui est supérieur, en étant typiquement compris entre 25° et 60°. L'influence des différents angles sera détaillée plus loin. 25 Les différentes couches du complexe peuvent être associées par divers moyens, et en particulier comme illustré à la figure 1 par un ensemble de fils de couture 13 selon une technique classique de type MALIMO. D'autres moyens de solidarisation des différentes couches peuvent être employés, et en particulier des techniques employant des matériaux adhésifs pouvant être déposés sur une 30 fraction de la surface des différentes couches. 2 9 9 3 2 8 4 -10- Il peut également s'agir de techniques par lesquelles des matériaux fusibles sont déposés entre les couches, avant d'être exposés à des conditions de température et/ou de pression qui en provoquent la fusion, et par conséquent le collage des 5 couches superposées entre elles. En pratique, un tel complexe peut être réalisé sur l'installation 30 illustrée à la figure 2. Une telle installation 30 comporte un convoyeur 31 sur lequel sont déposées les différentes couches à partir de quatre postes successifs 40,50,60,70. 10 Ainsi, le premier poste 40 délivre à partir d'un cantre 41 des fils 42 de haute ténacité pour former la troisième couche du complexe de la figure 1. Ces différents fils sont classiquement amenés à proximité du convoyeur par l'intermédiaire du dispositif trameur 44 qui permet de déposer des bandes successives 45 de fils parallèles, avec l'orientation 02.

Le second poste 50 analogue permet de déposer des nappes de fils 55 avec une orientation 01 correspondant à la deuxième couche du complexe de la figure 1. Dans le cas où l'anisotropie du renfort résulte du choix des angles des couches orientées, l'angle 01 est choisi différent de l'angle 02. Dans le cas où cette anisotropie résulte d'autres facteurs, tels que la masse des couches ou les propriétés intrinsèques des matériaux employés, les deux couches orientées peuvent être dirigées symétriquement par rapport à la direction de référence, auquel cas les deux angles 02 et 01 sont choisis identiques.

Ces deux couches avancent sur le convoyeur 31 et parviennent au troisième poste 60, où elles sont ensuite recouvertes de la première couche, dont les fils sont délivrés à partir du troisième cantre 61, et qui sont orientés selon la direction de référence, c'est-à-dire la direction d'avancée du convoyeur 31. Ces différentes nappes superposées passent ensuite au niveau d'un poste de couture 70 qui permet d'assurer la solidarisation des différentes couches entre elles, afin de 2 9 9 3 2 8 4 faciliter la manipulation du complexe lors de la fabrication des pièces composites l'intégrant. Il est à noter que l'ordre dans lequel les couches sont superposées à l'intérieur du 5 complexe peut être différent de celui présenté sur la figure 2, car il peut notamment être influencé par le mode de solidarisation des différentes couches entre elles. En effet, dans le cas d'une association par couture, en fonction de la tête de couture utilisée, il peut être plus pratique que la couche possédant des fils selon la direction de référence ne se trouve pas en dessous de l'empilement. En 10 dehors de cette contrainte, les différentes couches peuvent être agencées indifféremment. Le type de couture, le point et le pas du point sont choisis pour assurer la cohésion optimale entre les couches assemblées. Il est également à noter que la masse surfacique de chacune des couches peut être 15 variable, de manière à privilégier la contribution d'une ou plusieurs couches à l'intérieur du complexe, comme le démontreront les exemples détaillés décrits plus bas. Le complexe conforme à l'invention peut être employé de diverses manières et à 20 savoir seul ou en combinaison avec d'autres complexes identique ou différents. Ainsi, comme illustré à la figure 3, le complexe 101 composé de trois couches élémentaires peut être superposé en plusieurs épaisseurs. Dans la forme illustrée, cet empilement 100 se fait de façon dite « symétrique » à savoir que les couches 25 en regard 105,106 ;107 ,108 ;109,110 d'un complexe à l'autre présentent la même orientation, de sorte que l'empilement 100 présente une symétrie par rapport à son plan situé à mi-épaisseur. Bien entendu, le nombre d'épaisseurs élémentaires peut être adapté en fonction 30 de l'application et des propriétés mécaniques recherchées. Il est également -12- possible d'intégrer à l'intérieur de l'empilement d'autres types de complexes qui présentent des propriétés similaires ou différentes du complexe de la figure 1, en fonction du résultat souhaité.

