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

Rousseau, Rashique Iftekhar (2024). Analytical, numerical and experimental study of self-loosening of bolted joints. Thèse de doctorat électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

The large-scale demand for bolted joints across diverse engineering applications is indisputable because of their proven functional reliability coupled with simplified structural design. The issue of self-loosening presents a significant problem that potentially leads to catastrophic outcomes in the respective applications even though they offer a good rigidity to the joined connections. There are several factors responsible for self-loosening to occur. For instance, axial vibration can contribute to the problem that is persistent to only a certain number of cycles. Torsional vibration can also trigger the loosening of joints. However, the most significant cause of its occurrence is the transverse cyclic loading. Bolts experience rotation in the loosening direction due to a cyclic transverse force that produce slip between threads and/or under bolt heads leading to a relative rotation. Because of the cyclic transverse loading, a reduction of the clamping force is likely to occur followed by a relative rotation between the bolt and nut in the last stage of each half a cycle. In addition to these, there are other factors responsible, and a comprehensive understanding of the self-loosening mechanism remains an area in need of further investigation.

Hence, this study aims to identify the principal mechanisms behind the self-loosening phenomenon in bolted joints and to explore how various factors contribute to its occurrence. To achieve this goal, the project involves an analytical investigation to comprehend the behavior of self-loosening, coupled with numerical analysis through Finite Element Modeling (FEM) analysis, and experimental validation of the results using a laboratory test rig.

A numerical axisymmetric finite element (FE) modeling-based approach is developed to effectively evaluate accurately the stiffness of bolted joint components and particularly the stiffness of the clamped members and the bolt stiffness as current models are oversimplified. In this work, for the purpose of improving the analytical models, a wide range of bolts from M6 to M36 along with various joint grip lengths are covered in the analysis to develop a unique relationship of the stiffness of clamped members based on the bolt head or nut bearing contact. By performing validation with various load cases, the new method reveals that several wellknown numerical and analytical methods from the literature overestimate the stiffness of clamped members.

Since friction within various contact interfaces of a bolted joint significantly contributes to the occurrence of self-loosening, the study investigated the contribution of the various torques involved in a bolt, namely pitch, bolt and nut bearing friction and thread friction torques, and their variations during the tightening process, at rest after tightening is achieved and then during the untightening process. An analytical approach is elaborated to evaluate the three different torques, relative angular rotation between bolt and nut, interrelationship among the coefficient of friction and the nut factor, and stiffness of joint. This shows good agreement with the data from an earlier experimental study (Eccles, 2014) on tightening and untightening loading cycles. A three-dimensional (3D) numerical FE model is developed of a M12×1.75 hex threaded bolted joint to simulate the tightening and untightening loading cycles, which validates the analytical model as well.

The project also conducted experimental tests on a test rig already developed, which replicates the self-loosening phenomenon in a bolted joint under cyclic transverse loading. It included tests with M12×1.75 hex bolt and clamped members of different sizes and materials for different tightening conditions. As the stiffness and surface friction in a bolted joint are crucial factors influencing its loosening shown in earlier investigations, and both parameters depend on the types of material, a comparison is demonstrated between the tests conducted with steel and High-Density Polyethylene (HDPE) clamped members. A comprehensive understanding of the stage-II loosening (loosening by relative rotation between bolt and nut) is attained as every test end with a total preload drop, unveiling the effect of clamped member stiffness on the self-loosening phenomena patterns for comparative analysis.

Titre traduit

Étude analytique, numérique et expérimentale de l'autodesserrage des assemblages boulonnés

Résumé traduit

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.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Thèse de doctorat électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Manuscript-based thesis presented to École de technologie supérieure in partial fulfillment for the degree of doctor of philosophy". Comprend des références bibliographiques (pages 127-136).
Mots-clés libres:	auto-desserrage, assemblage boulonné, rigidité, frottement superficiel, propriété des matériaux, analyse par éléments finis, modélisation analytique
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur de mémoire/thèse Bouzid, Hakim
Programme:	Doctorat en génie > Génie
Date de dépôt:	23 avr. 2025 13:37
Dernière modification:	23 avr. 2025 13:37
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/3583

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