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.