Procédé de fabrication d'un corps creux à enveloppe sphérique obtenu par ce procédé
La présente invention a pour objet un procédé de fabrication d'un corps creux à enveloppe sphérique en résine synthétique renforcée par des filaments s'étendant d'une surface à l'autre surface de l'enveloppe dans une direction sensiblement normale par rapport à ces surfaces.
I1 existe une grande demande de corps creux susceptible de résister à des pressions extérieures extrêmement élevées, pour la recherche et l'exploration océanographiques, ainsi que pour d'autres recherches et explorations sous l'eau, ces corps creux étant destinés à servir de supports de la charge dans des constructions sous l'eau, de chambre de travail des hommes et des instruments ou encore d'éléments flottants destinés à être fixés à des chambres immergées.
Une chambre constituée par un tel corps creux est généralement formée par une enveloppe métallique massive, monolithique, présentant des caractéristiques supérieures au point de vue de sa résistance mécanique, ainsi qu'une résistance au gauchissement sous les efforts considérables de compression auxquels elle est soumise aux grandes profondeurs au-dessous de la surface de l'eau, mais ces chambres métalliques présentent des inconvénients du fait que leur résistance mécanique par rapport au poids en kg/cmg est relativement faible, tandis que leur poids par rapport au volume déplacé est relativement élevé.
Le procédé faisant l'objet de l'invention est caractérisé par le fait que l'on découpe des éléments dans au moins une feuille présentant à peu près la forme d'un secteur de cylindre circulaire droit et renforcée par des filaments s'étendant d'une surface à l'autre, ces éléments étant symétriques chacun par rapport à un plan perpendiculaire à l'axe dudit cylindre circulaire droit et passant par la ligne centrale longitudinale de chaque élément, lesdits éléments étant découpés dans la feuille de manière que leurs bords longitudinaux se trouvent chacun de part et d'autre de ce plan de symétrie et forment des tranches qui coupent ce plan de symétrie le long d'une ligne commune coupant l'axe de courbure du secteur, après quoi,
on assemble ces éléments sous forme d'un corps sphérique où les filaments sont disposés à peu près radialement et on solidarise ces éléments au moyen de résine pour former le corps sphérique.
L'invention comprend aussi un corps sphérique obtenu par le procédé défini ci-dessus. Ce corps sphérique est caractérisé, selon l'invention, par le fait qu'il est constitué par l'assemblage d'éléments présentant des fibres radiales, collés l'un à l'autre par une résine thermodurcissable.
Le dessin annexé illustre, à titre d'exemple, une forme d'exécution du corps creux que comprend l'invention.
La fig. 1 représente schématiquement les efforts de compression sur un élément à fibres parallèles unidirectionnelles, utilisé pour la mise en oeuvre du procédé décrit.
La fig. 2 est une vue en perspective d'un grand bloc de résine renforcée par des filaments unidirectionnels servant de base à la construction de sphères à filaments radiaux.
Les fig. 2a et 2b sont des vues analogues représentant respectivement des plaques découpées dans le bloc de la fig. 2 et leur réassemblage pour la constitution d'une plaque unidirectionnelle relativement mince.
La fig. 3 est une vue en perspective fragmentaire de la plaque de la fig. 2b coupée transversalement au cours du premier stade d'un procédé de construction d'une sphère.
La fig. 4 représente en perspective un élément intermédiaire obtenu à partir de la plaque découpée représentée en fig. 3.
Les fig. 5, 5a et 5b sont, respectivement, une vue en élévation latérale, une vue en plan et une vue en bout d'un élément intermédiaire découpé dans l'élément de la fig. 4.
Les fig. 6 et 6a sont des vues en perspective de deux parties d'une sphère établie à partir d'éléments tels que celui représenté en fig. 5 à 5b.
La fig. 7 représente schématiquement et d'une manière fragmentaire une enveloppe sphérique à filaments radiaux.
La fig. 7a est une vue analogue d'une sphère connue à filaments enroulés pour montrer l'un des inconvénients d'une telle construction.
