Procédé de fabrication d'un corps creux à enveloppe sphérique
et corps creux obtenu par ce procédé
La présente invention a pour objet un procédé de fabrication d'un corps creux à enveloppe sphérique, ainsi qu'un corps creux obtenu par ce procédé.
II existe une grande demande de corps creux susceptibles de résister à des pressions extérieures extrêmement élevées pour la recherche et l'exploration océanographique, ainsi que pour d'autres recherches et explorations subaquatiques, ces corps creux étant destinés à servir de supports de la charge dans des constructions sous l'eau, de chambres pour 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 bien connues 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, mais ces chambres métalliques présentent une résistance mécanique relativement faible par rapport à leur poids, tandis que le rapport de leur poids à leur poussée d'Archimède est relativement élevé.
Suivant l'invention, on fabrique le corps creux à enveloppe sphérique à partir d'une feuille de résine synthétique renforcée par des filaments s'étendant de la surface intérieure à la surface extérieure de la feuille dans une direction sensiblement normale par rapport à ces surfaces, ce procédé consistant à couper des éléments dans au moins une feuille et à assembler ces éléments sous forme d'un corps à courbure sphérique où les filaments sont distribués à peu près radialement, étant caractérisé par le fait que l'on fait adhérer plusieurs éléments à une bande de support à laquelle les filaments sont normaux,
après quoi l'on applique le nombre désiré de bandes de support portant ces éléments sur un mandrin de forme au moins partiellement sphérique pour établir sur lui un ensemble de même forme, l'on remplit les intervalles entre les différents éléments avec de la résine qui n'a pas fait prise et l'on soumet l'ensemble obtenu à une cuisson pour faire prendre cette dernière résine.
Le corps ainsi obtenu présente d'excellents rapports poids/poussée et résistance mécanique/poids. Il peut subir des pressions extérieures de plusieurs centaines de kg/cm2, la pression limite acceptable étant définie dans une grande mesure par le module d'élasticité de la matière utilisée. Un tel corps convient donc parfaitement à l'utilisation sous l'eau.
Le corps présente l'avantage par rapport aux chambres métalliques connues de ne pas nécessiter de capuchons ou revêtements spéciaux sur les pôles pour permettre d'accéder à l'intérieur du fait qu'on peut ouvrir et fermer localement et réparer ce corps par simple enlèvement et remise en place de parties relativement peu importantes de la paroi constituée par les éléments sans que cela réduise la résistance de ce corps.
Le dessin annexé illustre, à titre d'exemple, plusieurs mises en oeuvre du procédé ci-dessus.
La fig. 1 est une vue en perspective d'une sphère à filaments radiaux constituée par deux hémisphères identiques.
La fig. 2 est une coupe verticale fragmentaire de la sphère représentée en fig. 1.
La fig. 3 est une vue en perspective de l'élément de construction de base employé en grand nombre dans la fabrication des hémisphères suivant les fig. 1 et 2.
La fig. 4 est une vue de l'élément suivant la fig. 3 modifié pour être utilisé dans la construction effective des hémisphères.
La fig. 5 est une vue en plan de l'élément représenté en fig. 4 modifié encore avant la construction de l'hémi- sphère.
La fig. 6 est une vue en élévation d'un hémisphère établi en partie et qui une fois achevé servira à la fabrication de la sphère suivant la fig. 1.
La fig. 6a représente schématiquement et d'une manière fragmentaire le mode de construction de l'hémisphère représenté sur la fig. 6 à partir des éléments suivant la fig. 5.
La fig. 7 représente schématiquement l'effet d'efforts de compression sur un élément unidirectionnel à filaments parallèles du type dont il est fait usage dans l'exécution du procédé décrit.
La fig. 8 représente en perspective une sphère à filaments radiaux se composant de deux hémisphères identiques. chacun de ces hémisphères étant établi suivant une variante du procédé décrit.
La fig. 9 est une vue en plan d'un ensemble intermédiaire servant à la constitution des hémisphères formant la sphère représentée en fig. 8.
La fig. 9a est une vue en perspective à une échelle un peu supérieure de l'élément de base employé dans la constitution de Fensemble intermédiaire suivant la fig. 9.
La fig. 10 est une vue en élévation latérale de l'en- semble intermédiaire vu suivant la ligne 10-10 de la fig. 9.
Les fig. 1 1 et 12 sont des vues schématiques en élévation d'un mandrin hémisphérique et font comprendre les deux premières opérations du procédé de construction d'un hémisphère à filaments radiaux conformément à une autre mise en oeuvre du procédé.
La fig. 13 est une coupe faite suivant la ligne 13-13 de la fig. 12.
La fig. 14 est une vue en élévation du mandrin, analogue à la fig. 12, faisant comprendre l'opération suivante dans cette autre mise en oeuvre.