Les Demandeurs ont constaté que le complexe conforme à l'invention permet de réaliser des pièces composites qui présentent de meilleures performances mécaniques, pour un poids inférieur. Les propriétés mécaniques avantageuses des pièces composites intégrant des complexes conformes à l'invention peuvent être multiples, et la capacité de régler à la fois les angles de l'orientation des deux couches inclinées, ainsi que leur masse surfacique propre, ou les propriétés intrinsèques des matériaux employés, permettent de jouer sur tout ou partie des différentes propriétés mécaniques globales.

Ces propriétés mécaniques peuvent être soit directement mesurées sur des pièces réelles, soit encore être estimées par des simulations mettant en oeuvre des calculs mathématiques, à partir des propriétés intrinsèques des matériaux employés et les différentes théories classiques dans le domaine du calcul des structures laminées.

La figure 5 illustre un algorithme simplifié des différentes étapes permettant de calculer les propriétés mécaniques principales d'une pièce composite intégrant des complexes de renforcement conformes à l'invention. Ce calcul nécessite la connaissance des propriétés de chacun des matériaux des couches composant les complexes, et en particulier les modules d'élasticité d'allongement longitudinal et transversal (E,,Ey) des matériaux composant des fils de haute ténacité, ainsi que le module de cisaillement (Es) et le coefficient de Poisson (v) du même matériau.

A partir de ces données intrinsèques, et de l'épaisseur e de chacune des couches, 2 99 3 2 84 -13- il est possible dans une première étape 201 d'élaborer une matrice de compliance de chaque couche. Puis, en inversant cette matrice on obtient la matrice de raideur calculée dans l'axe des fils. Dans une étape ultérieure 202, à partir de cette matrice de raideur selon l'axe des fils, on calcule la matrice de raideur selon 5 la direction de référence, en utilisant les valeurs d'angle 01 et 02 que forment les fils des couches orientées par rapport à la direction de référence. Dans une étape ultérieure 203, à partir des différentes épaisseurs et donc des côtes Zk de chacune des couches élémentaires, on détermine une matrice dite 10 « ABD », donnant les rigidités en traction et en flexion de l'empilement. Dans une étape ultérieure 204, il est possible d'extraire de la matrice « ABD » les principales valeurs utiles pour le dimensionnement de structures composites laminées, et en particulier le module El d'allongement dans la direction de la 15 référence de la pièce composite, le module de cisaillement E6 dans le plan de la structure composite, et le coefficient B/T, correspondant au couplage entre les phénomènes de flexion et de torsion évoqué plus haut. Ce facteur B/T correspond au rapport des coefficients a16/all de la matrice « ABD », dans laquelle a11 est le coefficient de proportionnalité entre l'extension longitudinale El et la contrainte 20 al appliquée dans le sens longitudinal de la structure composite, le coefficient a16 étant le rapport entre la déformation en cisaillement 66 rapportée à la même contrainte longitudinale ai. Par ailleurs, à partir de la matrice Deif extraite de la matrice « ABD », on calcule 25 une charge critique de flambement P,. Ce calcul de charge critique de flambement prend en compte les valeurs de charge axiale N1 et de charge de cisaillement N6 évaluées dans la configuration active de la pièce composite. A titre d'exemple, pour une application à la réalisation de pales d'éoliennes, on considère par hypothèse que la charge axiale N1 est égale à environ 10 fois la 30 charge de cisaillement N6. -14- Comme illustré à la figure 5, les calculs des propriétés de la structure peuvent également permettre dans une étape complémentaire 301 de mesurer les déformations globales de la pièce composite, à partir des valeurs de charge axiale et de charge de cisaillement N1, N6 appliquées à la structure. De ces valeurs globales, il est possible dans une étape ultérieure 302 de déterminer les valeurs de déformation de chaque couche, selon la direction de la charge longitudinale N1, en fonction des cotes de chaque couche élémentaire. Dans une étape ultérieure 303, on peut ensuite en déduire, en fonction de l'orientation de la direction des fils de chaque couche, les valeurs de déformation de chacune des couches, selon la direction des fils de chaque couche. On peut ensuite, à l'étape 304 en déduire les contraintes appliquées au niveau de chaque couche. Il est ensuite possible à l'étape 305, en appliquant un critère de rupture approprié, et par exemple le critère de PUCK, de déterminer les résistances au cisaillement de chaque couche. Puis dans une étape 306 on détermine les résistances au cisaillement de la structure globale, en prenant en compte les couches pour lesquelles le critère de rupture est le plus critique. Les résistances au cisaillement ainsi déterminées diffèrent selon le sens dans lequel le cisaillement intervient.