On a constaté que lorsqu'une construction à trois dimensions comportant une ossature en résine thermodurcissable cuite dans laquelle sont noyés un grand nombre de filaments parallèles unidirectionnels à module élevé, est soumise à des efforts de compression bidirectionnels perpendiculaires à l'orientation des filaments, ces filaments travaillent à la traction. Cela est représenté schématiquement par la fig. 1 sur laquelle B désigne un bloc rectangulaire prismatique se composant d'une masse de résine cuite dans laquelle sont noyés un grand nombre de filaments (non représentés) qui sont tous orientés parallèlement à la flèche double F et soumis à des efforts de compression équilibrés a' et a" qui sont perpendiculaires entre eux à la direction du filament.
Dans de telles conditions, les filaments travaillent à la traction comme indiqué par les flèches T.
Dans une chambre sphérique creuse soumise sur toute l'étendue de sa surface à une pression hydrostatique extérieure, les efforts circonférentiels équilibrés développés dans la paroi de la chambre s'opposent à la pression extérieure et tout élément donné d'un tel corps peut par conséquent être considéré comme étant soumis à deux efforts de compression perpendiculaires, parallèles tous deux à la surface. L'équation générale donnant l'effort circonférentiel dans une enveloppe sphérique soumise à une pression hydrostatique externe a pour valeur Pr
a = - (1)
2t expression dans laquelle P est la pression unitaire, r le rayon moyen de la sphère et t l'épaisseur de la paroi de l'enveloppe.
Si chaque élément du corps de l'enveloppe était constitué par une plaque à filaments unidirectionnels dans laquelle toutes les fibres individuelles sont orientées à peu près radialement par rapport à la sphère et par conséquent perpendiculairement au plan des efforts de compression, les fibres dans chaque élément du corps de l'enveloppe seront sollicités à la traction. Par conséquent, il ne peut se produire aucune déformation des filaments, ce qui supprime la nécessité d'un haut degré de rectilinéarité dans les fibres et d'un appui latéral effectif fourni par la résine. Ceci est précisément à l'opposé de ce qui existe dans les sphères classiques à filaments enroulés où l'appui latéral fourni par la résine est seul à s'opposer à la déformation transversale des filaments enroulés.
On peut démontrer que la pression critique Pe relative à la déformation d'une enveloppe sphérique ayant une épaisseur de paroi t et un rayon r a pour valeur
EMI2.1
expression dans laquelle E est le module d'élasticité, v le rapport de Poisson et K une constante numérique qui peut être déterminée empiriquement. Les chambres à immersion profonde sont en outre définies d'une manière générale par un coefficient de valeur W
M= (3)
D où W est le poids de la chambre et D le poids de l'eau déplacée par cette dernière. Pour une valeur donnée de la pression critique de déformation, la quantité W/D, qui est le rapport poids/poids déplacé est liée à la nature de la matière du récipient par l'égalité approximative de proportion
EMI2.2
où Q est la densité de la matière formant la paroi.
Une faible valeur du rapport W/D représente une grande capacité de charge utile pour la chambre et d'après l'équation (1) l'épaisseur de paroi t doit être directement proportionnelle au rayon de la chambre pour que des chambres de dimensions différentes aient les mêmes possibilités de résistance aux pressions.
On voit d'après les équations (2) à (4) que, pour une sphère de dimensions données et destinée à subir une pression critique spécifiée, un meilleur rendement avec un rapport W/D inférieur s'obtient avec un module E plus élevé, qui permet de réduire l'épaisseur de paroi t et la densité Q. Il faut donc utiliser des éléments de construction en fibres unidirectionnelles et en résine, ayant une valeur aussi faible que possible pour
EMI2.3
un rapport qui diminue lorsque E augmente, E étant dans ce cas le module transversal de l'élément (c'està-dire le module perpendiculairement à la direction des filaments). Tant les fibres que la résine doivent présenter un module élevé, étant donné qu'ils contribuent au module transversal de l'élément. Néanmoins, d'autres facteurs, par exemple la densité admissible, le poids, etc., peuvent imposer des limitations au choix de la résine.
