Development of a test bench to study self-loosening of bolted joints

Hasrak, Amir (2018). Development of a test bench to study self-loosening of bolted joints. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Common methodologies to study self-loosening of bolted joint are analytical, finite element, and experimental. Analytical and finite element methods are used to find, evaluate, and quantify this phenomenon while the experimental method is mostly used for validation and verification purposes. Most of the previous experimental studies on self-loosening of bolted joints have been performed with a test machine known as Junker Machine which uses a conventional load cell and a rotation sensor which change the geometry of the joint and loading condition. Inserting a load cell or a rotation sensor changes the clamping length and joint stiffness, which both are important factors in joint integrity and self-loosening behavior. Their non-use of load cell can greatly simplify the study of bolted joints and the investigation of other parameters. It is important to not alter the clamping length and stiffness of the joint when they are the main subject of study. In the design of the current test rig, the geometry of the bolted joint is maintained exactly the same as in the real application and in the finite element analysis used for validation. The designed test bench provides the possibility of studying bolted joints with different thicknesses of clamping parts in combination with different preloads and lateral imposed displacements. A digital data gathering system is put in place to provide the possibility of measuring and recording of bolt axial load (preload), imposed lateral displacement and resulting force, relevant rotation of the bolt and nut, temperature, time and number of cycles.

In the first step, a clamping device was designed to accommodate the test plate clamping joints and its instrumentation. A universal joint has been attached to the lower plate to minimize undesirable bending force and moments. A finite element analysis of the new design has been carried out to ensure the integrity of the plate attachments which are the weakest point in the mechanism. The maximum capacity of all other standard mechanical parts is defined by their respective manufacturers and are compared with results from the analysis.

In the second step, the driving gears and crank system have been repaired and modified to improve their performance to adapt with the new connections. In the third step, two mounting assemblies have been designed to hold the lateral displacement sensor and the rotation sensor. Both assemblies have been designed to accommodate different test settings using simple and low cost inserts. A digital magnetic counter is added to the system to record the number of cycles. A thermocouple has also been considered to measure temperature of plates in further studies. As the last step, all sensors have been connected and synchronized to a computer via a PCB. Data gathering system is visualized and controlled by LabView software.

As the first phase of the project, a full 3D FE analysis of the joint has been performed and results have been compared to experimental test. In this step, a clamping joint consisting of two steel plates (with 10 mm thickness), two steel washers, a bolt and a nut has been evaluated. The results show that the developed machine is functional and can be used for the next step of the research.

Titre traduit

Développement d'un banc d'essai pour étudier l'auto-desserage des joints boulonnés

Résumé traduit

Les méthodes courantes pour étudier l'auto-desserrage des assemblages boulonnés sont la théorie, les simulations numériques et l'expérimentation. Les méthodes théorique et numérique, utilisant principalement la méthode des éléments finis, sont utilisées pour comprendre, évaluer et quantifier ce phénomène, tandis que la method expérimentale est surtout utilisée à des fins de validation et de vérification.

La plupart des études expérimentales précédentes sur l'auto-desserrage des assemblages boulonnés ont été réalisées avec une machine d'essai connue sous le nom de Machine Junker qui utilise une cellule de charge conventionnelle et un capteur de rotation qui modifient la géométrie de l’assemblage et les conditions de charge. L'insertion d'un capteur de force ou d'un capteur de rotation modifie la longueur de serrage et la rigidité de l’assemblage, qui sont tous deux des facteurs importants pour l'intégrité du système et le comportement d'autodesserrage. La non-utilisation de ces capteurs peut grandement simplifier l'étude des assemblages boulonnés et des principaux paramètres. Il est important de ne pas modifier la longueur de serrage et la rigidité de l’assemblage lorsqu'elles sont le sujet principal de l'étude. Dans la conception du banc d'essai actuel, la géométrie de l'assemblage boulonné est exactement la même que dans l'application réelle et dans l'analyse par éléments finis utilisée pour la validation. Le banc d'essai conçu offre la possibilité d'étudier des assemblages boulonnés de différentes épaisseurs de pièces de serrage en combinaison avec différentes précharges et déplacements latéraux imposés. Un système de collecte de données numériques est mis en place pour fournir la possibilité de mesurer et d'enregistrer la charge axiale du boulon (précharge), le déplacement latéral imposé et la force latérale résultante, la rotation relative de la vis par rapport à l’écrou, la température, le temps et le nombre de cycles.

Dans un premier temps, un dispositif de serrage a été conçu pour recevoir l’assemblage boulonné et son instrumentation. Une articulation a été fixée à la plaque inférieure pour minimiser les forces et les moments de flexion indésirables. Une analyse par éléments finis de la nouvelle conception a été effectuée pour s’assurer de l'intégrité structurelle des éléments permettant l’assemblage et l’installation des plaques, qui sont le point le plus faible du mécanisme. Les capacités maximales de toutes les autres pièces mécaniques standards sont définies par leurs fabricants respectifs et sont comparées aux résultats de l’analyse par éléments finis.

Dans la deuxième étape, les engrenages d'entraînement du système bielle-manivelle ont été modifiés afin d'améliorer leurs performances pour s'adapter aux nouvelles connexions. Dans la troisième étape, deux ensembles de pièces ont été conçus pour recevoir le capteur de déplacement latéral et le capteur de rotation. Les deux ensembles ont été conçus pour s'adapter à différents contextes d'essai en utilisant des calles simples et peu coûteux. Un compteur magnétique numérique est ajouté au système pour enregistrer le nombre de cycles.

Un thermocouple a également été envisagé pour mesurer la température des plaques dans le cadre d'études ultérieures. Comme dernière étape, tous les capteurs ont été connecté à un ordinateur par l'intermédiaire d'une carte d’acquisition et de control de données et une carte PCB. Le système de collecte de données est visualisé et contrôlé par le logiciel LabView. Pour des fins de validation et des essais préliminaires, une analyse complète 3D par elements finis de l’assemblage a été réalisée et les résultats ont été comparés à des essais expérimentaux. Dans cette étape, un assemble composé de deux plaques d'acier (d'une épaisseur de 10 mm), de deux rondelles d'acier, d'un boulon et d'un écrou a été évalué. Les résultats montrent que la machine développée est fonctionnelle et peut être utilisée pour la prochaine étape de la recherche.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for a master's degree with thesis in mechanical engineering". Comprend des références bibliographiques (pages 113-115).
Mots-clés libres:	auto-desserrage, analyse par éléments finis, pré-charges, force latérale, déplacements latérale
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Bouzid, Hakim
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	18 avr. 2019 20:10
Dernière modification:	18 avr. 2019 20:10
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/2280

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