La fatigue est évaluée en considérant les propriétés en fatigue de la matrice et des fibres. Ces prédictions de fatigue sont faites selon les méthodes du standard GL (Germanischer Lloyd Industrial Services GmbH). Les résultats de cette méthode de calcul s'expriment sous la forme d'un nombre correspondant en échelle logarithmique à un nombre de cycle avant défaillance.

Divers exemples de réalisation ont été simulés, en utilisant soit des fils de verre, soit des fils de carbone, en association avec une couche d'âme spécifique. Plus précisément, les calculs évoqués ci-dessus ont utilisé les caractéristiques suivantes.30 -15- Verre : Module d'élasticité longitudinal et transverse : 74 GPa Module de cisaillement : 30,8 GPa Coefficient de Poisson : 0,2 Limite à la rupture en traction : 1814 MPa Limite à la rupture en compression : 1614 MPa Carbone : Module d'élasticité longitudinal : 230 GPa 10 Module d'élasticité transversale : 19 GPa Coefficient de Poisson : 0,2 Module de cisaillement dans le plan 1-2 : 27Gpa Module de cisaillement dans le plan 2-3 : 7Gpa Limite à la rupture en traction :4250MPa 15 Limite à la rupture en compression :2450MPa Les propriétés de la matrice utilisée sont les suivantes : Module d'élasticité longitudinal et transverse : 3,35 GPa Module de cisaillement : 1,24 GPa 20 Coefficient de Poisson : 0,35 Limite à la rupture en traction :68,3 MPa Limite à la rupture en compression : 130 MPa Les graphes des figures 5A à 5G ont été tracés à partir de simulations calculées 25 sur des composites à base de verre, incluant une première couche à 0°, d'un poids double par rapport à chacune des couches inclinées dont les angles d'orientation sont des paramètres variables. Les angles indiqués le sont en valeur absolue, étant entendu qu'ils sont orientés dans des sens opposés, de part et d'autre de la direction de référence. 30 -16- On observe ainsi sur la figure 5A que la raideur axiale est maximale lorsque les couches orientées sont les plus proches en angle de la direction de référence. A l'inverse, la raideur axiale diminue lorsque les directions des couches orientées forment un angle se rapprochant de 90°.

On observe à la figure 5B que la raideur en cisaillement est maximale pour une configuration où les angles des couches orientées sont voisins de +45° et -45° respectivement. On remarque également que pour une couche présentant un angle voisin de 25°, la raideur en cisaillement présente un maximum lorsque l'angle de l'autre couche est voisin de 40°, mesuré dans le sens opposé. On observe aux figures 5C et 5D que la résistance au cisaillement dans les sens positif ou négatif présente des maximums lorsque l'une des couches est orientée au voisinage de 20°, pour une inclinaison très faible de l'autre couche.