On indiquera, uniquement à titre d'exemple, que l'on a obtenu des résultats excellents en faisant usage de filaments de verre (ayant un module compris entre 700 000 et 875 000 kg/cm2) comme fibres dans une résine époxy vendue par la Minnesota Mining and Manufacturing
Company sous la désignation 1009 (ayant un module d'environ 30000 kg/cm2). Suivant une variante, la fibre des éléments peut comprendre des fibres d'amiante (module compris entre 1 680 000 et 1 750 000 kg/cm2), des filaments de bore (module compris entre environ 3 500 000 et 4200000 kg/cm2), des filaments de carbone (module compris entre 1 400000 et 4 900000 kg/cm2), des filaments cristallins de saphir, de tungstène, etc.
La résine peut être choisie parmi celles vendue par l'Union
Carbide Corporation sous les désignations ERL-2256 (module d'environ 38 500 kg/cm2), ERRA-0300 (module d'environ 50400kg/cm2) et EP-2114 (module d'environ 72 100 kg/cm2), ainsi que d'autres résines époxy et différentes autres résines telles que résines phénoliques, mélanines et les copolymères alcoyl maléique/ styrène comme résines de polyesters, caractérisées par des valeurs relativement faibles de
EMI2.4
On a trouvé, par exemple, qu'un élément tel que celui qui est représenté sur la fig.
7 et qui est constitué par un corps de résine époxy ( 1009 de la Minnesota
Mining and Manufacturing Company) dans lequel sont noyés des filaments unidirectionnels de verre S formant 77 O/o du volume total peut résister à des tensions de compression équilibrées de il 550 kg/cm2 dans chacune des directions ' et a".
Un procédé de construction de sphères à filaments radiaux, que l'on peut appeler le procédé au tonneau , part d'un bloc 38 en filaments unidirectionnels liés à la résine (fig. 2), ayant des dimensions transversales appropriées, dans lequel les filaments sont disposés dans le sens de la longueur du bloc. On coupe le bloc suivant des plans perpendiculaires à la direction des filaments, comme en 39 et l'on obtient ainsi plusieurs bandes 40 relativement minces que l'on pose à plat (fig. 2a) et que l'on juxtapose (fig. 2b) pour les coller ensuite bord à bord comme représenté en 40a et former ainsi un panneau mince 41. L'épaisseur de chacune des bandes 40 découpées dans le bloc 38 sera égale à l'épaisseur de paroi désirée du corps sphérique définitif.
On coupe ensuite le panneau plat 41 dont tous les filaments sont orientés perpendiculairement à ses grandes faces, suivant des plans obliques, comme en 42 (fig.
3) pour former plusieurs bandes 43 relativement étroites, à section droite trapézoïdale. Ces bandes étant ensuite écartées, on en retourne une sur deux et on les assemble à nouveau le long de leurs faces contiguë 43, de façon à fournir un secteur 44 de cylindre circulaire droit (fig. 4).
A titre d'exemple seulement, on utilise pour l'élément 44 un nombre de bandes 43 suffisant pour former un secteur de 90O. Les éléments 43 sont représentés à une échelle très agrandie sur les fig. 3 et 4 et, en réalité, il faudrait beaucoup plus de cinq bandes pour constituer un secteur 44. On subdivise ensuite le secteur de cylindre 44, dont les tronçons de fibres s'étendent perpendiculairement aux surfaces intérieure et extérieure du secteur, en plusieurs bandes 45 transversales (fig. 5, 5a et 5b).
A cet effet, on coupe le secteur 44, dans une direction circonférentielle suivant des plans obliques 46-46a (fig.
4), les plans de coupe considérés par paires se coupant dans chaque paire sur l'axe de courbure du secteur 44.
On assemble à nouveau un nombre suffisant de bandes 45 que l'on place côte à côte et on les colle l'une à l'autre après enlèvement des chutes provenant de la coupe. On fait cuire ensuite la résine époxy utilisée à cet effet pour constituer un corps 47 (fig. 6) en forme de tonneau ou plus précisément d'un segment sphérique à deux bases, sauf en ce que le bord annulaire 47a de chaque bande couplée forme partie d'une surface conique ayant son sommet au centre de la sphère. Bien entendu, on peut former le corps 47 en assemblant d'abord plusieurs éléments intermédiaires sous forme de secteurs sphériques non représentés à partir des bandes 45 et en assemblant ensuite ces secteurs pour donner à l'ensemble la configuration finale représentée en fig. 6.
