Analytical, numerical and experimental study of self-loosening of bolted joints

Résumé

La demande à grande échelle des assemblages boulonnés dans diverses applications d'ingénierie est incontestable en raison de leur bonne fiabilité fonctionnelle associée à une conception structurelle simplifiée. La question de l'auto-desserrage présente un problème important qui peut conduire à des situations catastrophiques dans les applications respectives, même si ceux-ci offrent une bonne rigidité aux connexions conjointes. Plusieurs facteurs sont responsables de l’auto-desserrage. Par exemple, les vibrations axiales peuvent contribuer au problème qui ne persiste que pendant un certain nombre de cycles. Les vibrations de torsion peuvent également déclencher le desserrage des articulations. Cependant, la cause la plus importante de son apparition est le chargement cyclique transversal. Le système boulon-écrou subit une rotation dans le sens du desserrage en raison d'une petite force transversale supplémentaire causant un glissement entre les filets et/ou sous la tête du boulon conduisant à un mouvement rotatif. En raison de la charge transversale cyclique, une réduction de la force de serrage est susceptible de se produire, suivie d'une rotation relative entre le boulon et l'écrou dans la dernière étape de chaque demi-cycle. En plus de ceux-ci, il existe d’autres facteurs responsables et la compréhension globale du mécanisme d’auto-desserrage reste un domaine nécessitant des recherches plus approfondies. Par conséquent, cette étude vise à identifier les principaux mécanismes à l’origine du phénomène d’auto-desserrage dans les assemblages boulonnés et à explorer comment divers facteurs contribuent à son apparition. Pour atteindre cet objectif, le projet implique une enquête analytique pour comprendre le comportement de l'auto-desserrage, couplée à une analyse numérique par éléments finis (FEM) et à une validation expérimentale des résultats à l'aide d'un banc d'essai en laboratoire. Une approche numérique basée sur la modélisation axisymétrique par éléments finis (EF) est développée pour évaluer efficacement la rigidité des composants d'un assemblage boulonné, et en particulier la rigidité des éléments serrés et la rigidité des boulons dont les modèles existants ne sont pas fiables. Dans ce travail, dans le but d'améliorer les modèles analytiques, une large gamme de boulons de M6 à M36 ainsi que diverses longueurs de serrage des joints sont couverts dans l'analyse afin de développer une relation unique de rigidité des éléments serrés en fonction de la tête de boulon et de l'écrou et de leur largeur de contact. Suite à la validation avec différents cas de chargement, la nouvelle méthode montre la surestimation de la rigidité des éléments serrés des méthodes numériques et analytiques bien connues de la littérature. Étant donné que la friction au sein de diverses interfaces de contact d'un assemblage boulonné contribue de manière significative à l'apparition d'un auto-desserrage, la recherche a étudié la contribution de divers couples, à savoir les couples de pas, de friction du boulon ou de l'écrou et les couples de friction du filetage, ainsi que leurs variations pendant le serrage, au repos et au desserrage. Une approche analytique est élaborée pour évaluer ces trois couples, la rotation relative entre le boulon et l'écrou, la relation entre le coefficient de frottement et le facteur d'écrou et la rigidité de l'assemblage. Un bon accord a été trouvé avec une étude expérimentale antérieure sur les cycles de chargement de serrage et de desserrage. Un modèle FE numérique tridimensionnel (3D) est développé à partir d'un joint boulonné fileté hexagonal M12 × 1.75 pour simuler les cycles de chargement de serrage et de desserrage ; ce qui valide également le modèle analytique. Le projet a également mené des tests expérimentaux sur un banc d'essai déjà développé, qui reproduit le phénomène d'auto-desserrage dans un assemblage boulonné sous chargement transversal cyclique. Il comprenait des tests avec des boulons hexagonaux M12 × 1,75 et des éléments serrés de différentes épaisseurs et matériaux soumis à plusieurs conditions de serrage. Comme la rigidité et le frottement de surface sont des facteurs cruciaux influençant le desserrage des joints montrés dans des enquêtes antérieures, et que les deux paramètres dépendent des types de matériaux, une comparaison entre les tests menés avec des éléments serrés en acier et en polyéthylène haute densité (PEHD) a été effectuée. Une compréhension globale du desserrage de l'étape 2 (desserrage par rotation relative entre le boulon et l’écrou) est obtenue puisque chaque test se termine par une perte totale de précharge, dévoilant une gamme de modèles de phénomènes de desserrage pour une analyse comparative.

Date	18 déc. 2024
langue originale	Anglais américain
Établissement diplômant	École de technologie supérieure
Superviseur	Hakim A. Bouzid (Directeur(-trice))