On observe à la figure 5E que le coefficient de couplage entre flexion et torsion est nul pour des angles symétriques par rapport à la direction de référence. On remarque également que pour une couche qui présente une orientation de l'ordre de 25°, le coefficient de couplage est d'autant plus grand que l'autre couche est orientée avec un angle important par rapport à la direction de référence. On observe à la figure 5F que la charge critique de flambement est maximale pour une configuration où les deux couches sont orientées à +45° et -45°. On remarque également que pour une couche qui présente une orientation de l'ordre de 25°, la charge critique de flambement présente un maximum lorsque l'autre couche est orientée avec un angle voisin de 45° par rapport à la direction de référence. On observe à la figure 5G que le critère de fatigue est maximum lorsque les angles des couches orientées sont faibles. -17- Exemples 1 à 12 Le tableau ci-après donne les valeurs des différents paramètres simulés pour 12 exemples de pièces composites dans lesquels les angles des différentes couches sont variables. Dans ces 12 exemples, la masse surfacique de la couche orientée dans la direction de référence est le double de la masse de chacune des couches présentant des orientations non nulles. La dernière colonne de ce tableau indique une manière de représenter un tel complexe, en énumérant les angles que forment chacune des couches, étant précisé que les chiffres en indice indiquent le poids relatif de la couche concernée. Par ailleurs, en l'absence de lettre suivant les chiffres des angles, le matériau de la couche concernée est par convention du verre. L'emploi de carbone dans l'une des couches se traduit par la présence de la lettre C à la suite de l'angle de la couche concernée. N° exemple Angle (Or) de la 2' couche Angle (02) de la 3' couche Représentation conventionnelle 1 +10° -30° 02/+10/-30 2 +10° -45° 02/+10/-45 3 +10° -60° 02/+10/-60 4 +15° -30° 02/+15/-30 5 +15° -45° 02/+15/-45 6 +15° -60° 02/+15/-60 7 +20° -30° 02/+20/-30 8 +20° 45° 02/+20/-45 9 +20° -60° 02/+20/-60 10 +25° -30° 02/+25/-30 11 +25° -45° 02/+25/-45 12 +25° -60° 02/+25/-60 Le tableau ci-dessous indique les valeurs de différents paramètres mécaniques pour une structure sandwich comprenant deux complexes textiles définis par le tableau ci-dessus, entre laquelle est intercalée une couche d'âme présentant une épaisseur de 8 millimètres.20 -18- N° exemple Représentation conventionnelle A :Raideur axiale (Pa) B : Raideur en cisaillement (Pa) C : Résistance au D : Résistance au cisaillement dans le sens négatif (Pa) E : Couplage flexion/ torsion F : Charge critique de flambement (N/m) G : Critère de fatigue cisaillement dans le sens positif (Pa) 1 02/+10/-30 4,34.101° 5,95.109 3,13.105 8,32.105 1,99.10-1 4,98.104 5,19 2 02/+10/-45 4,03.101° 6,15.109 2,48.105 4,53.105 -8,52.10-3 5,60.104 5,04 3 02/+10/-60 3,87.101° 5,34.109 2,10.105 3,14.105 -2,44.10-1 5,44.104 4,96 4 02/+15/-30 4,26.101° 6,34.109 3,52.105 6,19.105 8,34.10-2 5,11.104 5,16 021+15/-45 