Etant donné que l'on est parti d'un secteur cylindrique 44 s'étendant sur 900, le corps 47 s'étend sur 45O de part et d'autre de l'équateur de la sphère, mais il est possible de modifier cette disposition à volonté. Ce stade étant terminé, on assemble et on fait cuire comme indiqué précédemment un second corps en forme de tonneau ou une partie sensiblement moins grande d'un tel corps, par exemple un secteur sphérique ayant un diamètre de base suffisant, de manière à fournir deux ébauches à partir desquelles on obtient par exemple par un usinage deux calottes polaires complémentaires 48, dont une seule est représentée en fig. 6a, dont les bords transversaux correspondent en dimensions et en orientation aux bords 47a du corps 47.
On colle alors ces calottes sur le corps 47 et on procède à la cuisson pour terminer la sphère comme indiqué en traits mixtes sur la fig. 6.
Suivant une variante, un secteur sphérique non représenté, constitué à partir des bandes 45 peut être paré, coupé, meulé avec précision, et traité de toute manière désirée, par exemple aux dimensions d'une fraction d'hémisphère que l'on peut coller sur une autre partie d'une enveloppe sphérique, l'ensemble pouvant être solidarisé avec des parties de sphère correspondantes pour terminer la sphère.
L'efficacité de toutes ces sphères qui leur permet de supporter des pressions extérieures extrêmement élevées provient directement de l'orientation des filaments qui produit une résistance mécanique et une stabilité élastique dépassant de beaucoup celles des constructions classiques à filaments enroulés. En d'autres termes, la configuration décrite à filaments radiaux dans le sens circonférentiel est isotropique, c'est-à-dire que son efficacité est la même dans toutes les directions à la surface de la sphère, tandis que, dans les constructions classiques à filaments enroulés, un filament donné ne fournit guère un support adéquat que dans une direction unique, de telle sorte que son efficacité est égale à la moitié approximativement de l'efficacité des filaments des constructions décrites ci-dessus.
La matière brute en résine non cuite à filaments unidirectionnels qui est utilisée pour la fabrication des éléments de base dans la construction des sphères est relativement riche en résine, la résine constituant 35 à 50 O/o environ du volume total et que par conséquent elle a un contenu maximum de filaments qui est d'environ 65 O/o.
Toutefois, on a trouvé avantageux d'adopter un contenu en filaments supérieur à 65 o/o et compris de préférence entre environ 75 et 90 o/o du volume total. On peut satisfaire facilement à cette condition en expulsant par compression une certaine partie de la résine à partir de la matière non cuite, avant de procéder à la cuisson de cette matière. La raison de cette manière de faire réside en ce qu'avec un contenu en filaments plus élevé dans la paroi de l'enveloppe, la sphère peut résister à des pressions hydrostatiques extérieures plus élevées.
Néanmoins, on peut aussi respecter les principes de la construction à filaments radiaux en faisant usage de la matière d'origine dont le contenu en résine n'est pas réduit, mais il est alors évident que le taux de pression critique d'une sphère ainsi établie sera un peu inférieur à celui d'une sphère ayant une teneur en résine réduite et par conséquent une teneur en fibres supérieure.
D'autres avantages de la construction d'une sphère à filaments radiaux apparaissent de manière évidente si l'on considère et si l'on compare les fig. 7 et 7a des dessins. Ainsi qu'on peut le voir sur la fig. 21, dans une enveloppe sphérique 49 à filaments radiaux, il est possible de prévoir un orifice 50 limité par des surfaces radiales, ainsi que l'indiquent les lignes 50a et 50b en traits interrompus. Du fait que les filaments sont eux aussi orientés à peu près radialement, on peut former l'orifice en découpant directement un segment de dimensions appropriées dans la paroi de l'enveloppe sans introduire de tensions de charge en bout et sans qu'il soit nécessaire de prévoir des moyens pour empêcher la détérioration de la construction par étalement ou par défeuilletage de la paroi.