La fig. 15 est une vue en élévation du mandrin vu suivant un angle de 45 par rapport au plan de la fig. 14 et fait comprendre d'autres opérations de ladite autre mise en oeuvre.
La fig. 16 représente schématiquement et d'une ma- nière fragmentaire une enveloppe sphérique à filaments radiaux et met en évidence un des avantages des corps obtenus selon le procédé décrit.
La fig. 1 6a est une vue analogue d'une sphère connue à filaments enroulés et montre 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. 7 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 et à la direction du filament.
Dans de telles conditions, les filaments travaillent à la traction, comme cela est 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 déve loppés 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 perpendiculaire 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
a = Pr/2t (1) 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 seraient sollicitées 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 Pc 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
M=W/D (3) où W est le poids de la chambre et D la poussée d'Archimède créée par cette dernière.
Pour une valeur donnée de la expression critique de déformation, la quantité W/D qui est le rapport poids/poussée est liée à la nature de la matière du récipient par la réalisation suivante:
W/D N Q/Nt (4) où U 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. I1 faut donc utiliser des éléments de construction en fibres unidirectionnelles et en résine, ayant une valeur aussi faible que possible pour elle, 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'elles 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 et des fibres.
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 & 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 4 200 000 kg/cm2), des filaments cristallins de saphir, de tungstène, etc.
La résine peut être choisie panni celles vendues par la Union Carbide Corporation sous les désignations ERL 2256 3 (module d'environ 38 500 kg/cm2) et a ERRA 0300 (module d'environ 50400 kg/cm2) et a EP 2114) > (module d'environ 72 100 kg/cm2), ainsi que d'autres résines époxy et différentes autres résines telles que résines phénoliques, mélamines et des copolymères alcoyl maléique/styrène comme résines de polyesters, caractérisées par des valeurs relativement faibles de Q/V E. On a trouvé par exemple qu'un élément tel que celui qui est représenté en fig.
7 et qui est constitué par un corps de résine époxy 1009 de la Minnesota Mining & Manufacturing Company dans lequel sont noyés des filaments unidirectionnels de verre S y formant 77 o/o du volume total peut résister à des tensions de compression équilibrées de 11 550kg/cm2 dans chacune des directions o'et o".
Les fig. 1 et 2 représentent une sphère creuse 25 à filaments radiaux, qui est constituée par deux hémisphères 25a et 25b. Ceux-ci sont établis par lunules en utilisant comme matière première une feuille unidirectionnelle dont le corps est une résine qui a déjà fait prise, par exemple une résine époxy dans laquelle sont noyés des filaments de verre ou d'une autre matière s'étendant parallèlement entre eux et aux faces larges de la feuille.
On découpe d'abord la feuille en plusieurs bandes minces 26 (fig. 3), les directions de coupe étant perpendiculaires à la direction des filaments. (: Chaque bande 26 comporte par conséquent un grand nombre de tronçons courts voisins l'un de l'autre de filaments perpendiculaires aux faces larges de la bande, comme indiqué schématiquement sur le dessin en 26a. L'épaisseur des bandes 26 dépend naturellement des caractéristiques de construction et de résistance mécanique que doit présenter la sphère à construire.
On découpe ensuite chaque bande 26 en forme de demi-lunules 27 (fig. 4) et on applique un ruban adhésif 28 à double face, sensible à la pression, à une face de chaque demi-lunule 27. L'opération préparatoire finale consiste à découper chaque demi-lunule 27 en forme de grille 27a (fig. 5), la coupe allant jusqu'au support en ruban adhésif mais sans trancher ce dernier. Les parties 27a de l'élément demeurent par conséquent adhérentes au ruban de support et l'ensemble qu'elles forment peut être déformé suivant deux dimensions, c'est-à-dire qu'il est possible de l'incurver quelque peu tant longitudinalement que transversalement.
On peut voir en particulier sur les fig. 6 et 6a la manière dont les différentes demi-lunules 27 sont assemblées pour former un hémisphère 25a ou 25b. Le seul équipement nécessaire pour cette opération est un mandrin 29 sphérique, susceptible d'être détruit, de diamètre extérieur approprié, fonné avantageusement par un alliage à bas point de fusion, par exemple en métal de
Wood fusible à 660 C. Le procédé de construction consiste à poser les demi-lunules individuellement sur le mandrin, les supports adhésifs correspondants étant en contact avec le mandrin.
Ainsi donc on applique chaque demi-lunule sur le mandrin en plaçant d'abord l'extrémité large 27b de la demi-lunule parallèlement à l'équateur du mandrin comme indiqué en traits pleins sur la fig. 6a et en courbant ensuite la bande pour l'amener à sa position finale incurvée le long du mandrin, comme indiqué en traits mixtes sur la fig. 6a, le sommet 27c de la demi-lunule atteignant à peu près le pôle du mandrin.
