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Les structures compositesen construction navale militaire par Patrick PARNEIX Docteur Sciences des Matériaux – Université de Limoges Ingénieur Matériaux DCN Lorient et Dominique LUCAS ENSAM (École Nationale Supérieure des Arts et Métiers) Ingénieur Études Structures composites DCN Lorient 1. 1.1 1.2 1.3 1.4 Navires antimines .................................................................................... Généralités ................................................................................................... Structures monolithiques raidies ............................................................... Structures monolithiques épaisses............................................................ Structures sandwichs .................................................................................. AM 5 665 - 2 — 2 — 3 — 7 — 7 2. 2.1 2.2 2.3 2.4 Navires rapides et patrouilleurs .......................................................... Architecture .................................................................................................. Matériaux ..................................................................................................... Mise en œuvre ............................................................................................. Réalisations .................................................................................................. — — — — — 8 9 9 9 10 3. 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 Éléments de navires ................................................................................ Superstructures ........................................................................................... Dômes sonar et corps remorqués.............................................................. Safrans.......................................................................................................... Hélices .......................................................................................................... Autres éléments........................................................................................... — — — — — — 11 11 13 14 14 14 4. 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 Applications sur les sous-marins ........................................................ Intérêts.......................................................................................................... Ponts extérieurs ........................................................................................... Dômes sonar ................................................................................................ Carénage de kiosque ................................................................................... Safrans.......................................................................................................... Coque résistante .......................................................................................... — — — — — — — 14 14 15 15 15 16 16 5. Perspectives .............................................................................................. — 17 Références bibliographiques ......................................................................... — 18 L es matériaux composites à matrice organique sont utilisés depuis près de 50 ans en construction navale militaire. Amagnétisme, légèreté, excellent comportement en milieu marin sont autant de propriétés de ces matériaux mises à profit pour supplanter des technologies plus traditionnelles. Dans l'article « Les matériaux composites en construction navale militaire », nous avons développé les principales caractéristiques de ces composites ainsi que les procédés de fabrication, parfois très spécifiques, mis en œuvre. Le présent article détaille les applications les plus significatives allant de la réalisation de coques de plusieurs centaines de tonnes à des appendices moins Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. © Techniques de l’Ingénieur, traité Plastiques et Composites AM 5 665 − 1 5 France Pays-Bas Belgique 51.LES STRUCTURES COMPOSITES EN CONSTRUCTION NAVALE MILITAIRE __________________________________________________________________________ impressionnants par la masse.1 400 Bois/acier Frankenthal Allemagne 54.5 Australie 30. — les coques en acier « amagnétique » (tableau 1). 1.. D’autres coques en bois ont été plastifiées.6 Royaume-Uni 57 Royaume-Uni 52. 1.3 1 312 Bois laminé Hatsushima Japon 57.9 Norvège 54 Suède 36 Danemark 54 Suède 71 Russie Déplacement (t) Architecture 450 750 450 540 830 530 Monocoque Monocoque Monocoque Monocoque Monocoque Catamaran Monocoque 520 540 890 697 720 Monocoque Monocoque Monocoque Monocoque Monocoque 340 170 360 175 300 Monocoque Catamaran NES Monocoque Monocoque Monocoque (1) 134 NES : navire à effet de surface (1) Information non connue. parmi lesquels les chasseurs/dragueurs de mines de la classe Avanger aux États-Unis ou les chasseurs de mines de la classe Hatsushima pour la marine japonaise. trois technologies ont été employées : — le bois ou le lamellé collé (tableau 1). Différents programmes ont utilisé cette technologie. Certaines études [7] citent des exemples de coques en bois fixées sur des membrures métalliques.5 Belgique 52 France 52 Espagne 51 Structure monolithique non raidie Italie 50 Corée du Sud 51 États-Unis 57.5 245/400 Bois revêtu composite Avanger Matériau (t) M 48 Thaïlande 49. Depuis la construction du HMS Wilton. c’est-à-dire revêtues de couches de résine pour améliorer la longévité dans l’eau. L’emploi d’acier amagnétique est également retenu en Russie pour la construction de navires antimines de la classe « 266 ME » ou « Natya » . traité Plastiques et Composites . hélices.3 Italie 52. 1er navire de ce type totalement en Type Pays constructeurs Longueur hors tout (m) Déplacement États-Unis 68..2 620 Acier amagnétique Hameln Allemagne 54. Historiquement. © Techniques de l’Ingénieur.1 Généralités Tableau 1 – Navires antimines à coque bois ou métallique La limitation de la signature magnétique est une préoccupation essentielle pour des navires antimines. Les informations chiffrées figurant dans cet article ne sont données qu’à titre indicatif. — l’emploi des matériaux composites (tableau 2). l’emploi des matériaux composites s’est quasiment généralisé pour la réalisation des coques de navires antimines. Ce fut le cas par exemple en France dans les années 1965/1970 des chasseurs de mines de la classe Circe . De l’acier inoxydable a été utilisé pour la construction des coques de chasseurs de mines de type 343 pour la marine allemande [8]. Les applications concernent les bâtiments de surface. ainsi que les caractéristiques des navires en bénéficiant.5 Structure sandwich Suède 47. mais également les sous-marins.7 440 Bois laminé Sonya Russie 40/48.4 620 Acier amagnétique Natya Russie Acier amagnétique Tableau 2 – Principaux types de navires antimines à coque composite Type Pays constructeurs Wilton Hunt Sandown Eridan KMU BAMO Bazan (Sandow modifié) Lerici Lerici modifié Osprey Gaeta Huon (Gaeta modifié) Landsort Rushcutter Oksoy YSB Smyge Stanflex Visby Lida Longueur hors tout (m) Structure monolithique raidie Royaume-Uni 46. AM 5 665 − 2 Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. Navires antimines CVR (Composite Verre/Résine). safrans. Les principales architectures sont présentées.). mais tout aussi chargés de technologie (dômes sonar.5 Australie 52. Ces structures sont principalement d’inspiration française (programme Eridan) ou britannique (programmes Hunt et Sandown).. les États-Unis.4 m de long et conduira en 1970 au lancement en fabrication de la première grande structure navale en matériaux composites. Landsort en Suède (cf. Cela est probablement dû à une réorientation de la stratégie de lutte contre les mines. À partir de 1955. conduit en coopération tripartite (France. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. les caractéristiques de légèreté et surtout d'absence de corrosion de ces matériaux quelque peu anachroniques commencent à susciter l'intérêt des ingénieurs et des architectes navals [2]. déplacement 450 t). transports de personnels.2 Structures monolithiques raidies Au cours des trente dernières années. dômes sonars. voit la construction de plus de 25 unités. Belgique). Avec l'amélioration des matériaux de base. la dimension des pièces et les faibles séries se prêtent moins à une mécanisation des procédés de transformation et donc à une baisse des coûts de fabrication.2._________________________________________________________________________ LES STRUCTURES COMPOSITES EN CONSTRUCTION NAVALE MILITAIRE HISTORIQUE Les références les plus anciennes situent l'apparition des matériaux composites en construction navale en 1946 [1]. Si le concept est assez proche des anciens chasseurs de mines en bois. les composites ont trouvé au fil du temps de nouvelles applications : coques de vedettes et navires rapides. il s'agissait dans leur très grande majorité de petites unités (inférieures à 11 m). Devant l'intérêt potentiel des matériaux composites. Elle est suivie de plus d'une centaine d'unités du même type dont certaines sont encore en service aujourd'hui. ponts externes de sous-marins. ces matériaux étranges. un programme ambitieux de Recherche et Développement est engagé dès le début des années 1960. une meilleure maîtrise des procédés de transformation. très fortement raidi transversalement et longitudinalement (figure 1). Dans le même temps. et notamment celle du HMS Wilton ont été calquées largement sur celles des générations précédentes de chasseurs de mines en bois. Par exemple. D'autres technologies voient le jour en Europe. ce bâtiment n'en constitue pas moins une avancée technologique très importante et ouvre la voie à l'une des applications majeures des maté- riaux composites en construction navale militaire : les bâtiments antimines. l'apparition des tissés de roving ainsi que de nouvelles techniques de moulage (core mold system par exemple) vont entraîner une croissance rapide des applications des matériaux composites. toujours pour des applications de navires antimines : Lerici en Italie. principalement à base de fibres de verre et de résines polyesters ont déjà été employés dans le domaine de l'aéronautique. 150 t de composites). Si le premier procédé est assez rapidement abandonné. différents concepts architecturaux ont été développés (tableau 2). des navires à effet de surface (NES) en matériaux composites destinés à la lutte contre les mines sont exploités en Scandinavie. en terme notamment de gain de masse ou de performances mécaniques.. À cela plusieurs explications possibles : peut-être un conservatisme plus marqué et le poids des traditions.50 m est produit par la DCN (Direction des Constructions Navales) dès 1958 [3]. Il a fallu attendre la fin des années 1980 pour voir les États-Unis s'impliquer à nouveau dans la réalisation de grandes structures (chasseurs de mines MSH Cardinale et Osprey – 57 m). ont temporairement marqué le pas dans le développement de grandes structures navales. Ce type d’architecture est assez coûteux et conduit en particulier à de nombreux croisements de raidisseurs (figure 2) dont la réalisation nécessite beaucoup de main d’œuvre. Pays-Bas. principalement des résines. plus sûrement des besoins techniques moins sévères. 1. au Royaume-Uni. Les architectes navals des différents pays constructeurs semblent s’accorder pour situer aux environs d’une cinquantaine de mètres. Nous nous attacherons. le programme engagé en France débouchera sur le lancement en fabrication en 1976 de la série des chasseurs de mines type Eridan (51 m. Les techniques de fabrication et les matériaux mis en œuvre ont également largement évolué. Les arguments mis en avant pour défendre ce concept sont la résistance aux explosions sous-marines (faible surface mouillée) et la faible signature magnétique (matériau et structure). navires de débarquement. le chasseur de mines HMS Wilton (longueur 47 m. un saut technologique considérable a été accompli au début des années 1990 par la DCN qui a opté pour des superstructures en matériaux composites pour le programme des frégates type La Fayette et dérivées [5]. Parallèlement en Europe. Paradoxalement. § 1). et bien que cela reste des applications singulières.. Ce résultat apparaît être le meilleur compromis [9] entre les exigences de tenue à la mer et la mobilité requise du navire sur une zone opérationnelle. Deux techniques sont alors développées: une technique de moulage sous pression à l'aide d’un sac gonflable et une technique d'injection sous vide. tant au niveau de leurs performances que des techniques de transformation.. Un programme financé par l'US Navy a pour but de réaliser des embarcations de 28 pieds destinées au transport de personnels. dans les paragraphes qui suivent. toujours limitées à de petites unités (jusqu’à 57 pieds) : vedettes de patrouilles côtières. À partir de cette date. Elles sont constituées d’un bordé de coque monolithique dont l’épaisseur en partie courante varie de 20 à 40 mm. En outre. Ainsi en France.1 Concept général Les architectures des premiers navires antimines en composite. Au sortir de la guerre. La pénétration des composites a été à la fois plus lente et plus limitée dans le domaine des constructions navales militaires que dans les secteurs de l'aéronautique et de la construction navale civile (plaisance et loisir). un prototype de vedette polyvalente de 9. Très rapidement. traité Plastiques et Composites AM 5 665 − 3 . vers la fin des années 1960. qui ont été les pionniers de l'introduction des composites en construction navale. et enfin avec le saut déterminant dans les méthodes de calcul et de dimensionnement des structures. Progressivement. une connaissance plus approfondie des performances des composites. Les taux de fibres restent modestes (de l'ordre de 25 %) et les problèmes de remplissage nombreux. 1. la longueur optimale d’un navire antimines. Ce programme. le second sera utilisé pendant plus d'une dizaine d'années pour réaliser plusieurs séries d'embarcations. © Techniques de l’Ingénieur. Il comporte des essais sur des structures de grandes dimensions dont un tronçon de navire antimines de 10. à décrire cette évolution à travers quelques exemples. un programme comparable débute [4]. si les chantiers américains ont construit de nombreux bâtiments en composites pour l'US Navy [6]. En France. mais aussi devant le manque de connaissances sur ces matériaux nouveaux. la technique de stratification au contact en voie humide va s'imposer pour les applications navales. zone d’initiation des fissures en cas de choc lié à une explosion sous-marine. l’association de résines isophtaliques (couches périphériques) et de résines tétrahydrophtaliques avait été retenue pour les premiers navires puis abandonnée au profit d’une structure essentiellement à base de polyester isophtalique. Pour le programme HMS Hunt. Côté français. les britanniques ont opté pour une fixation mécanique à l’aide de boulons en bronze ou en titane entre le bordé et la semelle des raidisseurs (figure 3). Cette technique consiste à implanter une résine de type uréthane acrylate dans l’angle formé par le raidisseur et le bordé (figure 5). permettant une application aisée sur des géométries complexes. © Techniques de l’Ingénieur. ajoutée au développement de nouvelles méthodes de dimensionnement et de calcul. Les sergés ont souvent la préférence car ils constituent des tissus à la fois denses et souples. D distance de la charge. sensé absorber une partie de l’énergie de choc pour éviter le délaminage. Dans le cadre des chasseurs de mines de type Eridan (France). AM 5 665 − 4 kg ⁄ m dans le système international. coût.2 Détails architecturaux Raidisseur Écrou Rabat Les premiers tests aux explosions sous-marines menés soit côté français. de nombreux essais statiques et dynamiques. Le choix de ces résines tient essentiellement à l’excellent compromis qu’elles présentent entre facilité de mise en œuvre. permet de limiter l’emploi des boulons à des zones critiques telles que les zones de liaison des carlingages d’appareil propulsif. conduit à surdimensionner les structures. Concernant les renforts. Ces broches réalisées en acier ou en jonc composite sont collées à l’aide d’un adhésif époxyde. les britanniques ont développé un système de liaison mettant en œuvre des résines résilientes pour remplacer le système de boulonnage jugé très coûteux et pénalisant dans les séquences de travail [10]. faute de quoi des décohésions peuvent apparaître au-delà de certains niveaux de chocs (coefficient de choc K = 0. relayés par des essais sur structures à l’échelle 1. ils se présentent la plupart du temps sous la forme de tissés de roving d’assez fort grammage (> 800 g/m2). résistance mécanique et viellissement en milieu marin. ont conduit à optimiser les coques monolithiques. par exemple en espaçant les raidisseurs. Le brochage peut être « direct » (figure 4 a) ou « inverse » (figure 4 b).3).LES STRUCTURES COMPOSITES EN CONSTRUCTION NAVALE MILITAIRE __________________________________________________________________________ Bordé mince en CVR (e ~ 25 mm) Raidisseurs espacés de 750 mm Figure 3 – Structure monolithique raidie (photo DCN) Figure 1 – Architecture monolithique raidie 1. L’expérience acquise sur les premiers navires ou par le biais d’essais sur des tronçons expérimentaux. Les solutions retenues pour parer aux risques de décohésion sont assez différentes en France et au Royaume-Uni. soit côté britannique ont mis en évidence la nécessité de renforcer les liaisons entre le bordé et les raidisseurs d’une part. traité Plastiques et Composites . en outre.2. Rappelons que le coefficient de choc se définit comme une fonction de la charge employée et de la distance entre la charge et la structure agressée : C K = ---------D Bordé Vis Figure 2 – Liaison boulonnée avec C charge équivalente TNT. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. ont conduit à retenir un système de broches implantées dans l’angle raidisseur (ou cloison principale)/bordé. Ce procédé de liaison.2 à 0. Les résines retenues sont essentiellement des polyesters isophtaliques ou tétrahydrophtaliques. et entre les cloisons principales et la coque d’autre part. essentiellement à base de fibres de verre E. À partir de la série des chasseurs de mines Sandown. Nota : ce coefficient K s’exprime en Le manque de recul sur les composites dont disposaient les concepteurs de l’époque les a. calandrage) avant d’être déposée par gravité sur le moule. © Techniques de l’Ingénieur. [11]) l’un des intérêts majeurs du procédé réside dans la limitation des émissions de solvants et notamment de styrène. des imprégnatrices (trois à sept rouleaux) sont installées sur le moule (moule de coque ou moule de préfabrication des ponts et cloisons). La bande de tissu est imprégnée par passage dans un bain de résine catalysée constitué par deux rouleaux. se fait en général par moulage au contact en voie humide (figures 6 à 11). Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.2. Pour les géométries planes ou quasi-planes. souci croissant auprès des transformateurs de polyesters. aussi imposantes que des coques de chasseurs de mines. Le moule est en général métallique (figure 6) même si les séries restent limitées tout au plus à une quinzaine de pièces. pouvant atteindre dans certains cas. puis le moment venu de positionner et fixer les cloisons et les poutres. l’ébullage peut également être réalisé de façon automatique. Raidisseur Résine résiliente Mousse Bordé Figure 5 – Liaison de raidisseurs avec garnissage de résine résiliente 1. Cet investissement se justifie par la masse que le moule devra supporter et par Afin de réduire les coûts de montage. neuf mois). le moule sert également de support aux outils de drapage automatique. Dans ce cas. cf. puis chemine entre différents rouleaux (répartition de la résine. Outre l’amélioration des performances de matériau ([AM 5 660]. traité Plastiques et Composites AM 5 665 − 5 . La dimension des structures à réaliser et l’épaisseur de composites (régulièrement de 20 à 50 mm) justifie que certains chantiers aient recours à un drapage automatisé ou semi-automatisé._________________________________________________________________________ Raidisseur LES STRUCTURES COMPOSITES EN CONSTRUCTION NAVALE MILITAIRE Mats Compound Épaisseur rabat Épaisseur bordé 40° Colle a Raidisseur brochage direct Mats Compound Épaisseur rabat Figure 6 – Montage du moule Épaisseur bordé 40° Colle la durée de drapage de la coque (entre quatre et six mois en général. Dans certains cas. Plus récemment des éléments de coques de navires antimines ont été réalisés par infusion de résine sous vide.3 Procédé de fabrication La réalisation de structures. Technique traditionnelle. Couvre-joint Partie à araser b brochage inverse Figure 4 – Liaisons brochées Le moule sert à soutenir l’échafaudage suspendu qui permet aux opérateurs de venir stratifier le bordé de coque (figure 7). Les assemblages se font par stratification in-situ de cornières en composites. et notamment par le procédé SCRIMP (Seeman Composites Resin Infusion Molding Process). le procédé se singularise surtout par la taille des pièces et la quantité de matériaux composites à mettre en œuvre (fréquemment 120 à 150 t de composites). La préfabrication des ponts et des cloisons se fait sur un outillage séparé comme illustré sur la figure 12. Des techniques de manutention par ventouses ont été développées pour faciliter les transferts et éviter l’endommagement des structures. un certain nombre d’éléments sont assemblés en modules puis intégrés dans la coque (figure 9). Comme cité précédemment. Vosper Thornycroft a utilisé ce procédé pour la réalisation de superstructures et envisage d’étendre son application à la fabrication de coques [12]. Belgique) avec les chasseurs de type Eridan. c’est-à-dire loin des côtes. traité Plastiques et Composites .4 Exemples d’application Près de quatre vingt unités antimines ont été construites de par le monde sur la base d’une coque en composite monolithique raidie. largeur maximale 15 m) en font la structure compo- Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. le BAMO est AM 5 665 − 6 Figure 10 – Démoulage destiné à aller explorer les fonds du plateau continental. Sandown ou dérivés). Contrairement aux chasseurs de mines décrits jusqu’à présent qui sont des navires côtiers. © Techniques de l’Ingénieur. Une application singulière des coques monolithiques raidies se trouve dans le cadre du programme BAMO (Bâtiment Anti-Mine Océanique) (figure 13). La nécessité de disposer d’une plateforme stable a conduit les architectes à retenir un concept catamaran.LES STRUCTURES COMPOSITES EN CONSTRUCTION NAVALE MILITAIRE __________________________________________________________________________ Figure 7 – Stratification d’un bordé de coque Figure 9 – Mise en place d’une cloison étanche Figure 8 – Raidissage de la coque Outre-manche. soit inspiré du programme « Tripartite » (France. Pays-Bas. 1. le concept est soit d’origine britannique (chasseurs de type Wilton. longueur hors tout 52 m.2. Hunt. Ses caractéristiques principales (déplacement charge complète 920 t. 1. Osprey (États-Unis) ou Huon (Australie). L’imprégnation (résine polyester isophtalique) et le positionnement des tissus (majoritairement roving de verre bouclés de 1 900 g/m2) se fait automatiquement. le programme ayant été suspendu pour des raisons ne faisant pas intervenir la technique. À l’heure actuelle la coque n’est pas armée. En fait ce sont les pays scandinaves et en particulier les suédois qui ont le plus exploité la technologie de coque sandwich.3 Structures monolithiques épaisses Figure 14 – Architectures monolithique épaisse et sandwich Ce concept de structures a été développé en Italie par Intermarine (chasseurs de mines type Lerici) puis étendu à d’autres programmes notamment Gaeta (Italie)._________________________________________________________________________ LES STRUCTURES COMPOSITES EN CONSTRUCTION NAVALE MILITAIRE Figure 11 – Coque de chasseur de mines : structure monolithique raidie (photo DCN Lorient) Figure 13 – Démoulage de la coque du BAMO Bordé épais en CVR (e ≈ 150 mm) Figure 12 – Drapage automatisé d’un pont site la plus lourde au monde : 300 t. n’a pas été retenue en raison semble-t-il de la sensibilité de ces structures. L’épaisseur de la peau est déterminée par les limites d’efforts et de déformation auxquelles la coque est soumise lors d’explosions sous-marines ou lors d’échouages en bassin. Sandwich (16 mm / 60 mm / 16 mm)) a architecture monolithique épaisse b architecture sandwich 1. Ces cloisons servent de structure résistante. Il repose sur le principe d’un bordé de coque monolithique épais (50 à 180 mm) (figure 14 a) sans éléments de renforts longitudinaux ou transversaux autres que les cloisons principales. © Techniques de l’Ingénieur. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. La solution imaginée à l’époque. aux chocs. traité Plastiques et Composites AM 5 665 − 7 . Le pont supérieur est constitué d’une seule pièce moulée continue. La masse d’une coque (Lerici) est de 200 t. pour une longueur hors tout de 50 m et une largeur de 9. sans joint secondaire et renforcé d’hiloires.56 m. notamment par les britanniques dans le cadre du programme Wilton. La construction de la coque se fait par moulage au contact en voie humide dans un moule femelle.4 Structures sandwichs Le concept de coque sandwich a été envisagé très tôt pour la réalisation de coques de navires anti-mine. plus rigides et plus résistantes en température. lance-missile. traité Plastiques et Composites .4. les performances spécifiées aux unités de petites tailles n’a cessé de croître au fil des années. Le projet a cependant été arrêté. Ce petit chasseur (30. Certains projets tels que des navires à effet de surface norvégiens (catamaran à grande vitesse MTB (longueur 54 m) construit par le chantier Kvaerner-Mandal) ont donné la préférence à des mousses PMI. AM 5 665 − 8 2. Celle-ci est déposée par moulage au contact en voie humide. — les chasseurs de mines de la classe Rushcutter dont deux unités ont été construites pour la Marine Royale Australienne [17]. Réalisée par anneaux. avec parfois l’utilisation de mats. Les ponts et cloisons sont préfabriqués pendant le moulage de la coque puis assemblés.2. 