Contrairement à ce qui précède et ainsi qu'on peut le voir sur la fig. 7a représentant une enveloppe sphérique 51 classique à filaments enroulés, l'exécution d'une ouverture 52, même limitée par des surfaces radiales, nécessite une coupe à travers les filaments et cette coupe introduit automatiquement des tensions de charge en bout, ce qui nécessite impérativement qu'il soit prévu des bords de maintien le long de l'ori- fice pour empêcher toute détérioration par étalement ou par défeuilletage.
On se rend compte d'après ce qui précède que s'il arrive qu'une partie d'une sphère à filaments radiaux soit détériorée, il est possible de la réparer très facilement, étant donné qu'il suffit d'enlever par une coupe radiale la partie détériorée et de remplacer cette partie enlevée par une paroi neuve correspondante à filaments radiaux qui peut être collée sur place pour réparer Enveloppe sans qu'il y ait perte de résistance. I1 est également évident que ce type de réparation est impossible dans une enveloppe classique à filaments enroulés, étant donné que les filaments coupés entourant la zone détériorée ne peuvent pas être rattachés à nouveau.
Un autre avantage de la construction à filaments radiaux réside en ce qu'une sphère de ce type n'a pas besoin d'être munie de calottes polaires ou de dispositifs analogues permettant d'accéder à l'intérieur de la sphère.
En particulier, quand la sphère est construite à partir de deux hémisphères identiques, il est possible d'introduire la charge utile, par exemple les instruments ou matériaux dans l'un des hémisphères avant de le coller sur l'autre hémisphère pour terminer la sphère, de telle sorte que tout l'intérieur de cette dernière est disponible pour la charge utile. Cela est impossible dans le cas d'une sphère à filaments enroulés qui nécessite toujours des calottes ou garnitures polaires généralement métalliques, destinées à donner accès à l'intérieur de la sphère.
D'un autre côté, étant donné qu'une sphère à filaments enroulés peut seulement être formée en une seule pièce, les ouvertures polaires de cette sphère doivent être nécessairement relativement petites et elles limitent ainsi les possibilités d'accès et, en conséquence, les instruments à introduire dans la sphère sont limités en dimensions et en caractère par le diamètre des ouvertures polaires. En outre, la nécessité de faire usage, dans une sphère à filaments enroulés, de calottes polaires métalliques, augmente son rapport poids/poids déplacé, ce qui diminue d'une manière correspondante sa capacité de charge utile ainsi qu'on l'a précédemment indiqué.
Process for manufacturing a hollow body with a spherical envelope obtained by this process
The present invention relates to a method of manufacturing a hollow body with a spherical shell in synthetic resin reinforced by filaments extending from one surface to the other surface of the shell in a direction substantially normal to these. surfaces.
There is a great demand for hollow bodies capable of withstanding extremely high external pressures, for oceanographic research and exploration, as well as for other research and exploration underwater, these hollow bodies being intended to serve as supports. load in underwater constructions, work chambers for men and instruments or even floating elements intended to be fixed to submerged chambers.
A chamber constituted by such a hollow body is generally formed by a massive, monolithic metal casing having superior characteristics from the point of view of its mechanical strength, as well as a resistance to warping under the considerable compressive forces to which it is subjected to. great depths below the surface of the water, but these metal chambers have drawbacks in that their mechanical strength in relation to the weight in kg / cmg is relatively low, while their weight in relation to the displaced volume is relatively high .
The method forming the subject of the invention is characterized by the fact that elements are cut from at least one sheet having approximately the shape of a sector of a right circular cylinder and reinforced by filaments extending d 'one surface to another, these elements each being symmetrical with respect to a plane perpendicular to the axis of said right circular cylinder and passing through the longitudinal central line of each element, said elements being cut from the sheet so that their edges longitudinal are each on either side of this plane of symmetry and form slices which intersect this plane of symmetry along a common line intersecting the axis of curvature of the sector, after which,
these elements are assembled in the form of a spherical body in which the filaments are arranged approximately radially and these elements are joined together by means of resin to form the spherical body.