Dans la pratique, il est préférable d'utiliser des demilunules 27 ayant des dimensions telles que lorsqu'elles adhèrent au mandrin leurs extrémités larges 27b se placent légèrement au-dessous de l'équateur du mandrin pour une raison qui apparaîtra ci-après.
Après cette opération, on imprègne l'ensemble sous vide et sur le mandrin avec une résine thermodurcissable, par exemple avec une résine époxy pour remplir les différents intervalles existant entre les demi-lunules conti guës et entre les différentes parties contiguës 27a et on effectue une cuisson sur le mandrin pour achever la prise de la résine de remplissage. Cela fait, on enlève le mandrin par exemple par fusion, on nettoie l'intérieur de l'hémisphère et on retire le ruban 28. On régularise ensuite et on dresse à la meule la surface annulaire équatoriale de l'hémisphère pour que cet hémisphère puisse être ainsi monté sur un autre hémisphère analogue.
Enfin, on assemble suivant leurs équateurs respectifs deux hémisphères identiques au moyen d'une résine époxy, par exemple de celle vendue par la Shell Oil Company sous la désignation a EPON 934 . La sphère obtenue par cet assemblage est soumise ensuite à une nouvelle opération de cuisson pour faire prendre l'adhésif.
Pour une telle sphère à filaments radiaux, ayant un diamètre intérieur de 76 mm, on a trouvé qu'une épaisseur de 4,572 mm, si les éléments composants sont coupés transversalement à cette épaisseur à partir d'une feuille unidirectionnelle ayant une épaisseur de 9,525 mm de filaments de verre liés par une résine époxy vendue par la Minnesota Mining & Manufacturing Company et disponible en différentes épaisseurs, est suffisante pour résister à une pression d'écrasement de 910 kg/cm2, le rapport poids/poussée ayant une valeur de 0,53.
On a constaté qu'une construction comparable avec filaments enroulés et renforcement par bague intérieure résistant à une pression d'écrasement de 952 kg/cm avait un rapport poids/poussée d'une valeur de 0,62, I'augmentation de 17 O/u environ en poids représentant une capacité de charge utile réduite d'une manière correspondante.
On a représenté sur les fig. 8 et 10 un procédé quelque peu différent, auquel on a appliqué la désignation de procédé par tiers d'octant, pour la construction d'une sphère à filaments radiaux à partir de feuilles unidirectionnelles en résine contenant des filaments.
Comme précédemment, on construit la sphère 30 (fig. 8) en assemblant deux hémisphères identiques 30a et 30b.
Toutefois, chaque hémisphère est constitué par quatre secteurs ou octants 31, chacun d'eux formant le huitième d'une sphère et chaque octant d'un hémisphère étant constitué par trois segments sphériques 32, sensiblement identiques, à quatre côtés (voir aussi fig. 9 et 10). On peut calculer facilement les aires et contours de ces secteurs en se basant sur des considérations géométriques connues.
La première opération du procédé de construction d'un hémisphère à partir de ces segments consiste à assembler côte à côte un certain nombre de bandes planes allongées 33 (fig. 9a), ce nombre étant supçrieur au nombre nécessaire pour le segment 32 (tiers d'octant) à former, et à serrer ces bandes ensemble au contact d'une surface plane, les fibres étant orientées perpendiculairement à cette surface. On colle alors sur toute la surface plane apparente de cet ensemble de bandes une feuille mince 34 de caoutchouc ou d'une autre matière flexible susceptible d'épouser facilement la forme d'une surface à double courbure.
On découpe ensuite les bandes assemblées transversalement par rapport aux lignes de jonction de ces bandes, les traits de coupe étant exécutés à travers toute l'épaisseur des bandes, mais s'arrêtant à la feuille flexible 34. Il se forme ainsi un nombre relativeinent grand de petits morceaux 33a qui sont fixés seulement à la feuille en caoutchouc sans être fixés entre eux.
On pose alors cet ensemble sur un mandrin à courbure sphérique de rayon approprié, la feuille 34 étant appliquée contre la surface du mandrin et on Imprègne avec une résine époxy pour remplir les nombreuses fentes, pratiquement en forme de V, existant entre les morceau':. Lorsque le remplissage en résine fait prise, on détache le segment, la feuille support et la résine en excès, puis on le découpe et on le dresse pour lui donner le profil exact d'un tiers d'octant. On assemble ensuite trois segments 32 ainsi préparés sur un mandrin hémisphérique et on les assemble pour constituer un octant 31 de l'hémisphère; on applique de la résine époxy aux surfaces d'assemblage ou de butée entre les segments et on la cuit pour achever l'octant.