1. Ces derniers sont des navires à effet de surface.4. avec une architecture sensée. les coques. D’autres projets issus de la même technologie ont vu le jour : — le Stanflex au Danemark.4.3 Exemples d’application La première application importante des structures sandwichs en construction navale militaire est à mettre à l’actif des chantiers suédois qui ont construit. construits en Norvège par le chantier Kvaerner-Mandal. deux navires de 50 m (375 t de déplacement) pour les gardes côtes suédois. que ce soit pour des navires monocoques ou pour des architectures moins conventionnelles telles que des navires à effet de surface. a priori pour des performances insuffisantes en terme de tenue aux explosions sous-marines [7].9 m) est construit suivant une architecture catamaran . les deux types de résines étant parfois associé. mais pour des applications se limitant aux ponts. Figure 15 – Moulage d’une coque sandwich (photo Karlskronavarvet) Une dizaine de navires de ce type ont été construits tant pour la marine suédoise que pour l’exportation. Cependant dans les pays scandinaves qui sont le plus en pointe pour la réalisation de coques de navires antimines en sandwich. La version navire à effet de surface avait également été choisie par l’US Navy dans le cadre du projet Cardinale [20]. les plaques sont assemblées avec un mastic structural. Ce procédé a été appliqué sur la plupart des grands projets. des âmes à la fois plus fines et plus légères peuvent être utilisées [13]. © Techniques de l’Ingénieur. la corvette furtive Visby dont deux exemplaires sont actuellement en cours de construction. navire multirôle de 54 m de long pour 300 t de déplacement. mettant en œuvre des coques sandwichs (§ 1. sans faire pour autant évoluer de manière démesurée la motorisation ou la taille des navires. — les chasseurs mouilleurs de mines de la classe Oksoy.1 Concepts principaux Pour ce type de structure. Les peaux sont à base de résines polyesters (généralement isophtaliques) ou vinylesters. Autre projet innovant. la coque de ce navire expérimental de 36 m est intégralement en sandwich FRP (Fiber Reinforced Plastic). L’épaisseur de l’âme varie pour une coque entre 40 et 90 mm et la masse volumique entre 80 et 250 kg/m3. patrouille) est construite en faisant appel au procédé de moulage par infusion décrit précédemment.5 m déplaçant 340 t. Et pour atteindre ce but. la plupart du temps non raidies ou faiblement raidies (figure 14 b). à la fin des années 1970. Son intérêt économique dépend de l’ampleur de la série. Pour les superstructures. L’intérêt de cette technologie est bien évidemment d’associer la rigidité spécifique élevée des structures sandwichs et la réduction de coût liée à la limitation des raidisseurs traditionnels. Navires rapides et patrouilleurs Afin d’assurer leur mission d’intervention dans des délais de plus en plus brefs. signalons le navire furtif Smyge conçu et fabriqué par Karlskronavarvet. à cellules fermées. pouvant être converti très rapidement en navire de surveillance. Les fibres de carbone font néanmoins une apparition en force. l’épaisseur des peaux varie de 5 à 10 mm.2 Procédés de fabrication Un procédé de fabrication original a été mis au point par le chantier Karlskronavarvet [14] permettant la réalisation de grandes structures sandwichs sans nécessiter un moule femelle coûteux. Quand la préforme est recouverte de matériau d’âme (mousse). Les peaux du sandwich sont à base de résines vinylesters et de fibres de carbone. superstructures comprises. En partie courante. L’âme peut être réalisée à partir de différents matériaux. les constructeurs ont naturellement suivi la démarche engagée préalablement par l’industrie aéronauti- Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.4. mouilleur ou chasseur de mines [16] . Les renforts sont traditionnellement des fibres de verre E tissées. la préforme en bois démontée.4. sont entièrement réalisées en matériaux sandwichs.3). Le 1er navire antimines en sandwich est le MCMV (Mine Counter Measure Vessel) Landsort construit par le chantier Karlskronavarvet suivant la technologie décrite au § 1.3). Parmi les produits les plus avant-gardistes. la face interne de l’âme égalisée et enfin la peau interne stratifiée. 1. anti-sous-marine. en réduisant la surface mouillée. la préférence est donnée aux mousses PVC expansées. limiter la sensibilité aux chocs [19]. Ce procédé consiste à fixer sur une préforme en bois (figure 15) des plaques de mousse planes ou préformées.4. Mais ce type d’application échappe à notre propos consacré aux navires antimines. Le Landsort est un navire de 47. rigides. Cette corvette multirôles (antimines. notamment sur des programmes tels que la frégate Visby (§ 1.LES STRUCTURES COMPOSITES EN CONSTRUCTION NAVALE MILITAIRE __________________________________________________________________________ 1. puis l’ensemble est retourné. Un autre procédé est en train de se faire une place pour la réalisation de coques de navires antimines : il s’agit du procédé d’infusion de résine sous vide qui est mis en œuvre par Karlskronavarvet pour la réalisation des corvettes de la classe Visby [15]. La surface est lissée et nettoyée avant que la couche externe ne soit stratifiée [14]. été exploité que pour les réalisations de quelques catamarans rapides sous forme de navires à effet de surface (NES) et pour un nombre très limité d’hovercrafts. 2. Cette gamme de bateaux. en intégrant progressivement des matériaux légers et performants dans leurs fabrications. les structures ont aussi progressivement muté vers des structures sandwichs peu raidies. permettant d’obtenir des caractéristiques globalement améliorées (tableau 3). Le gain de masse engendré par l’emploi de composites hautes performances permet ainsi de produire des coques légères. et plus particulièrement son tiers avant. 1 nœud = 0. à vitesse élevée. 2P La mise en œuvre de tels matériaux composites à hautes performances permet d’atteindre des gains de masses de l’ordre de 30 % par rapport aux solutions réalisées à base d’alliages d’aluminium. particulièrement dans l’association de fibres de natures différentes permettant de constituer des structures hybrides. Le créneau des coques rapides de petites tailles constitue certainement le domaine de la construction navale le plus diversifié en terme de matériaux. Pe Cette complémentarité est largement exploitée par les complexes verre/aramide. Ces orientations ont également pu voir le jour grâce à l’éventail des matériaux proposés par les fournisseurs ([AM 5 660]. C’est pourquoi la majeure partie des navires rapides conservent toujours un fond de coque monolithique. de résistance spécifique et de tenue en fatigue. la carène d’un navire. autant d’avantages déjà évoqués dans l’article [AM 5 660] (ref. traité Plastiques et Composites AM 5 665 − 9 ._________________________________________________________________________ que puis le domaine des bateaux de courses (à voiles et à moteurs).1 Architecture LES STRUCTURES COMPOSITES EN CONSTRUCTION NAVALE MILITAIRE Ce concept de structures allégées en matériaux sandwichs est désormais mondialement reconnu. Certaines unités de taille réduite (< 25 m) possèdent même des carènes planantes leur autorisant des vitesses de pointes qui peuvent atteindre plus de 50 nœuds. L’apparition des matériaux composites hautes performances aurait pu révolutionner le domaine de l’architecture navale. la taille réduite des structures. aux performances accrues. L’intérêt d’optimiser le concept paraît pourtant significatif si l’on compare la puissance motrice effective nécessaire à deux navires de concepts différents (NES et monocoque) pour atteindre une vitesse élevée (figure 16). et aux méthodes de dimensionnement des structures. comme les hydroptères ou les Swath (perce-vagues). permettant de valider des développements amonts pour les applications de plus grande envergure. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. Afin de réduire considérablement l’ossature résistante des coques réalisées en composite monolithique à base de fibres de verre et de résine polyester. à l’exception des œuvres vives (sous la flottaison) qui sont sujettes à polémiques. 2. de 12 m à 50 m voit se côtoyer matériaux traditionnels (verre E. les investissements limités pour de telles applications et la multiplicité des chantiers navals constructeurs ayant chacun sa propre expérience et ses habitudes. polyester) et hautes performances (carbone et aramide pour les fibres. Figure 16 – Comparaison entre monocoque et NES en terme de puissance motrice effective [21] — le drapage de matériaux préimprégnés polymérisés sous vide à 70 ˚C ou 120 ˚C en fonction de la matrice retenue.3 Mise en œuvre P Puissance effective totale NES Puissance de sustentation Tout comme pour les matériaux. à nos jours. 