3,92.101° 6,53.109 2,70.105 4,34.105 -1,15.10-1 5,68.104 4,99 6 02/+15/-60 3,74.101° 5,67.109 2,21.105 3,01.105 -3,52.10-1 5,53.104 4,89 7 02/+20/-30 4,14.101° 6,79.109 3,82.105 5,09.105 1,23.10-2 5,28.104 5,10 8 02/+20/-45 3,78.101° 7,00.109 2,85.105 4,13.105 -1,76.10-1 5,78.104 4,93 9 02/+20/-60 3,59.101° 6,10.109 2,27.105 2,87.105 -4,08.10-1 5,63.104 4,78 02/+25/-30 4,00.101° 7,25.109 3,95.105 4,42.105 -1,32.10-2 5,48.104 5,04 11 02/+25/-45 3,63.101° 7,53.109 2,90.105 3,73.105 -1,94.10-1 5,89.104 4,82 12 02/+25/-60 3,44.101° 6,61.109 2,27.105 2,73.105 -4.17.10-1 5,73.104 4,66 Les figures 6A à 6L sont 12 diagrammes dans lesquels chacun des critères du tableau ci-dessus sont représentés pour chaque exemple concerné, après avoir été normalisés par rapport aux valeurs évaluées sur une structure conventionnelle. 5 Cette structure est obtenue à partir de fils de verre et comporte des couches orientées formant des angles de +45° et -45°, et une couche à 0° qui présente un poids double de chacune des couches orientées. Les diagrammes comportent également un tracé pour cette structure conventionnelle, pour faciliter la comparaison. Les critères pour cette structure conventionnelle figurent dans le 10 tableau ci-dessous. Représentation conventionnelle A :Raideur axiale (Pa) B : Raideur en cisaillement (Pa) C : Résistance au D : Résistance au cisaillement dans le sens négatif (Pa) E : Couplage flexion/ torsion F : Charge critique de flambement (N/m) G : Critère de fatigue cisaillement dans le sens positif (Pa) 021+45/-45 3,78.101° 8,89.109 2,45.105 2,45.105 0 6,14.104 4,00 -19- On notera que la valeur du coefficient de couplage étant une donnée sans dimension signée, elle est représentée en valeur absolue dans ces diagrammes, et sans normalisation.

Exemple 13 à 16 : Le tableau ci-après donne les caractéristiques principales de différents complexes dans lesquels certaines des couches sont réalisées à partir de matériaux différents, pour des paires d'angles identiques, à savoir un angle de 20° pour la deuxième couche, un angle de -30° pour la troisième couche, étant entendu que la couche dans la direction de référence présente un poids double du poids unitaire de l'une ou l'autre des couches orientées de même matériau. N° exemple Matériau de la l'couche Matériau de la 2è1 couche Matériau de la 3'couche Représentation conventionnelle 13 Verre Verre Verre 02/+20/-30 14 Verre Carbone Verre 021+20U-30 Verre Carbone Carbone 021+20U-30C 16 Carbone Verre Verre 02C1+201-30 Le tableau ci-après indique les valeurs de paramètres mécaniques pour les quatre 15 exemples n°13 à 16. N° exemple Représentation conventionnelle A :Raideur axiale (Pa) B : Raideur en cisaillement (Pa) C : Résistance au D : Résistance au cisaillement dans le sens négatif (Pa) E : Couplage flexion/ torsion F : Charge critique de flambement (N/m) G : Critère de fatigue cisaillement dans le sens positif (Pa) 13 021+20/-30 4,14.101° 6,79.109 3,82.105 5,09.105 1,23.10-2 5,28.104 5,10 14 02/+20C/-45 5,24.101° 8,53.109 7,02.105 4,54.105 -6,32.10-1 