On assemble ensuite sur un mandrin sphérique quatre octants, convenablement coupés. et on applique à leurs surfaces de joint de la résine époxy que l'on cuit pour obtenir un hémisphère terminé 30a, 30b. Cela fait, on assemble deux hémisphères ainsi formés suivant un plan équatorial, I'assemblage étant exécuté comme précédemment au moyen de résine époxy de manière à obtenir ainsi la sphère désirée.
On a représenté sur les fig. 11 à 15 un autre procédé pour la construction de sphères creuses. Suivant ce procédé ou procédé par bandes, on se sert de bandes allon tuées 35 constituées chacune par l'assemblage bout à bout d'un certain nombre de morceaux unidirectionnels 36 adhérant par une face à un ruban adhésif à double face 37, sensible à la pression, analogue au ruban 28 des fig. 9, 4 et 6. Comme précédemment, les filaments sont perpendiculaires au support formé par le ruban. Le procédé consiste à former tout d'abord une région équatoriale comprenant en largeur une ou plusieurs bandes le long de l'équateur du mandrin sphérique 29 (fig. 11), des bandes 35 étant fixées au mandrin par le ruban adhésif.
On pose ensuite une ou plusieurs bandes 35a le long d'un grand cercle passant par le pôle du mandarin, ces bandes réunissant deux parties diamétralement opposées du bord supérieur de la bande équatoriale supérieure 35 (fig. 12 et 13). On pose ensuite sur le mandrin deux bandes 35b s'étendant chacune suivant un quart de circonférence et disposées à 900 par rapport aux bandes 35a à partir des côtés opposés des bandes polaires 35a jusqu'aux parties correspondantes diamétralement opposées du bord supwrieur de la bande équatoriale supérieure 35 (fig. 14). Par conséquent, à ce stade de la construction, quatre triangles sphériques de l'hémisphère restent encore ouverts. On remplit ces parties en appliquant progressivement d'autres bandes 35c, etc.
(fig. 15) découpées suivant des formes appropriées épousant les coins des triangles sphériques correspondants. On remarquera de nouveau qu'en pratique la bande inférieure 35 s'étendra de préférence quelque peu au-dessous de l'équateur du mandrin 29. Après que l'hémisphère a été complété de la manière indiquée, on remplit les fentes avec de la résine époxy et on fait cuire l'ensemble. Enfin, après avoir enlevé le mandrin et le ruban on procède à un usinage précis suivant le plan équatorial. On forme alors une sphère complète comme précédemment en assujettissant les deux hémisphères l'un sur l'autre le long de leurs bords équatoriaux.
En dépit des différences des diverses mises en oeuvre de procédés décrites ci-dessus, toutes les sphères construites se comportent également bien en pratique dans des conditions de milieu identiques sous cette réserve que la présence de joints ou d'espaces en forme de V remplis de résine entre les éléments contigus dans les sphères produites par le procédé des lunules, par le procédé des tiers d'octant et par le procédé des bandes diminue quelque peu la pression critique.
Toutefois, de tels espaces en forme de V peuvent être remplis au moyen de morceaux effilés de résine renforcée par des fibres unidirectionnelles, découpés dans la même matière que les autres éléments, ces morceaux étant collés sur place et les longueurs de fibre se trouvant dans ces morceaux étant en outre orientées d'une manière sensiblement radiale par rapport à la sphère de sorte que la légère diminution de la pression critique pourrait ainsi être évitée.
La matière brute en résine non cuite à filaments unidirectionnels 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 par conséquent elle a un contenu maximum de filaments qui est d'environ 65 /o. Toutefois, on a trouvé avantageux d'adopter un contenu en filaments supérieur à 65 0/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.
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 et la pression critique d'une sphère ainsi établie est un peu inférieure à celle d'une sphère ayant une teneur en résine réduite et par conséquent une teneur en fibres supérieure.
A titre d'exemple on a établi une sphère à filaments radiaux ayant un diamètre de 76 mu par le procédé décrit en se référant aux fig. 11 à 15, à partir d'un ruban en résine époxy renforcée par des fibres de verre, cette résine ayant un module d'élasticité de 30 100 kg/cm2 et le verre ayant un module de 868 000 kg/cm2, ruban vendu par la Minnesota Mining & Manufacturing Company
sous la désignation 1 009 26 S. La teneur en volume de filaments présents dans la sphère était de 77 o/o et la sphère avait un rapport poids/poussée (W/D) de 0,50.
Au cours d'essais cette sphère a supporté sans dommage une pression hydrostatique extérieure de 1750 kg/cm2.
D'autres avantages de la construction d'une sphère à
filaments radiaux apparaissent si l'on compare les fig. 16 et 1 6a du dessin. Ainsi, dans une enveloppe sphérique 49
à filaments radiaux on laisse 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 défeuilletage de la paroi.