50 V (nœud) — le moulage au contact dans un moule femelle . le choix des techniques de mise en œuvre des coques de dimensions réduites présente un éventail de solutions dont les quatre plus répandues sont les suivantes : Puissance effective — le moulage au contact sur mannequin en bois . le concepteur recherche avant tout les qualités optimales en terme de raideur spécifique. © Techniques de l’Ingénieur. ont engendré une certaine dynamique qui a accéléré le rythme des innovations en construction navale militaire.2 Matériaux Mais ce potentiel n’a. en fonction des qualités requises et des spécificités liées à chaque programme. la notion de multimatériau présente ici toute sa force. En effet. Dans tous les cas de figures. Monocoque 2. nid d’abeilles). subit des pics de pression dynamique très élevés (le slamming) pouvant atteindre des valeurs de 250 à 300 kN/m2. associés dans des structures monolithiques ou sandwich (âmes en mousse PVC. en viabilisant certains concepts liés essentiellement à la masse des navires. [11]).515 m/s — le moulage au contact dans un moule femelle avec du vide . ref. susceptibles d’engendrer sa ruine. Le nombre important de bateaux construits. [11]) aux techniques de mise en œuvre en constante évolution. sans oublier la tenue à la corrosion et à l’impact. vinylester et époxy pour les résines). La possibilité d’ajuster localement la résistance et la raideur des éléments structuraux. Ces surpressions locales entraînent des contraintes de cisaillement élevées dans l’âme du sandwich. balsa. Chaque matériau présentant des caractéristiques particulières. verre/carbone et carbone/aramide associés aux différents types de résines. par l’optimisation du nombre de strates élémentaires et de leur orientation a très largement contribué à ce pas en avant. . Le coût de réalisation des coques par ces différentes techniques suit malheureusement le même schéma et peut être supérieur à celui de la concurrence métallique. V vitesse L’ordre de classement ci-avant correspond en fait à une certaine hiérarchie dans la qualité et les caractéristiques des pièces produites. Cependant.515 m/s L longueur .5 NES 30 Royaume-Uni Navire de transport rapide États-Unis D (t) 140 V (nœud) Matériaux Mise en œuvre Divers 60 Sandwich déséquilibré peau extérieure : verre R + aramide. © Techniques de l’Ingénieur. consiste à comparer les coûts de possession des bateaux.27 85 40 Composite verre/résine Taiwan Patrouilleur 28 91 42 Composite verre + aramide/résine France Vedette de surveillance 24 28 32 58 75 90 27 35 35 Monolithique + sandwich verre E résine polyester isophtalique mousse PVC et balsa bois de bout contact Vedette de transport rapide de troupes 15 17 50 Monolithique verre E/époxy préimprégné 120˚ sous vide 1 nœud = 0.9 50 Composite verre + aramide/résine âme en mousse PVC peaux renforcées aramide Italie Patrouilleur 27. entretien. verre E en surface peau intérieure : carbone/époxy âme : PVC haute densité préimprégné superstructures en carbone peau extérieure épaisse pour résister à l’impact et l’abrasion pas de raidissage intérieur 40 Sandwich verre + aramide 25 Sandwich dissymétrique multiaxiaux verre E/mousse PVC linéaire préimprégné renforts locaux : — aramide pour l’impact — carbone pour le raidissage pas de raidissage intérieur Hovercraft 19 23 40 coque monolithique verre/résine ponts + superstructures sandwich Patrouilleur 25 49. et non le coût de réalisation des coques.LES STRUCTURES COMPOSITES EN CONSTRUCTION NAVALE MILITAIRE __________________________________________________________________________ Tableau 3 – Évaluation de l’intérêt des principaux renforts pour les applications navires rapides et patrouilleurs Verre Aramide Carbone Verre/aramide Verre/carbone Carbone/ aramide Module de traction 1 3 5 2 3 4 Module de compression 1 3 5 2 3 4 Résistance en traction 2 3 4 2 3 4 Résistance en compression 3 1 5 3 5 4 Résistance à l’impact 3 5 1 5 3 4 Densité 1 5 4 2 3 5 Intérêt économique 5 2 1 4 3 1 TOTAL 16 22 25 20 23 26 Échelle des valeurs 1 à 5 (5 = Très bon. consommation. D déplacement . Ce coût de possession incluant tous les frais AM 5 665 − 10 engendrés durant la vie du navire. à performances équivalentes : motorisation.4 Réalisations Le tableau 4 répertorie un échantillon des réalisations mondiales les plus récentes avec quelques unes de leurs caractéristiques. la démarche à suivre dans ce domaine. traité Plastiques et Composites . 1 = Limité) Tableau 4 – Exemples de navires rapides et patrouilleurs en matériaux composites Pays constructeur Type de navire L (m) Suède Garde-côtes 13. 2.. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. les architectes navals ont cherché à alléger les navires dans les hauts.1._________________________________________________________________________ Prises d'air et tuyauteries LES STRUCTURES COMPOSITES EN CONSTRUCTION NAVALE MILITAIRE Mât Superstructures Rouf Support de radar Radôme Cheminée Coquille de canon Conteneurs d'armes Boucliers antimissiles Accessoires de coque et de pont Bossoirs Canots Chandellerie Safran Arbre d'hélice Hélice Cloisonnages et faux ponts non structuraux Échelles et panneaux de descente Machine et équipements Carlingages Figure 17 – Applications potentielles pour les matériaux composites sur les bâtiments de surface 3. dans le cadre du programme des frégates La Fayette [5] [24] (figure 18). Même si la principale raison guidant ce choix de matériaux est liée au gain de masse. est à mettre à l’actif de la DCN. le Canada et le RoyaumeUni. différents démonstrateurs sont réalisés au début des années 1990. Les conflits de cette fin de siècle.1 Superstructures 3. Seul l’aspect économique ainsi que la culture technique des constructeurs et des marins entravent généralement la mise au point et la réalisation de bateaux « tout composite » comme l’illustre la figure 17. dans un article publié en 1986. destinés en particulier à des essais de tenue à l’incendie et au souffle. des roufs allégés en matériaux composites pour des navires de combat [23]. En Europe. Ainsi. Chalmers [22] décrit les avantages des composites par rapport à l’acier et l’aluminium et présente le programme de recherche lancé conjointement par les États-Unis.1. © Techniques de l’Ingénieur. 3. Les matériaux composites constituent une alternative particulièrement attrayante. Éléments de navires Les structures secondaires entrant dans la réalisation de navires militaires sont également réalisées en matériaux composites. Progressivement. Mais la première application réelle sur des navires de combat de grande dimension.1 Introduction De tous temps. il n’en demeure pas moins que les spécificités propres à chaque constituant d’un navire trouvent généralement un intérêt d’un autre ordre dans l’utilisation des matériaux composites. et de nombreuses études ont été engagées dès le début des années 1980. aux alliages légers d’aluminium. Toujours aux États-Unis. principalement au niveau incendie. Ce programme a pour but de développer une solution alternative pour les superstructures des frégates NFR 90. On retrouve d’ailleurs essentiellement des résines polyester isophtaliques. traité Plastiques et Composites AM 5 665 − 11 . principalement pour en améliorer la stabilité. 3. et notamment la guerre des Malouines. le projet ITD (Intregated Technology Deckhouse) lancé au début des années 1990 a pour but de développer Figure 18 – Superstructures des frégates type La Fayette Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. C’est pourquoi. en fonction des priorités avancées par les programmes militaires.2 Matériaux Les matériaux les plus couramment utilisés sont des tissus à base de fibres de verre E. le pas n’est souvent franchi que pour quelques éléments du bâtiment. ont cependant montré combien ces solutions étaient vulnérables. l’acier a ainsi laissé la place sur nombre de navires. imprégnés de résine polyesters issues de la famille des polyester insaturés. 4* 0.23 0.26* 0.LES STRUCTURES COMPOSITES EN CONSTRUCTION NAVALE MILITAIRE __________________________________________________________________________ Cependant.11 0. © Techniques de l’Ingénieur. une géométrie adaptée permet également d’assurer l’autoraidissage des panneaux.91 0.04 0.71 0.89* 0.39 0.35 0. avec quelques caractéristiques significatives.74 CVR pressé à chaud + raidisseurs acier HY80 en Z 0.68* 0.98 0.63 0. Monolithique autoraidie 3. renforcés ou non par un réseau de raidisseurs. Dans certains cas.42* 1 0.54 CVR pressé à chaud + raidisseurs acier HY80 en Ω 0.56 0. de masse volumique 100 ou 150 kg/m3 .84 0.85 0.2 CVR Contact 0.75 Acier 50 D 0.99 0.68* CVR pressé à chaud + raidisseurs aluminium 6082 σmax contrainte maximale σp contrainte à la rupture admissible pour le matériau Wmax déformation maximale Wp déformation maximale autorisée du panneau : Wp (flexion d’ensemble) = 25 mm.54* 1.59 CVR auto-raidi 0.05 1.78* 0.41* 1.65* 0. Monolithique raidie — des mousses PVC (mousses à cellules fermées) dont la masse volumique peut varier de 70 à 200 kg/m3 suivant les navires et les efforts locaux appliqués.64 0. Sandwich raidie Figure 19 – Type de structures les plus courantes Tableau 5 – Comparaison de différents concepts de panneaux [7] Flexion d’ensemble Flexion locale Masse relative Coût relatif 0.71 Sandwich CVR/Balsa + raidisseurs en Ω 0.21 1 1 0.72* 0.76 Sandwich CVR/PVC (200 mm) non raidi 1.76 0.88 1 Concept Schéma σmax/σp Wmax/Wp σmax/σp Wmax/Wp Aluminium 5083 (concept de référence) 0.49* 0.64* 0.3* 0.3 Structure Sandwich Les panneaux constituant les superstructures sont réalisés en composites monolithiques ou sandwichs. plusieurs réalisations ont mis en œuvre des résines polyépoxydes pour des bateaux de taille réduite (jusqu’à 20 m).56* 0.84 0.1.51* 0.74* 0.75 Sandwich CVR/PVC (100 mm) non raidi 2. Schéma Structure Les matériaux d’âme mis en œuvre dans les parties sandwichs des