6,49.104 5,09 15 021+20C/-30C 6,22.101° 1,28.109 6,43.105 7,46.105 -7,92.10-2 8,60.104 5,07 16 02c/+20/-30 8,58.101° 6,79.109 5,56.105 1,05.106 1,01.10-2 5,95.104 5,49 Les figures 7A à 7D sont 4 diagrammes dans lesquels chacun des critères du tableau ci-dessus sont représentés pour chaque exemple concerné, après avoir été normalisés de la même manière que pour les exemples 1 à 12. -20- Exemples 17 à 21 Le tableau ci-après indique la composition de complexes pour 5 exemples supplémentaires, dans lesquels chacune des couches est réalisée à base de fils de verre, pour des paires d'angles 0102 identiques, de +20° pour la deuxième couche et -30° pour la troisième couche, pour lesquels les masses surfaciques de chacune des couches sont variables. Les masses des différentes couches sont données en multiples de masses surfaciques élémentaires pour des couches d'une épaisseur de 0,125 mm N° exemple Masse de la Masse de la Masse de la Représentation conventionnelle lemcouche 2emecouche 3'couche 17 2 1 1 02/+20/-30 18 1 1 1 0/+20/-30 19 2 2 1 02/+202/-30 20 2 2 2 02/+202/-302 21 2 1 2 02/+20/-302 Le tableau ci-après indique les valeurs de paramètres mécaniques pour les cinq exemples n°17 à 21. N° exemple Représentation conventionnelle A :Raideur axiale (Pa) B : Raideur en cisaillement (Pa) C : Résistance au D : Résistance au cisaillement dans le sens négatif (Pa) E : Couplage flexion/ torsion F : Charge critique de flambement (N/m) G : Critère de fatigue cisaillement dans le sens positif (Pa) 17 02/+20/-30 4,14.101° 6,79.109 3,82.105 5,09.105 1,23.10-2 5,28.104 5,10 18 0/+20/-30 3,83.101° 7,69.109 2,91.105 3,72.105 3,97.10-3 4,27.104 4,96 19 02/+202/-30 4,01.101° 6,98.109 5,89.105 5,17.105 -2,92.10-1 6,70.104 5,05 20 02/+202/-302 3,83.101° 7,69.109 5,81.105 7,44.105 3,97.10-3 8,55.104 4,96 21 02/+20/-302 3,77.101° 7,37.109 3,87.105 7,12.105 2,87.10-1 7,13.104 4,93 Les figures 8A à 8E sont 5 diagrammes dans lesquels chacun des critères du tableau ci-dessus sont représentés pour chaque exemple concerné, après avoir été normalisés de la même manière que pour les exemples 1 à 12. 2 9 9 3 2 84 -21- Exemples 22 à 26 Le tableau ci-après indique la composition de complexes pour 5 exemples supplémentaires, dans lesquels chacune des couches est réalisée à base de fibre de verre, pour des angles 01 02 identiques pour la deuxième couche et pour la 5 troisième couche, pour lesquels les matériaux de chacune des couches sont variables. N° exemple Matériau de la Matériau de la Matériau de la Représentation conventionnelle lem couche 2' couche 3' couche 22 Verre Verre Verre 02/+30/-30 23 Verre Carbone Verre 02/+25C/-25 24 Carbone Carbone Verre 02C/+25C/-25 25 Verre Carbone Verre 02/+30C/-30 26 Carbone Carbone Verre 02C/+30C/-30 Le tableau ci-après indique les valeurs de paramètres mécaniques pour les cinq 10 exemples n°22 à 26. N° exemple Représentation conventionnelle A :Raideur axiale (Pa) B : Raideur en cisaillement (Pa) C : Résistance au D : Résistance au cisaillement dans le sens négatif (Pa) E : Couplage flexion/ torsion