Ainsi, s'il arrive qu'une partie d'une sphère à filaments radiaux soit détériorée, il est possible de la réparer très facilement en enlevant par une coupe radiale la partie détériorée et de remplacer cette partie enlevée par une partie neuve correspondante à filaments radiaux qui peut être collée sur place pour réparer l'enveloppe sans qu'il y ait perte de résistance.
Un autre avantage de la construction à filaments radiaux est qu'une telle sphère 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 tant qu'ensemble. les ouvertures polaires de cette sphère doivent nécessairement être relativement petites et elles limitent les possibilités d'accès et en conséquence les dimensions et le caractère des instruments à introduire dans la sphère, dont la largeur doit être inférieure au 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/poussée, ce qui dimi nue d'autant sa charge e utile.
REVENDICATIONS
1. Procédé de fabrication d'un corps creux à enveloppe sphérique à partir d'une feuille de résine synthétique renforcée par des filaments s'étendant de la surface intérieure à la surface extérieure de la feuille dans une direction sensiblement normale par rapport à ces surfaces, ce procédé, consistant à couper des éléments dans au moins une feuille et à assembler ces éléments sous forme d'un corps à courbure sphérique où les filaments sont distribués à peu près radialement, étant caractérisé par le fait que l'on fait adhérer plusieurs éléments à une bande de support à laquelle les filaments sont normaux.
après quoi l'on applique le nombre désiré de bandes de support portant ces éléments sur un mandrin de forme au moins partiellement sphérique pour établir sur lui un ensemble de même forme, I'on remplit les intervalles entre les différents éléments avec de la résine qui n'a pas fait prise et l'on soumet l'ensemble obtenu à une cuisson pour faire prendre cette dernière résine.
II. Corps creux obtenu par le procédé selon la revendication I, caractérisé par le fait qu'il comprend des élé- ments découpés dans une feuille de résine synthétique renforcée par des filaments normaux à sa surface, ces éléments adhérant à des bandes de support et étant assemblés de manière à former une enveloppe de forme sphérique dont les interstices entre éléments sont remplis d'une résine synthétique.
Method of manufacturing a hollow body with a spherical envelope
and hollow body obtained by this process
The present invention relates to a method of manufacturing a hollow body with a spherical envelope, as well as a hollow body obtained by this method.
There is a great demand for hollow bodies capable of withstanding extremely high external pressures for research and oceanographic exploration, as well as for other underwater research and exploration, these hollow bodies being intended to serve as load supports in underwater constructions, chambers for men and instruments or even floating elements intended to be attached to submerged chambers.
A chamber formed by such a hollow body is generally formed by a massive, monolithic metal casing exhibiting well-known superior characteristics from the point of view of its mechanical strength as well as resistance to warping under the considerable compressive forces to which it is subjected. great depths, but these metal chambers have relatively low mechanical strength compared to their weight, while the ratio of their weight to their Archimedean thrust is relatively high.
According to the invention, the hollow body with a spherical shell is made from a synthetic resin sheet reinforced with filaments extending from the interior surface to the exterior surface of the sheet in a direction substantially normal to these surfaces. , this process consisting in cutting elements in at least one sheet and in assembling these elements in the form of a body with spherical curvature where the filaments are distributed approximately radially, being characterized by the fact that several elements are adhered to a support strip to which the filaments are normal,
after which one applies the desired number of support strips carrying these elements on a mandrel of at least partially spherical shape to establish on it an assembly of the same shape, one fills the gaps between the different elements with resin which has not set and the assembly obtained is subjected to baking to set this last resin.
The body thus obtained exhibits excellent weight / thrust and mechanical strength / weight ratios. It can undergo external pressures of several hundred kg / cm2, the acceptable limit pressure being defined to a large extent by the modulus of elasticity of the material used. Such a body is therefore perfectly suitable for use underwater.
The body has the advantage over known metal chambers of not requiring special caps or coatings on the poles to allow access to the interior because one can open and close locally and repair this body by simple removal. and replacing relatively small parts of the wall formed by the elements without reducing the strength of this body.
The appended drawing illustrates, by way of example, several implementations of the above method.
Fig. 1 is a perspective view of a sphere with radial filaments formed by two identical hemispheres.
Fig. 2 is a fragmentary vertical section of the sphere shown in FIG. 1.
Fig. 3 is a perspective view of the basic construction element used in large numbers in the manufacture of the hemispheres according to FIGS. 1 and 2.
Fig. 4 is a view of the element according to FIG. 3 modified for use in the actual construction of hemispheres.
Fig. 5 is a plan view of the element shown in FIG. 4 modified again before construction of the hemisphere.
Fig. 6 is an elevational view of a partially established hemisphere which, once completed, will be used for the manufacture of the sphere according to FIG. 1.