The invention also comprises a spherical body obtained by the method defined above. This spherical body is characterized, according to the invention, by the fact that it is constituted by the assembly of elements having radial fibers, bonded to one another by a thermosetting resin.
The appended drawing illustrates, by way of example, an embodiment of the hollow body which the invention comprises.
Fig. 1 schematically represents the compressive forces on an element with unidirectional parallel fibers, used for the implementation of the method described.
Fig. 2 is a perspective view of a large block of resin reinforced with unidirectional filaments serving as a basis for the construction of radial filament spheres.
Figs. 2a and 2b are similar views respectively showing plates cut from the block of FIG. 2 and their reassembly to form a relatively thin unidirectional plate.
Fig. 3 is a fragmentary perspective view of the plate of FIG. 2b cut transversely during the first stage of a process for constructing a sphere.
Fig. 4 shows in perspective an intermediate element obtained from the cut plate shown in FIG. 3.
Figs. 5, 5a and 5b are, respectively, a side elevational view, a plan view and an end view of an intermediate member cut from the member of FIG. 4.
Figs. 6 and 6a are perspective views of two parts of a sphere made from elements such as that shown in FIG. 5 to 5b.
Fig. 7 shows schematically and in a fragmentary manner a spherical envelope with radial filaments.
Fig. 7a is a similar view of a known coiled filament sphere to show one of the drawbacks of such a construction.
It has been found that when a three-dimensional construction comprising a baked thermosetting resin framework in which a large number of high modulus unidirectional parallel filaments are embedded, is subjected to bidirectional compressive forces perpendicular to the orientation of the filaments, these filaments work in traction. This is shown schematically in fig. 1 on which B designates a rectangular prismatic block consisting of a mass of baked resin in which are embedded a large number of filaments (not shown) which are all oriented parallel to the double arrow F and subjected to balanced compressive forces a 'and a "which are mutually perpendicular to the direction of the filament.
Under such conditions, the filaments work in traction as indicated by the arrows T.
In a hollow spherical chamber subjected over the entire extent of its surface to an external hydrostatic pressure, the balanced circumferential forces developed in the wall of the chamber oppose the external pressure and any given element of such a body can therefore be considered as being subjected to two perpendicular compressive forces, both parallel to the surface. The general equation giving the circumferential force in a spherical envelope subjected to an external hydrostatic pressure has the value Pr
a = - (1)
2t expression in which P is the unit pressure, r the mean radius of the sphere and t the thickness of the wall of the envelope.
If each element of the body of the envelope was constituted by a plate with unidirectional filaments in which all the individual fibers are oriented approximately radially with respect to the sphere and therefore perpendicular to the plane of the compressive forces, the fibers in each element of the casing body will be subjected to traction. Therefore, no deformation of the filaments can occur, which eliminates the need for a high degree of rectilinearity in the fibers and an effective lateral support provided by the resin. This is precisely the opposite of what exists in conventional spheres with wound filaments where the lateral support provided by the resin is the only one to oppose the transverse deformation of the wound filaments.
It can be shown that the critical pressure Pe relating to the deformation of a spherical envelope having a wall thickness t and a radius r has the value
EMI2.1
expression in which E is the modulus of elasticity, v the Poisson ratio and K a numerical constant which can be determined empirically. Deep immersion chambers are furthermore generally defined by a coefficient of value W
M = (3)
D where W is the weight of the chamber and D is the weight of the water displaced by the latter. For a given value of the critical strain pressure, the quantity W / D, which is the weight / weight ratio displaced, is related to the nature of the material of the container by the approximate equality of proportion
EMI2.2
where Q is the density of the material forming the wall.
A low value of the W / D ratio represents a large payload capacity for the chamber and according to equation (1) the wall thickness t must be directly proportional to the radius of the chamber so that different sized chambers have the same possibilities of resistance to pressure.
It can be seen from equations (2) to (4) that, for a sphere of given dimensions and intended to undergo a specified critical pressure, a better efficiency with a lower W / D ratio is obtained with a higher modulus E , which makes it possible to reduce the wall thickness t and the density Q. It is therefore necessary to use construction elements made of unidirectional fibers and resin, having a value as low as possible for
EMI2.3
a ratio which decreases when E increases, E in this case being the transverse modulus of the element (that is to say the modulus perpendicular to the direction of the filaments). Both the fibers and the resin must have a high modulus, since they contribute to the transverse modulus of the element. However, other factors, for example allowable density, weight, etc., may impose limitations on the choice of resin.