F : Charge critique de flambement (N/m) G : Critère de fatigue cisaillement dans le sens positif (Pa) 22 02/+30/-30 3,85.101° 7,67.109 3,91.105 3,91.105 0 5,71.104 4,96 23 02/+25C/-25 4,91.101° 9,23.109 7,60.105 4,15.105 -5,82.10-1 6,90.104 5,09 24 02C/+25C/-25 9,34.101° 9,52.109 1,09.106 6,57.105 -5,78.10-1 7,56.104 5,72 25 02/+30C/-30 4,34.101° 1,07.101° 5,56.105 3,80.105 -4,55.10-1 7,82.104 4,94 26 02C/+30C/-30 8,77.101° 1,10.1010 9,11.105 6,57.105 -4,50.10-1 8,49.104 5,94 Les figures 9A à 9E sont 5 diagrammes dans lesquels chacun des critères du tableau ci-dessus sont représentés pour chaque exemple concerné, après avoir été 15 normalisés de la même manière que pour les exemples 1 à 12. 2 9 9 3 2 8 4 -22- Exemples 27 à 32 Le tableau ci-après indique la composition de complexes pour 6 exemples supplémentaires, dans lesquels chacune des couches est réalisée à base de fils de verre, pour des paires d'angles 01 02 identiques, de +20° ou +30° pour les 5 couches orientées, pour lesquels les masses surfaciques de chacune des couches sont variables. Les masses des différentes couches sont données en multiples de masses surfaciques élémentaires, pour une couche de 0,125mm d'épaisseur. N° Masse de la Masse de la Masse de la Représentation conventionnelle exemple le"couche 2'couche 3emecouche 27 2 1 1 02/+25/-25 28 2 2 1 02/+252/-25 29 1 1 1 0/+25/-25 30 2 1 1 02/+3 0/-3 0 31 2 2 1 02/+3 02/-3 0 32 1 1 1 02/+3 0/-3 0 10 Le tableau ci-après indique les valeurs de paramètres mécaniques pour les six exemples n°27 à 32. N° exemple Représentation conventionnelle A :Raideur axiale (Pa) B : Raideur en cisaillement (Pa) C : Résistance au D : Résistance au cisaillement dans le sens négatif (Pa) E : Couplage flexion/ torsion F : Charge critique de flambement (N/m) G : Critère de fatigue cisaillement dans le sens positif (Pa) 27 02/+25/-25 4,14.101° 6,87.109 4,47.105 4,47.105 0 5,26.104 5,11 28 021+252/-25 3,89.101° 7,27.109 6,63.105 4,50.105 -3,00.10-1 6,88.104 4,99 29 0/+25/-25 3,83.101° 7,83.109 3,30.105 3,30.105 0 4,25.104 4,96 30 02/+30/-30 3,85.101° 7,67.109 3,91.105 3,91.105 0 5,71.104 4,96 31 02/+302/-30 3,54.101° 8,19.109 5,37.105 4,01.105 -2,51.101 7,53.104 4,76 32 0/+30/-30 3,42.101° 8,89.109 2,76.105 2,76.105 0 4,61.104 4,67 Les figures 10A à 10F sont 6 diagrammes dans lesquels chacun des critères du tableau ci-dessus sont représentés pour chaque exemple concerné, après avoir été 15 normalisés de la même manière que pour les exemples 1 à 12. -23- APPLICATIONS INDUSTRIELLES L'invention trouve de multiples applications dans le domaine des matériaux composites de haute performance, et en particulier dans le domaine de l'aéronautique, des constructions éoliennes et de l'automobile, sans qu'il s'agisse là d'une liste limitative. Grâce à la structure particulière des couches associées, l'invention permet d'optimiser divers paramètres mécaniques de pièces composites, en privilégiant certains facteurs critiques pour certaines applications, tout en maintenant les autres facteurs à des niveaux satisfaisants.