Fig. 6a shows schematically and in a fragmentary manner the mode of construction of the hemisphere shown in FIG. 6 from the elements according to FIG. 5.
Fig. 7 schematically shows the effect of compressive forces on a unidirectional element with parallel filaments of the type used in the execution of the method described.
Fig. 8 shows in perspective a sphere with radial filaments consisting of two identical hemispheres. each of these hemispheres being established according to a variant of the method described.
Fig. 9 is a plan view of an intermediate assembly serving to constitute the hemispheres forming the sphere shown in FIG. 8.
Fig. 9a is a perspective view on a slightly larger scale of the base element employed in the constitution of the intermediate assembly according to FIG. 9.
Fig. 10 is a side elevational view of the intermediate assembly seen along line 10-10 of FIG. 9.
Figs. 1 1 and 12 are schematic views in elevation of a hemispherical mandrel and show the first two operations of the method for constructing a hemisphere with radial filaments in accordance with another implementation of the method.
Fig. 13 is a section taken along line 13-13 of FIG. 12.
Fig. 14 is an elevational view of the mandrel, similar to FIG. 12, showing the following operation in this other implementation.
Fig. 15 is an elevational view of the mandrel seen at an angle of 45 to the plane of FIG. 14 and includes other operations of said other implementation.
Fig. 16 shows schematically and in a fragmentary manner a spherical envelope with radial filaments and demonstrates one of the advantages of the bodies obtained according to the method described.
Fig. 16a is a similar view of a known sphere with coiled filaments and shows 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. 7 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 perpendicular to each other and 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 may by therefore be considered as being subjected to two compressive forces perpendicular 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
a = Pr / 2t (1) 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 would 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 Pc 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 value coefficient
M = W / D (3) where W is the weight of the chamber and D the Archimedean thrust created by the latter.
For a given value of the critical expression of deformation, the quantity W / D which is the weight / thrust ratio is linked to the nature of the material of the container by the following realization:
W / D N Q / Nt (4) where U 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 for chambers of dimensions different 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 allows to reduce the wall thickness t and the density Q. It is therefore necessary to use construction elements in unidirectional fibers and in resin, having a value as low as possible for it, a ratio which decreases when E increases, E being in in this case 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, eg allowable density, weight, etc., may impose limitations on the choice of resin and fibers.
It will be indicated, only by way of example, that excellent results have been obtained by using glass filaments having a modulus between 700,000 and 875,000 kg / cm2 as fibers in an epoxy resin sold by Minnesota Mining. & Manufacturing Company under the designation 1009 having a modulus of about 30,000 kg / cm2. According to one variant, the fiber of the elements can 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). ), crystalline filaments of sapphire, tungsten, etc.
The resin can be chosen from those sold by the Union Carbide Corporation under the designations ERL 2256 3 (modulus of about 38,500 kg / cm2) and a ERRA 0300 (modulus of about 50,400 kg / cm2) and a EP 2114)> (modulus of about 72,100 kg / cm2), as well as other epoxy resins and various other resins such as phenolic resins, melamines and alkyl maleic / styrene copolymers as polyester resins, characterized by relatively low values of Q / V E. It has been found, for example, that an element such as the one shown in FIG.
7 and which is constituted by a body of 1009 epoxy resin from Minnesota Mining & Manufacturing Company in which are embedded unidirectional filaments of glass S forming 77% of the total volume and can withstand balanced compressive stresses of 11 550kg / cm2 in each of the o'and o "directions.
Figs. 1 and 2 represent a hollow sphere 25 with radial filaments, which is formed by two hemispheres 25a and 25b. These are established by lunules using as raw material a unidirectional sheet whose body is a resin which has already set, for example an epoxy resin in which are embedded filaments of glass or other material extending in parallel. between them and on the broad sides of the sheet.
The sheet is first cut into several thin strips 26 (Fig. 3), the cutting directions being perpendicular to the direction of the filaments. (: Each strip 26 consequently comprises a large number of short sections adjacent to each other of filaments perpendicular to the wide faces of the strip, as shown schematically in the drawing at 26a. The thickness of the strips 26 naturally depends on the construction and mechanical resistance characteristics that the sphere to be constructed must exhibit.
Each strip 26 is then cut in the shape of half-lunula 27 (Fig. 4) and a double-sided, pressure-sensitive adhesive tape 28 is applied to one side of each half-lunula 27. The final preparatory operation consists of in cutting each half-lunula 27 in the form of a grid 27a (fig. 5), the cut going to the adhesive tape support but without cutting the latter. The parts 27a of the element therefore remain adherent to the support tape and the assembly they form can be deformed in two dimensions, i.e. it is possible to bend it somewhat so longitudinally. that transversely.