It will be indicated, only by way of example, that excellent results have been obtained by using glass filaments (having a modulus of between 700,000 and 875,000 kg / cm2) as fibers in an epoxy resin sold by the company. Minnesota Mining and Manufacturing
Company under the designation 1009 (having a modulus of about 30,000 kg / cm2). According to one variant, the fiber of the elements may comprise asbestos fibers (modulus of between 1,680,000 and 1,750,000 kg / cm2), boron filaments (modulus of between approximately 3,500,000 and 4,200,000 kg / cm2), carbon filaments (modulus between 1,400,000 and 4,900,000 kg / cm2), crystalline filaments of sapphire, tungsten, etc.
The resin can be chosen from those sold by the Union
Carbide Corporation under the designations ERL-2256 (modulus of approximately 38,500 kg / cm2), ERRA-0300 (modulus of approximately 50400 kg / cm2) and EP-2114 (modulus of approximately 72,100 kg / cm2), as well as other epoxy resins and various other resins such as phenolic resins, melanins and alkyl maleic / styrene copolymers as polyester resins, characterized by relatively low values of
EMI2.4
It has been found, for example, that an element such as that shown in FIG.
7 and which is made by an epoxy resin body (Minnesota 1009
Mining and Manufacturing Company) embedded in unidirectional filaments of S-glass forming 77% of the total volume can withstand balanced compressive stresses of 1150 kg / cm2 in each of the 'and a' directions.
A method of constructing radial filament spheres, which may be called the barrel method, starts with a block 38 of unidirectional resin-bonded filaments (Fig. 2), having appropriate transverse dimensions, in which the filaments are arranged along the length of the block. The block is cut along planes perpendicular to the direction of the filaments, as at 39, and thus several relatively thin strips 40 are obtained which are laid flat (fig. 2a) and which are juxtaposed (fig. 2b). ) to then glue them edge to edge as shown at 40a and thus form a thin panel 41. The thickness of each of the strips 40 cut in the block 38 will be equal to the desired wall thickness of the final spherical body.
The flat panel 41 is then cut, all the filaments of which are oriented perpendicular to its large faces, along oblique planes, as at 42 (fig.
3) to form several relatively narrow bands 43, with a trapezoidal cross section. These strips then being separated, one in two is turned over and they are assembled again along their contiguous faces 43, so as to provide a sector 44 of a right circular cylinder (FIG. 4).
By way of example only, a sufficient number of bands 43 are used for element 44 to form a sector of 90O. The elements 43 are shown on a greatly enlarged scale in FIGS. 3 and 4 and, in reality, it would take much more than five bands to constitute a sector 44. The cylinder sector 44, whose fiber sections extend perpendicularly to the inner and outer surfaces of the sector, is then subdivided into several bands. 45 transverse (fig. 5, 5a and 5b).
For this purpose, the sector 44 is cut in a circumferential direction along oblique planes 46-46a (fig.
4), the section planes considered in pairs intersecting in each pair on the axis of curvature of sector 44.
A sufficient number of strips 45 are assembled again which are placed side by side and glued to each other after removal of the scraps from the cut. The epoxy resin used for this purpose is then baked to constitute a barrel-shaped body 47 (fig. 6) or more precisely of a spherical segment with two bases, except in that the annular edge 47a of each coupled strip forms part of a conical surface having its apex at the center of the sphere. Of course, the body 47 can be formed by first assembling several intermediate elements in the form of spherical sectors not shown from the bands 45 and then assembling these sectors to give the assembly the final configuration shown in FIG. 6.
Since we started with a cylindrical sector 44 extending over 900, the body 47 extends over 45O on either side of the equator of the sphere, but it is possible to modify this arrangement at will. This stage being completed, a second barrel-shaped body or a substantially smaller part of such a body, for example a spherical sector having a sufficient base diameter, is assembled and fired as indicated above, so as to provide two blanks from which one obtains for example by machining two complementary polar caps 48, only one of which is shown in FIG. 6a, the transverse edges of which correspond in size and orientation to the edges 47a of the body 47.