superstructures sont généralement : Monolithique — du balsa utilisé en bois de bout.91* 0.12 3.68* 0. traité Plastiques et Composites . Le figure 19 et le tableau 5 présentent les types de structures les plus courants.67* 0. Wp (flexion locale) = 10 mm * valeurs obtenues par le calcul AM 5 665 − 12 Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.87 0.87 0.24 1.74 0. le matériau d’âme est collé à la première peau par mise sous vide.5 m de diamètre. afin d’améliorer les performances du bateau en terme de vitesse et de stabilité. grâce aux efforts de développements et de qualifications réalisés sur les interfaces [25]. un effort considérable de réduction des masses doit être effectué. le projet américain AEM/S (Advanced Enclosed Mast/ Sensor System) s’est tout particulièrement attaché à réaliser une structure permettant à la fois de réduire la SER (signature équivalente radar) d’ensemble du bâtiment et d’améliorer le fonctionnement des différents organes électroniques qu’elle contient. Concernant les mâtures de grandes dimensions. Tableau 6 – Exemples d’applications de superstructures composites L Type de bateau Pays constructeur < 30 m Vedettes rapides S. F. GB. afin d’assurer à l’interface des caractéristiques mécaniques optimales.1. par exemple SCRIMP mais. qui. masse surfacique. mis en œuvre dans un moule et polymérisé sous vide à 120 ˚C. les cheminées ni même les coquilles de canons (structures allant jusqu’à 4 x 3 x 3 m) et modules d’armes embarqués ou shelter. 3. 3._________________________________________________________________________ Le choix entre l’une ou l’autre des solutions est effectué en fonction des critères techniques propres à chaque panneau (caractéristiques mécaniques. voire l’infusion.) et des critères économiques liés aux coûts des matières premières et de leur mise en œuvre. Le tableau 6 dresse une liste non exhaustive de bateaux militaires équipés de superstructures en matériaux composites. en réduisant par exemple les phénomènes d’interférences. USA 30 < L < 60 m Chasseurs de mines F. malgré l’intérêt croissant porté à ces techniques de transformation.. qui a nécessité le développement d’un matériau composite spécifique dont le comportement est sélectif en fréquence. La deuxième peau étant ensuite stratifiée directement sur l’âme.5 Applications Des superstructures en matériaux composites sont actuellement montées indifféremment sur des coques métalliques ou composites. S > 60 m Frégates F. Nous ne décrivons pas en détail les ponts Boulonnage Sandwich Collage Bandeau métallique Boulonnage Métal ou composite Parties composites Éléments métalliques Figure 20 – Exemples de principes d’assemblage et cloisons intégrés dans les structures de navires.2 Dômes sonar et corps remorqués Qu’il soit embarqué ou remorqué.4 Mise en œuvre Les panneaux élémentaires des superstructures de grandes dimensions (L = 38 m. outre la marine française qui les a intégrées sur le programme des frégates de type La Fayette.5 m) équipant des bâtiments de type frégate ou chasseurs de mines sont réalisés par moulage au contact en voie humide par imprégnation manuelle ou semi-automatique.1. Cette technique permet en effet d’accroître de façon significative les caractéristiques mécaniques du produit fini. En effet. NL. Des superstructures en sandwich ont ainsi été fabriquées en verre/ époxy ou en carbone/époxy préimprégné. S 3. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. — la géométrie particulièrement étudiée pour réduire les turbulences liées à l’écoulement de l’eau . USA NES N Patrouilleurs F. en augmentant notamment le taux de fibres contenues dans les peaux du sandwich (jusqu’à 65 %). chaque sonar est contenu dans une enceinte (dôme sonar ou corps remorqués) dont les principales caractéristiques sont : — la transparence acoustique . Des panneaux de ce type sont également confectionnés par des procédés d’injection RTM (Resin Transfer Molding) ou d’infusion. sont les techniques les plus utilisées pour la réalisation de superstructures de grande taille. s’apparentent très fortement aux fabrications actuelles de superstructures..1. leur mise en œuvre demeure encore marginale à grande échelle. GB. a été monté sur l’USS Radford. traité Plastiques et Composites AM 5 665 − 13 . h = 8. Ce mât prototype de 27 m de haut et 9. d’autres technologies peuvent être rencontrées. à notre connaissance. — l’amortissement des vibrations. Si le moulage au contact. l = 15 m. ces jonctions sont élaborées par reprise de stratifications pour des assemblages composite/composite ou par collage ou boulonnage dans le cas de liaisons mixtes métal/composite (figure 20). LES STRUCTURES COMPOSITES EN CONSTRUCTION NAVALE MILITAIRE Liaisons physicochimiques Liaisons mécaniques Boulonnage Reprises de stratification 3. En fonction du cahier des charges. Lorsqu’il s’agit d’une structure sandwich. © Techniques de l’Ingénieur.6 Applications dérivées Une large gamme de pièces sont élaborées suivant les mêmes techniques de mise en œuvre et à partir de matériaux identiques à ceux des superstructures. B. conductivité thermique. I. les uns réalisant uniquement les pales en matériaux composites.1 Matériaux de tissus de verre et de carbone associés à des matrices époxydes ne dépasse cependant par 1 m de diamètre. Les États-Unis ont doté certaines de leurs torpilles de petites hélices à cinq et sept pales (∅ 20 à 25 cm) réalisées en sandwich par moulage par compression. l’absence de corrosion. l’utilisation d’éléments en matériaux composites n’a cessé de croître dans le domaine des sous-marins.2. sont autant d’exemples dont les applications trouvent également leur place dans l’industrie chimique. Depuis les années 1950. ces bâtiments trouvent un intérêt encore plus significatif que les navires de surface dans les matériaux composites. les autres intégrant également un moyeu fabriqué par enroulement filamentaire. 3. 3. n’est cependant mis en évidence que dans le cas de séries de pièces identiques permettant d’amortir les moules.3 Safrans Qu’ils soient destinés aux bâtiments de surface ou aux sousmarins. réside dans le gain de masse pouvant atteindre 30 à 50 %. cuves. La taille de ces pièces. 3. plus de 50 % de la surface mouillée du dernier né des sous-marins nucléaires français (Le Triomphant) est constituée d’éléments en matériaux composites [26]. Applications sur les sous-marins Les premières pièces de grandes dimensions. Ces pièces sont constituées d’une enveloppe en matériaux composites monolithiques dont l’épaisseur varie de 10 à 50 mm. c’est surtout l’enveloppe extérieure qui a bénéficié des structures en composite (ponts extérieurs. dôme sonar. agroalimentaire ou la vie domestique. — les caractéristiques mécaniques spécifiques des composites .. traité Plastiques et Composites . jouant le rôle d’interface avec la mèche et l’aiguillot.LES STRUCTURES COMPOSITES EN CONSTRUCTION NAVALE MILITAIRE __________________________________________________________________________ 3. alors que pour la propulsion des bâtiments de surface..).2.4 Hélices Même si de nombreux développements ont été et sont menés pour mettre au point des hélices en matériaux composites. suédois et français ont chacun testé des prototypes. réalisées dans les années 1950 par les américains. le bon comportement à long terme des structures composites (absence de corrosion. certains bâtiments de surface et sous-marins bénéficieront très probablement des études et essais actuellement menés qui permettent de réaliser des hélices fiables pouvant atteindre plusieurs mètres de diamètre. Ainsi. Aujourd’hui. chandellerie et réflecteurs d’antennes. très peu de réalisations ont jusqu’à présent vu le jour dans le domaine militaire. qu’ils soient habités ou autonomes. À l’avenir.2 Structure De nombreux autres composants réalisés en matériaux composites sont également intégrés par les chantiers constructeurs de bâtiments militaires. L’ensemble des structures secondaires ainsi confectionnées sont donc prévues pour durer toute la vie du sous-marin (20 à 30 ans). de direction ou de stabilisation. © Techniques de l’Ingénieur. magnétique et électrique permettant d’accroître la furtivité. 3.2. Si quelques pièces sont réalisées et intégrées dans les équipements. La transparence acoustique de ces matériaux constitue une caractéristique majeure pour cette application. sans que cela ne constitue une réelle avancée technologique ou une spécificité du domaine. et revêtue d’une enveloppe hydrodynamique en multicouche tissu de verre/ résine. La structure des dômes sonar et corps remorqués est généralement réalisée à base de fibres de verre imprégnées de résine polyester ou époxyde ou de matériaux hybrides verre/carbone. fabriquées à base AM 5 665 − 14 4. bonne tenue en fatigue) permet de limiter les coûts et les périodes d’entretien des sous-marins augmentant de ce fait leur disponibilité opérationnelle. les safrans traditionnels en acier tendent aujourd’hui à être remplacés par des solutions mixtes intégrant les matériaux composites. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite.3 Mise en œuvre Les différents cas rencontrés montrent essentiellement des structures mises en œuvre par moulage au contact dans des moules femelles ou. 3. diminuer la masse et la densité des constituants représente un souci permanent qui bride bien souvent le champ d’action des sous-marins. — la réduction des signatures acoustique. composées d’une ossature métallique. L’intérêt économique de ces structures à géométrie complexe nécessitant des outillages spécifiques. polyester ou époxyde. Bien que cela puisse sembler anachronique.1 Intérêts De par leur environnement immergé et leurs missions de plus en plus profondes et discrètes. 4. réservoirs et tuyauteries. éléments de capotages et portes étanches. l’amélioration des propriétés acoustiques [28] et la limitation du coût de fabrication par rapport aux solutions métalliques usinées (jusqu’à 50 %). L’intérêt réside cependant dans le gain de masse. Le triple but de ces réalisations. Ce complexe est parfois amélioré par l’insertion d’un film d’élastomère d’épaisseur constante. qui contribue à l’atténuation des bruits parasites liés entre autre à l’écoulement de l’eau. renforcée par un réseau de raidisseurs lui permettant de résister aux effets des pressions auxquelles elles sont soumises. pour certaines réalisations en composite verre/époxy l’utilisation de matériaux préimprégnés polymérisés à chaud. la facilité de mise en œuvre et la réduction importante des coûts d’entretien de pièces immergées. avaient pour seul but de supprimer les problèmes de corrosion électrolytique qui endommageait les carénages de kiosques jusque là construits en alliage d’aluminium [28]. carénage de kiosque. L’emplacement des raidisseurs doit être judicieusement choisi de façon à ne pas constituer un masque dans la fenêtre acoustique. conservation dans le temps de caractéristiques mécaniques élevées.5 Autres éléments En effet. Les trois principales caractéristiques qui poussent les concepteurs à introduire ces matériaux sont : — le comportement à long terme . d’épaisseur constante ou évolutive. polymérisés sous vide à 120 ˚C. Après onze années de service. garantissant le respect des tolérances dimensionnelles extérieures spécifiées. les matériaux d’âme des sandwichs ainsi que le remplissage des raidisseurs en Ω sont réalisés en mousse syntactique (mélange de résine époxyde et de microsphères de verre) de résistance en compression très élevée (de 30 à 85 MPa suivant leur constitution). d’accroître considérablement la stabilité du bâtiment et par leur nature de diminuer la détectabilité face aux sonars actifs. sont réalisés en moules femelles usinés. les ponts en composite ont permis. par leur faible poids dans l’eau. Les dômes. une nouvelle génération de carénages a remplacé celle-ci. L’intégration de ces trois impératifs a donc poussé les chantiers constructeurs à réaliser des structures monolithiques de type coque. les États-Unis ont remplacé dès les années 1950 les carénages de kiosques en alliage d’aluminium par des structures plus légères d’épaisseur 6. la technique de mise en œuvre généralement retenue pour ces applications est celle du drapage de préimprégnés (verre/époxy). Tout d’abord réalisés par moulage au contact à partir de tissus de verre imprégnés de résine polyester.4 Carénage de kiosque 4. La discrétion acoustique a également été améliorée par la limitation des phénomènes de résonance de type « tambour ». traité Plastiques et Composites −0% AM 5 665 − 15 . à base de fibres de verre et de résine époxyde. Afin de résister à des pressions d’immersion de plusieurs dizaines de bars. en respectant une géométrie précise.2 Ponts extérieurs Dans le but de masquer les appendices placés à l’extérieur de la coque résistante des sous-marins habités (extrémité des tubes lance-missiles. de reprise d’humidité et de variation de volume. les fabrications ont peu à peu évolué pour répondre aux spécifications de plus en plus contraignantes en terme de comportement dynamique. Tableau 7 – Évolution des performances des composites sous-marins [29] Évolution des performances Résistance en flexion −1% Module de flexion − 0. Figure 21 – Démoulage d’un dôme de sous-marin (photo DCN Cherbourg) Afin de limiter le taux de bulles d’air piégées au sein du matériau (néfaste à la transparence acoustique) et d’accroître le pourcentage de fibres du composite (pour en augmenter les caractéristiques mécaniques et en réduire l’épaisseur). Placés en partie supérieure du sous-marin. Les structures rencontrées sont monolithiques raidies ou des sandwichs auxquels sont parfois associés un réseau de raidisseurs.35 mm réalisées sous vide à base de tissus de verre imprégnés d’une résine polyester assouplie par l’adjonction d’une autre matrice plus flexible (≈ 10 % en volume) [27]. sont donc aujourd’hui couramment mis en œuvre pour confectionner les éléments de pont. Ils sont polymérisés sous vide à 120 ˚C [26]. La qualité de l’écoute sonar pouvant être rapidement dégradée par des défauts de formes . par exemple) et de limiter la résistance à l’avancement du bâtiment. — respecter les critères de transparence acoustique dans la bande de fréquence du sonar (le matériau idéal serait celui dont l’impédance acoustique est égale à celle de l’eau de mer). Comme précisé au § 4. cette structure (figure 21) en forme de dôme de plusieurs mètres de longueur et dont le diamètre peut atteindre 10 m. 4. leur autonomie en plongée et leur profondeur d’immersion [26]. © Techniques de l’Ingénieur.3 Dômes sonar Située à l’extrémité avant du sous-marin.5 % Densité Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite._________________________________________________________________________ LES STRUCTURES COMPOSITES EN CONSTRUCTION NAVALE MILITAIRE Le poids apparent dans l’eau conditionne en effet leur charge utile. — assurer un environnement hydrodynamique favorable pour les fonctions du sonar. Sa surface totale ainsi constituée couvre de 300 à 1 200 m2 suivant le type du sous-marin et chaque pièce élémentaire peut atteindre une longueur de 10 m et une largeur développée de 4 à 6 m. 4. Les matériaux préimprégnés.8 % Dureté Barcol − 5. dépourvues de raidissage pour disposer de la fenêtre acoustique la plus vaste possible. comme les paquets de mer lorsque le bâtiment navigue en surface . le pont extérieur constitue un carénage de grandes dimensions réalisé par l’assemblage d’éléments de coque à simple ou double courbure. Les résultats montrent que les caractéristiques évoluent peu dans le temps [28] (tableau 7).1. doit répondre aux trois critères principaux suivants [26] : — garantir un bon comportement mécanique pour résister aux sollicitations extérieures. permettant d’effectuer une caractérisation mécanique complète du matériau vieilli. Leur profondeur de plongée est d’ailleurs très variable (de 50 à 7 000 m). Cependant. comme la France. Elle permet en effet de mettre en relation la densité apparente de la coque et sa profondeur maximale d’immersion (profondeur de ruine structurelle) [29]. encadré) construits respectivement au Royaume-Uni en 1969 et aux États-Unis en 1983.5 80 13 0 12 0 0.3 m.1 0.) et les matériaux les plus sophistiqués. les matériaux composites pour la réalisation des carénages de kiosques. caractérisant une efficacité structurelle élevée.6 0.55). traité Plastiques et Composites .5 Safrans 2 000 HY Bien que l’intérêt structurel des matériaux composites ne puisse être mis en doute. accroître sa charge utile sans apport de réserve de flottabilité additionnelle néfaste pour la manœuvrabilité du bâtiment. 6 000 HY Ti dw 4. Leurs positions extrêmes sur le navire ainsi que leur surface totale. ont adopté. L’enveloppe extérieure. un certain nombre d’enceintes de petites dimensions ont été réalisées pour des applications bien spécifiques (recherche offshore. contrairement aux coques métalliques. ou de l’intérieur vers l’extérieur. pénalisent généralement la stabilité et le devis de masse global. ∅ = 1.6 Coque résistante 5 000 rb Les principes retenus pour fabriquer les safrans sont généralement articulés autour d’une solution mixte acier/composites. [11]) que conducteurs. permettent d’atteindre pour des enceintes cylindriques ou sphériques. Leurs caractéristiques mécaniques élevées. engendrent donc une augmentation des installations frigorifiques du sous-marin et donc de son poids. 6. © Techniques de l’Ingénieur.2 ta 0. dont la géométrie doit être parfaite. une cage de Faraday. plus connus pour leurs pouvoirs isolants ([AM 5 660]. des ratios poids/déplacement (P/D) très faibles. utilisé pour sa raideur (modules d’Young et de Coulomb élevés) joue un rôle de squelette au sein de la structure et assure l’interface avec le sous-marin. AM 5 665 − 16 0 0. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. Généralement non conducteurs. ou alors.3 ne m iu in um Al R CV ich La figure 22 permet de comparer l’efficacité de plusieurs matériaux. 