It can be seen in particular in FIGS. 6 and 6a the way in which the various half-lunulas 27 are assembled to form a hemisphere 25a or 25b. The only equipment necessary for this operation is a spherical mandrel 29, capable of being destroyed, of suitable outside diameter, advantageously formed by a low-melting-point alloy, for example of metal.
Wood fuse at 660 C. The construction process consists in placing the half-lunules individually on the mandrel, the corresponding adhesive supports being in contact with the mandrel.
Thus each half-lunula is applied to the mandrel by first placing the broad end 27b of the half-lunula parallel to the equator of the mandrel as indicated in solid lines in FIG. 6a and then bending the strip to bring it to its final curved position along the mandrel, as shown in phantom in fig. 6a, the top 27c of the half-lunula reaching roughly the pole of the mandrel.
In practice, it is preferable to use half-units 27 having dimensions such that when they adhere to the mandrel their wide ends 27b are placed slightly below the equator of the mandrel for a reason which will become apparent below.
After this operation, the assembly is impregnated under vacuum and on the mandrel with a thermosetting resin, for example with an epoxy resin to fill the various gaps existing between the contiguous half-lunules and between the various contiguous parts 27a and one carries out a baking on the mandrel to complete the setting of the filling resin. This done, we remove the mandrel for example by melting, we clean the inside of the hemisphere and we remove the tape 28. We then regularize and grind the equatorial annular surface of the hemisphere so that this hemisphere can thus be mounted on another similar hemisphere.
Finally, two identical hemispheres are assembled along their respective equators by means of an epoxy resin, for example that sold by the Shell Oil Company under the designation EPON 934. The sphere obtained by this assembly is then subjected to a new baking operation to set the adhesive.
For such a radial filament sphere, having an inner diameter of 76 mm, it has been found that a thickness of 4.572 mm, if the component elements are cut transversely to this thickness from a unidirectional sheet having a thickness of 9.525 mm. of glass filaments bonded with epoxy resin sold by Minnesota Mining & Manufacturing Company and available in various thicknesses, is sufficient to withstand a crushing pressure of 910 kg / cm2, the weight / thrust ratio having a value of 0, 53.
It was found that a comparable construction with coiled filaments and inner ring reinforcement resisting a crushing pressure of 952 kg / cm had a weight / thrust ratio of 0.62, the increase of 17 O /. u approximately by weight representing correspondingly reduced payload capacity.
There is shown in FIGS. 8 and 10 a somewhat different process, to which the designation of the third octant process has been applied, for the construction of a radial filament sphere from unidirectional resin sheets containing filaments.
As before, the sphere 30 (FIG. 8) is constructed by assembling two identical hemispheres 30a and 30b.
However, each hemisphere is formed by four sectors or octants 31, each of them forming the eighth of a sphere and each octant of a hemisphere consisting of three spherical segments 32, substantially identical, with four sides (see also fig. 9 and 10). The areas and contours of these sectors can be easily calculated based on known geometric considerations.
The first operation of the method of constructing a hemisphere from these segments consists in assembling side by side a certain number of elongated flat strips 33 (fig. 9a), this number being greater than the number necessary for the segment 32 (third d 'octant) to form, and to clamp these bands together in contact with a flat surface, the fibers being oriented perpendicular to this surface. A thin sheet 34 of rubber or other flexible material capable of easily conforming to the shape of a double curvature surface is then bonded to the entire apparent flat surface of this set of strips.
The assembled strips are then cut transversely with respect to the junction lines of these strips, the cutting lines being executed through the entire thickness of the strips, but stopping at the flexible sheet 34. A relatively large number is thus formed. small pieces 33a which are attached only to the rubber sheet without being attached to each other.
This assembly is then placed on a spherically curved mandrel of appropriate radius, the sheet 34 being applied against the surface of the mandrel and it is impregnated with an epoxy resin to fill the numerous slots, practically V-shaped, existing between the pieces: . When the resin filling sets, the segment, backing sheet and excess resin are peeled off, then cut and raised to give it the exact one-third octant profile. Three segments 32 thus prepared are then assembled on a hemispherical mandrel and assembled to form an octant 31 of the hemisphere; epoxy resin is applied to the assembly or abutment surfaces between the segments and baked to complete the octant.
Four octants, suitably cut, are then assembled on a spherical mandrel. and epoxy resin is applied to their joint surfaces which is baked to obtain a finished hemisphere 30a, 30b. This done, two hemispheres thus formed are assembled in an equatorial plane, the assembly being carried out as previously by means of epoxy resin so as to thus obtain the desired sphere.
There is shown in FIGS. 11 to 15 another method for the construction of hollow spheres. According to this method or method by strips, one uses allon killed strips 35 each formed by the end-to-end assembly of a number of unidirectional pieces 36 adhering on one side to a double-sided adhesive tape 37, sensitive to the pressure. pressure, similar to the tape 28 of FIGS. 9, 4 and 6. As before, the filaments are perpendicular to the support formed by the tape. The method involves first forming an equatorial region comprising in width one or more bands along the equator of the spherical mandrel 29 (Fig. 11), bands 35 being secured to the mandrel by the adhesive tape.
