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Étude de l'autodesserrage des assemblages boulonnés

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Fort, Valentin (2018). Étude de l'autodesserrage des assemblages boulonnés. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

L’autodesserrage des plaques boulonnées est un phénomène connu depuis longtemps. En effet, les boulons sont présents dans plusieurs domaines industriels, que ce soit les machines, l'industrie automobile, l'aérospatiale ou encore les industries pétrolière et gazière. Une rupture ou un simple desserrage peut avoir des conséquences graves sur les coûts de maintenance, l’environnement et les humains. Il est donc primordial de bien comprendre le processus physique derrière l’autodesserrage pour l’anticiper et l’éviter.

L’autodesserrage des plaques boulonnées peut être étudié par trois moyens : des tests expérimentaux, des simulations numériques et des modèles théoriques. Dans ce mémoire, les modèles théoriques et numériques sont les moyens pour comprendre le phénomène tandis que les tests expérimentaux sont utilisés comme moyens de vérification.

Les études expérimentales utilisent une machine d’essai nommée machine Junker pour les tests d’autodesserrage. Contrairement aux études précédentes utilisant des capteurs affectant le processus d’autodesserrage, le montage utilisé ici présente des capteurs affectant au minimum le phénomène : une jauge de déformation insérée dans la vis permettant de mesurer la force de serrage, une capteur de rotation situé sur l’écrou, un capteur de déplacement magnétique mesurant au plus près le déplacement relatif entre les plaques, une capteur de force mesurant la force transversale et un compteur magnétique de cycles.

Différents modèles numériques ont été développés. La première catégorie de modèles simule l’autodesserrage d’un assemblage boulonné, avec des précharges, des déplacements transversaux et des épaisseurs de plaques qui varient. La seconde catégorie de modèles reprend des parties des modèles précédents dans le but de calculer les rigidités en flexion des différentes parties de l’assemblage. Ces rigidités sont utiles dans le modèle théorique développé.

En ce qui concerne la théorie, des modèles de friction au niveau des zones de contact ont été développés. Cette friction est une clé importante dans la compréhension et la résolution du modèle théorique. De plus, un modèle amélioré de flexion du boulon a été également proposé. À partir de ceci, un critère évitant l’autodesserrage de l’assemblage a été développé. Enfin, une équation liant glissement entre la tête de vis et les plaques d’une part et la rotation relative entre l’écrou et la vis d’autre part a été proposée.

Les effets de différents paramètres ont été étudiés théoriquement et sont en accord avec la littérature. De plus, le critère proposé offre une bonne concordance entre les résultats numériques et les résultats théoriques. En ce qui concerne la flexion du boulon, la phase sans aucun glissement donne de bons résultats. A contrario, la phase avec glissement dans les filets n’est pas bien représentée par le modèle, montré par le manque de concordance des résultats. Les équations de la friction sous la tête de vis et sous l’écrou et les simulations numériques donnent des résultats très proches; ce qui montre une bonne modélisation de cette friction. La rigidité globale du système a également été étudiée, montrant des résultats contrastés. L’utilisation des formules de la littérature ne donnent pas obligatoirement de bons résultats suivant le cas auquel le système est soumis.

Titre traduit

Study on the self-loosening of bolted joints

Résumé traduit

Self-loosening of bolted plates has long been a known phenomenon. Indeed, bolts joints are present in several industrial fields such as machinery, automotive, aerospace, oil and gas. A failure or a simple loosening can have serious consequences on maintenance costs, environment and humans. It is therefore essential to understand the physical phenomenon behind self-loosening to anticipate and avoid its occurrence.

Self-loosening of bolted joints can be studied experimentally by testing, numerically using FE simulations and theoretically using analytical modeling. In this thesis, theoretical and numerical models are used to understand the phenomenon while experimental tests are used for verification.

Experimental investigations use a test machine called a Junker machine for self-loosening testing. Unlike previous studies that uses sensors like load cell that affect the self-loosening process, the testing device used in this study has sensors that affect the phenomenon to a minimum. The rig is equipped with a strain gauge inserted in the bolt to measure the tightening force, a rotational velocity differential transformer located on the nut, a linear velocity differential transformer measuring the relative displacement between the plates, a load cell measuring the transverse force and a magnetic cycle counter.

Various numerical FE models have been developed during this project. The first category of models simulates the self-loosening of bolted joints, with different preloads, transverse displacements and plate thicknesses. The second category of models is based on previous models and is used to determine the bending stiffness of the different parts of the assembly required. These stiffnesses are used for the developed theoretical model.

As far as the theory is concerned, friction models have been developed at the different contact zone levels. Friction is an important key factor in solving the theoretical model. In addition, an elaborate model of the bolt under bending was also proposed. Based on the developed model, a criterion to avoid self-loosening of the bolted joints was developed. Finally, a relationship between the relative displacement between the bolt head and the plates on the one hand and the relative rotation between the nut and the bolt on the other hand has been proposed.

The effects of different parameters have been studied theoretically and are in agreement with the literature. In addition, the proposed criterion provides a good match between the numerical and theoretical results. As far as the bending stiffness of the bolt is concerned, under the non-slip condition the results are in good agreement. On the other hand, during the sliding phase the model does not reproduce the real behavior, shown by the lack of agreement between the results. The friction equations under the bolt head and under the nut and the numerical simulations give very close results, which shows a good modelling of this friction. The overall rigidity of the system was also studied, showing mitigated results. The use of formulas from the literature does not necessarily give good results depending on the case to which the system is subjected to.

Type de document: Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires: "Mémoire par article présenté à l'École de technoloige supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise avec mémoire en génie mécanique." Comprend des références bibliographiques (pages 113-119)
Mots-clés libres: autodesserrage, analyse par éléments finis, assemblage boulonné, chargement transversal, flexion du boulon, friction, modèle théorique
Directeur de mémoire/thèse:
Directeur de mémoire/thèse
Bouzid, Hakim
Codirecteur:
Codirecteur
Gratton, Michel
Programme: Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt: 07 déc. 2018 18:39
Dernière modification: 07 déc. 2018 18:39
URI: http://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2178

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