4 000 ich — les safrans de plongée situés à l’avant.78 m.3 cm — profondeur d’immersion 6 096 m On y retrouve toutes les techniques de mise en œuvre des complexes à matrice thermodurcissable les plus performantes (enroulement filamentaire. drapage des préimprégnés.6. la lecture ouverte sur de tels sujets est quasi inexistante pour le domaine militaire.8 0. Afin d’éviter l’écrasement du safran en immersion. situés à l’arrière. ∅ = 0. ref. — les safrans de direction.9 Ratio poids / déplacement Figure 22 – Influence du ratio poids/déplacement sur la profondeur de ruine Une autre fonction importante de la coque résistante est sa capacité à échanger de l’énergie thermique avec son environnement. 4. est réalisée par moulage au contact à partir de tissus de verre imprégnés d’une matrice époxyde. hormis quelques expériences civiles. ca Outre l’aspect corrosion.2 Réalisations civiles et caissons non habités Tout comme le Mantis et l’AUSS (cf. de son volume et de sa consommation en électricité. Pour les applications de grande profondeur. ép. Plus ce ratio est faible et plus le sous-marin peut augmenter sa profondeur d’immersion. réduisant de ce fait sa discrétion. leur confère des résistances en compression et des modules d’élasticité spécifiques très élevés [31] (tableau 8). un certain nombre de problèmes semble freiner les applications.4 0.6.LES STRUCTURES COMPOSITES EN CONSTRUCTION NAVALE MILITAIRE __________________________________________________________________________ D’autres pays. n Sa 4.. une enceinte ainsi réalisée ne constitue pas. e Les caractéristiques mécaniques spécifiques élevées de ces composites.1 Intérêts et freins on Plus encore que toutes les structures secondaires. chaque pays s’attachant à classifier les informations sur le sujet. alliées à des densités intéressantes. et même contrebande (!) [30]) ou comme banc d’essais destinés à valider des solutions potentiellement applicables aux grandes structures. Les plus connus sont liés à la mise en œuvre des structures à forte épaisseur (> 200 mm) et à leur assemblage. Cela peut engendrer des interactions électromagnétiques circulant de l’extérieur vers l’intérieur et perturbant les équipements du sous-marin.. à profondeur identique.05 m. les composites renforcés de fibres de carbone sont même parfois remplacés par des composites à matrices métalliques renforcés de fibres céramiques ou métalliques. celui-ci est entièrement rempli d’une mousse syntactique (densité ≈ 0. Profondeur de ruine (m) 0 1 000 4. l’utilisation des matériaux composites présente un intérêt certain par l’allégement de ces éléments. La tenue au feu constitue également une préoccupation permanente pour la sécurité des marins lors des phases de plongée. Les composites. dw Évoluant dans un milieu à trois dimensions. les sous-marins sont dotés de deux types de safrans : n Sa 3 000 0. pour des raisons similaires.2 m — profondeur d’immersion 720 m AUSS (Advanced Underwater Search System) : — réalisé en composite fibre/résine — autonome — L = 4. mais aussi aux propriétés intrinsèques des matériaux composites.7 0. la coque résistante des sous-marins représente un enjeu majeur pour les matériaux composites. à l’arrière ou sur le kiosque du bâtiment . pouvant atteindre 20 m2. Mantis : — réalisé par enroulement filamentaire — 1 passager (pilote) — L = 2. L’acier. Celle-ci est liée essentiellement à la conductivité thermique λ du matériau de structure et à son épaisseur. en particulier par les Américains. les travaux menés sur des sphères en verre/époxy dans l’ex. Leurs dimensions ne dépassent guère 813 mm de diamètre et 1 870 mm de longueur. mais aussi l’évolution enregistrée au cours de ces 50 dernières années. nous sommes à une époque charnière dans l’histoire des composites dans le domaine naval militaire. 4.5 862 194 Acier (HY 130) 7. construites dans l’immédiat après-guerre. Toute reproduction sans autorisation du Centre français d’exploitation du droit de copie est strictement interdite. les informations circulent peu et sont à prendre au conditionnel : depuis les années 1960. est en train de disparaître. Ainsi la coque des frégates construite pour la marine suédoise dépasse 70 m pour une masse de 124 t (17 % du déplacement du navire). permet la fusion simultanée de la matrice contenue dans la bande déposée et de la surface recevant cette même bande. À n’en pas douter. et l’URSS en aurait fabriqué un.76 71 25. ni mise sous vide ou cuisson de la pièce et permet d’atteindre un taux de porosité du matériau voisin de 0 %. Seules quelques capacités de petites dimensions ont été confectionnées de la sorte. pour des profondeurs de service de l’ordre de 6 000 m. absence de corrosion. © Techniques de l’Ingénieur.. qui longtemps est apparue aux architectes navals comme la limite supérieure pour une coque composite. Or. Ces éléments. la construction navale militaire va suivre le même schéma. Si ces matériaux ont essentiellement été utilisés en raison de leurs propriétés naturelles.6 503 182 Titane (6Al-4V) 4. limite considérablement leur application dans le domaine.12 296 71.8 2 758 669 Composite B4C/Al 2. les États-Unis auraient construit deux sous-marins en composites.3 Sous-marins militaires de grandes dimensions Afin d’approcher le comportement des structures de dimensions significatives. Les composites à très haute performance trouvent naturellement leur place dans cette évolution. devrait être de plus en plus rapide et donc faire appel à des navires à la fois plus longs et plus légers. élaborés par placement de fibres. amagnétisme.38 303 89. Surface du mandrin Zone de fusion 5. Contrairement à l’aéronautique. Elles sont réalisées à partir de céramique à 96 % d’alumine.6. L’ensemble est compacté Le chemin que nous venons de parcourir dans l’univers parfois mystérieux ou secret des composites en construction navale militaire montre la richesse et la diversité des applications.74 324 86. Perspectives Figure 23 – Principe de placement de fibres à durcissement in-situ Cependant. ne nécessite ni autoclave. PPS) renforcées de fibres de carbone. Et pourtant.60 356 137 2 758 1 061 Composite SiC/Al2O3/Al 3. Les exigences de vitesse et de mobilité des navires vont contraindre les concepteurs et les chantiers à optimiser les structures et donc à faire appel à des technologies et des matériaux de plus en plus sophistiqués.6 2 068 612 à l’aide d’un rouleau asservi à la torche derrière lequel refroidit et se solidifie instantanément la matrice thermoplastique (figure 23). le coût prohibitif des infrastructures nécessaires à la mise en œuvre de grandes structures en matériaux composites à matrice métallique ou céramique. Ce principe de réalisation._________________________________________________________________________ LES STRUCTURES COMPOSITES EN CONSTRUCTION NAVALE MILITAIRE Tableau 8 – Caractéristiques mécaniques de matériaux employés pour des applications grande profondeur Masse volumique Module d’élasticité Module d’élasticité spécifique Résistance à la compression (g/cm3) (GPa) (GPa · g−1 · cm−3) (MPa) Résistance à la compression spécifique (MPa · g−1 · cm−3) Aluminium (7075-T6) 2. La barrière des 50 m. nécessitant des pressions de réalisation très élevées (1 000 à 2 000 bar). Force de compactage Bande de thermoplastique Rouleau de compactage Source de chaleur focalisée Hormis ces structures atteignant une dizaine de mètres de longueur. mettent en œuvre des matrices thermoplastiques hautes performances (PEEK. les États-Unis ont développé au cours du programme MRDA (Man Rated Demonstration Article) des capacités à base de sphères et de cylindres (∅ 2..13 m) assemblés par l’intermédiaire d’inserts en titane [32]. il semble que l’on n’ait pas tiré la quintessence du concept même de composite. les composites peuvent faire mieux et le marché le demande.44 113 25. s’il voulait être rentable.86 200 25. les exigences souvent modestes des cahiers des charges n’ont pas toujours tiré ces matériaux vers le haut.4 896 114 96 % Al2O3 3.6 2 758 737 Matériau Al2O3/ZrO2 4. traité Plastiques et Composites AM 5 665 − 17 . légèreté. Quoi de commun en effet entre les embarcations de 28 pieds. Une étude récente [18] a montré que le transport maritime de fret. et les frégates furtives du type La Fayette ou Visby qui font le lien avec le prochain millénaire. L’élévation locale de température obtenue à l’aide d’une torche projetant un jet d’azote à plus de 1 000 ˚C. URSS et l’intérêt de certains pays européens pour les coques de sous-marins en matériaux composites. p. MARTIN (A.) et GOODWIN (J. March 19-21 1990. De même. il est engagé.).). 1-16. Section 4. Documentation commerciale. 21st Century Combattant Technology. Stockholm. [25] LE LAN (J.) et PARNEIX (P.L. – Fabrication process under developpment for thick composite submarine structures.L.). – J.N. et surtout un navire de guerre. January 1997. WEAVER (A. les composites sont et devront de plus en plus être capables d’intégrer des fonctions touchant à la vulnérabilité ou la furtivité du navire.) et REDURON (B. 84. 1-7. p.).Y. CHALMERS (D. Session 1985.). 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