These caps are then glued to the body 47 and the firing is carried out to complete the sphere as indicated in phantom in FIG. 6.
According to a variant, a spherical sector not shown, formed from the strips 45 can be trimmed, cut, ground with precision, and treated in any desired manner, for example to the dimensions of a fraction of a hemisphere that can be glued. on another part of a spherical envelope, the assembly being able to be made integral with corresponding sphere parts to complete the sphere.
The efficiency of all of these spheres in supporting extremely high external pressures derives directly from the orientation of the filaments which produces mechanical strength and elastic stability far exceeding that of conventional wound filament constructions. In other words, the configuration described with radial filaments in the circumferential direction is isotropic, i.e. its efficiency is the same in all directions at the surface of the sphere, while, in conventional constructions With coiled filaments, a given filament hardly provides adequate support in more than one direction, so that its efficiency is approximately half the efficiency of the filaments of the constructions described above.
The unidirectional filament unbaked resin raw material which is used for the manufacture of the basic elements in the construction of the spheres is relatively rich in resin, the resin constituting about 35 to 50 O / o of the total volume and therefore has a maximum content of filaments which is approximately 65 O / o.
However, it has been found advantageous to adopt a filament content greater than 65% and preferably between about 75 and 90% of the total volume. This condition can be easily met by compressing some of the resin from the unbaked material before proceeding with the baking of this material. The reason for this is that with a higher filament content in the wall of the casing, the sphere can withstand higher external hydrostatic pressures.
Nevertheless, one can also respect the principles of radial filament construction by making use of the original material whose resin content is not reduced, but it is then obvious that the critical pressure ratio of a sphere as well established will be somewhat lower than that of a sphere having a reduced resin content and therefore a higher fiber content.
Other advantages of the construction of a sphere with radial filaments become evident when considering and comparing Figs. 7 and 7a of the drawings. As can be seen in FIG. 21, in a spherical envelope 49 with radial filaments, it is possible to provide an orifice 50 limited by radial surfaces, as indicated by lines 50a and 50b in broken lines. Since the filaments are also oriented approximately radially, the orifice can be formed by directly cutting a segment of suitable dimensions in the wall of the casing without introducing end load tensions and without the need for to provide means to prevent deterioration of the construction by spreading or by peeling of the wall.
Contrary to the above and as can be seen in FIG. 7a showing a conventional spherical envelope 51 with wound filaments, the execution of an opening 52, even limited by radial surfaces, requires a cut through the filaments and this cut automatically introduces load tensions at the end, which imperatively requires that retaining edges be provided along the orifice to prevent deterioration by spreading or defoliation.
It can be seen from the above that if it happens that part of a sphere with radial filaments is damaged, it is possible to repair it very easily, since it suffices to remove by cutting radial the damaged part and replace this removed part with a corresponding new wall with radial filaments which can be glued in place to repair the Envelope without loss of strength. It is also evident that this type of repair is not possible in a conventional wrapped filament wrap, since the cut filaments surrounding the damaged area cannot be reattached.
Another advantage of the radial filament construction is that a sphere of this type does not need to be provided with pole caps or the like allowing access to the interior of the sphere.
In particular, when the sphere is constructed from two identical hemispheres, it is possible to introduce the payload, for example instruments or materials into one of the hemispheres before gluing it on the other hemisphere to complete the sphere , so that everything inside the latter is available for the payload. This is impossible in the case of a sphere with coiled filaments which always requires caps or polar linings, generally metallic, intended to give access to the interior of the sphere.
On the other hand, since a sphere with coiled filaments can only be formed in one piece, the pole openings of this sphere must necessarily be relatively small and they thus limit the possibilities of access and, therefore, the instruments to be introduced into the sphere are limited in size and character by the diameter of the polar openings. Further, the need to make use of metallic pole caps in a filament-wound sphere increases its weight / weight ratio, correspondingly decreasing its payload capacity as previously discussed. indicated.