One or more bands 35a are then placed along a large circle passing through the pole of the mandarin, these bands joining two diametrically opposed parts of the upper edge of the upper equatorial band 35 (Figs. 12 and 13). Two bands 35b are then placed on the mandrel, each extending along a quarter of a circumference and arranged at 900 relative to the bands 35a from the opposite sides of the pole bands 35a to the corresponding diametrically opposed parts of the upper edge of the equatorial band. upper 35 (fig. 14). Therefore, at this stage of construction, four spherical triangles of the hemisphere still remain open. These parts are filled by gradually applying more bands 35c, etc.
(fig. 15) cut into appropriate shapes matching the corners of the corresponding spherical triangles. It will again be appreciated that in practice the lower band 35 will preferably extend somewhat below the equator of the mandrel 29. After the hemisphere has been completed as shown, the slots are filled with gas. epoxy resin and we cook the whole. Finally, after removing the mandrel and the ribbon, precise machining is carried out along the equatorial plane. A complete sphere is then formed as before by subjecting the two hemispheres to one another along their equatorial edges.
Despite the differences in the various method implementations described above, all of the spheres constructed also perform well in practice under identical environmental conditions with the proviso that the presence of V-shaped joints or spaces filled with The resin between the contiguous elements in the spheres produced by the lunula process, by the third octant process and by the band process decreases the critical pressure somewhat.
However, such V-shaped spaces can be filled with tapered pieces of unidirectional fiber reinforced resin cut from the same material as the other pieces, these pieces being glued in place and the lengths of fiber in these pieces. pieces being further oriented in a substantially radial manner with respect to the sphere so that the slight decrease in the critical pressure could thus be avoided.
The raw unidirectional filament unbaked resin material 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 about 65 / 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 prior to baking.
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. However, the principles of radial filament construction can also be respected by making use of the original material, the resin content of which is not reduced and the critical pressure of a sphere thus established is a little lower than that of a sphere having a reduced resin content and therefore a higher fiber content.
By way of example, a sphere with radial filaments having a diameter of 76 μm was established by the method described with reference to FIGS. 11 to 15, from a tape of epoxy resin reinforced with glass fibers, this resin having a modulus of elasticity of 30,100 kg / cm2 and the glass having a modulus of 868,000 kg / cm2, tape sold by Minnesota Mining & Manufacturing Company
under the designation 1 009 26 S. The content by volume of filaments present in the sphere was 77% and the sphere had a weight / thrust (W / D) ratio of 0.50.
During tests this sphere withstood without damage an external hydrostatic pressure of 1750 kg / cm2.
Other advantages of building a sphere to
radial filaments appear if we compare figs. 16 and 16a of the drawing. Thus, in a spherical envelope 49
with radial filaments, an orifice 50 is left 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 peeling of the wall.
Thus, if it happens that part of a sphere with radial filaments is damaged, it is possible to repair it very easily by removing by a radial cut the damaged part and replacing this removed part with a corresponding new part with filaments. radials that can be glued in place to repair the casing without losing strength.
Another advantage of the radial filament construction is that such a sphere does not need to be provided with pole caps or the like allowing access to the interior of the sphere. Particularly when the sphere is constructed from two identical hemispheres, it is possible to introduce the payload, e.g. 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 filament wound sphere can only be formed as a whole. the polar openings of this sphere must necessarily be relatively small and they limit the possibilities of access and consequently the dimensions and the character of the instruments to be introduced into the sphere, the width of which must be less than the diameter of the polar openings. In addition, the need to make use in a sphere with coiled filaments of metallic polar caps increases its weight / thrust ratio, which correspondingly decreases its payload.
CLAIMS
A method of manufacturing a hollow body with a spherical shell from a synthetic resin sheet reinforced with filaments extending from the inner surface to the outer surface of the sheet in a direction substantially normal to these surfaces. , this process, consisting in cutting elements in at least one sheet and in assembling these elements in the form of a spherically curved body where the filaments are distributed approximately radially, being characterized by the fact that several elements to a backing strip to which the filaments are normal.
after which one applies the desired number of support bands carrying these elements on a mandrel of at least partially spherical shape to establish on it an assembly of the same shape, the gaps between the different elements are filled with resin which has not set and the assembly obtained is subjected to baking to set this last resin.
II. Hollow body obtained by the process according to Claim I, characterized in that it comprises elements cut from a sheet of synthetic resin reinforced by normal filaments at its surface, these elements adhering to support strips and being assembled. so as to form an envelope of spherical shape whose interstices between elements are filled with a synthetic resin.