Ainsi, dans l'application particulière aux pales d'éoliennes, la raideur axiale peut être un facteur particulièrement apprécié pour limiter les déformations en flexion des pales d'éoliennes. En effet, les pales sont soumises à des efforts dans les plans de rotation, c'est-à-dire perpendiculaires à l'axe de rotation de l'hélice, et en particulier des efforts dus à son propre poids. La pale doit également supporter des efforts perpendiculaires à ce plan de rotation, et en particulier des efforts dus à la poussée du vent. La raideur en cisaillement est également un facteur important pour la construction de pales d'éoliennes puisque les pales sont soumises à des efforts de torsion causés principalement par des efforts dus au vent, ainsi qu'à l'inclinaison des pales jouant sur l'angle d'attaque, ainsi que le propre poids de la pale. Les résistances dans le sens positif comme négatif sont également importants pour la conception d'une pale d'éolienne dans la mesure où il s'agit d'une structure tournante, à laquelle, le sens des efforts appliqués à une portion de la pale s'inverse en fonction de la position angulaire de l'hélice. De même, les pales d'éoliennes sont des structures particulièrement allongées et flexibles, de sorte qu'il est utile qu'elles présentent une bonne résistance au flambement. 2993 2 84 -24- L'invention permet d'assurer un couplage entre les phénomènes de flexion et de torsion, avec l'avantage pour une pale d'éolienne de modifier l'angle d'attaque de la pale de façon passive, sans nécessiter de mécanisme complexe. L'ajustement de l'angle d'attaque permet ainsi de réduire la valeur de la charge 5 maximale subie par la pale, et par conséquent joue favorablement dans le sens d'une diminution de la fatigue du matériau et des différentes portions de jonctions entre les pales et la structure porteuse. En effet, par analogie avec des expérimentations effectuées sur des installations de l'Art Antérieur, par analyse des courbes S-N (contraintes-nombre de cycles), on estime qu'une diminution de 10 l'ordre de 10% de la charge maximale supportée par la pale se traduit par une augmentation d'un facteur de l'ordre de la dizaine sur le nombre de cycle avant défaillance. On a également constaté une augmentation des performances de la pale et un allongement de la durée de vie. On estime en effet qu'une pale d'éolienne doit présenter une durée de vie de l'ordre d'une vingtaine d'années 15 correspondant sensiblement à 200 000 000 de rotations, et la conception conforme à l'invention permet de soulager les structures avec des gains en durée de vie.

Claims (2)

1. REVENDICATIONS1/ Complexe textile de renforcement (1) pour pièce composite, comportant plusieurs couches (2,3,4) de fils de haute ténacité, lesdits fils étant disposés 5 parallèlement à l'intérieur de chaque couche et sans embuvage, à savoir : - une première couche (2) dont les fils (6) sont orientés selon une direction de référence (7) ; - une seconde couche (3) dont les fils (8) sont orientés dans une direction (9) formant un premier angle (01) par rapport à la direction de 10 référence (7) ; - une troisième couche (4) dont les fils (10) sont orientés dans une direction (11) formant un second angle (02) par rapport à la direction de différence (7), lesdits premier et second angle étant de sens distincts, l'ensemble des couches étant reliées entre elles par couture, tricotage ou collage, 15 caractérisé en ce que la deuxième et la troisième couches diffèrent par au moins un paramètre choisi parmi le groupe comprenant - la valeur absolue de l'angle de la direction des fils par rapport à la direction de référence, la masse surfacique, 20 le matériau composant les fils desdites couches.
2. 2/ Complexe textile selon la revendication 1, caractérisé en ce que la différence entre les valeurs absolues des angles (01,02) des directions des deuxième et troisième couches est supérieure à 5°. 25 3/ Complexe textile selon la revendication 2, caractérisé en ce que la direction (9) des fils de la deuxième couche forme un angle (01) compris entre 10° et 35° par rapport à la direction de référence (7).-26- 4/ Complexe textile selon la revendication 2, caractérisé en ce que la direction (11) des fils (10) de la troisième couche forme un angle (02) compris entre -60° et -25° par rapport à la direction de différence (7). 5/ Complexe textile selon la revendication 1 caractérisé en ce que les fils de haute ténacité sont réalisés à partir d'un matériau choisi dans le groupe comprenant le carbone, le verre, l'aramide, le basalte. 6/ Complexe textile selon la revendication 1 caractérisé en ce que les fils (10) de 10 la troisième couche (4) sont à base d'un matériau différent du matériau des fils (8) de la seconde couche (3). 7/ Complexe textile selon la revendication 4 caractérisé en ce que les masses surfaciques des deuxième et troisième couches diffèrent de plus de 10 %. 15 8/ Empilement de plusieurs complexes textiles selon l'une des revendications précédentes, dans lequel les premières couches de tous les complexes sont orientées selon une direction commune. 20 9/ Utilisation d'un complexe textile selon l'une des revendications 1 à 7 ou d'un empilement selon la revendication 8 pour la fabrication d'une pale d'éolienne.