Prédiction de la dispersion du chargement d’assemblages boulonnés à bride pleine lors de serrage multi-passes

Joly, Thomas (2026). Prédiction de la dispersion du chargement d’assemblages boulonnés à bride pleine lors de serrage multi-passes. Mémoire de maîtrise électronique, Montréal, École de technologie supérieure.

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Résumé

Dans le domaine industriel, les assemblages à brides boulonnés jouent un rôle fondamental pour assurer la sécurité de la connexion entre les différents équipements, tuyaux ou appareils sous pression. Dans ce contexte de sécurité et de fiabilité, réussir un serrage uniforme et efficace est d’une importance capitale. Des serrages progressifs, parfois sur plusieurs passes et en suivant des séquences pré-établies, représentent déjà une méthode reconnue de sécurité. Cependant, ces procédures sont intrinsèquement chronophages et, dans certains cas, peu précises.

Cette étude répond à ces lacunes en développant un modèle analytique capable de prédire l’évolution de la tension dans les boulons lors de serrage avec plusieurs passes d’assemblages à bride pleine. Ces pertes de charge proviennent du phénomène d’interaction élastique entre les boulons, qui doit être compris et anticipé afin d’optimiser le processus de serrage. Dans un premier temps, le modèle analytique développé repose sur celui d’une plaque trouée ou non soumise à une force concentrée reposant sur un support élastique et a été adapté pour répondre aux besoins d’étude d’interactions élastiques dans les assemblages à bride pleine. De plus, ce modèle est couplé avec l’approche faite par Zhu et al. (Zhu, Bouzid, Hong & Zhang, 2018b), permettant, à partir des coefficients de souplesse à chaque position de boulon, de prédire les pertes de charge.

Le modèle analytique est alors validé par une modélisation par éléments finis exécutée sur des assemblages à bride pleine de différentes dimensions et classes, respectivement une NPS 4 Classe 900, une NPS 24 Classe 150 et un plus grand assemblage NPS 52 Classe 600. Enfin, une expérience a été conduite sur un assemblage à bride pleine de type NPS 4 Classe 900 et sert à fournir de la robustesse aux modèles présentés ici.
Les résultats de cette recherche apportent une compréhension claire de la dispersion de la charge des boulons dans les assemblages à bride pleine lors du serrage et contribue à la réduction d’opérations coûteuses ou inutiles, tout en améliorant l’efficacité et la sécurité.

Titre traduit

Prediction of load scatter during a multi-pass tightening of blind flange assemblies

Résumé traduit

In the industrial domain, bolted joints play a fundamental role in ensuring the secure connection between equipment, pipelines, or pressurized piping systems. Within this framework of safety and reliability, the achievement of a uniform and effective tightening of bolts is of paramount importance. Progressive tightening sequences, often carried out in several passes and following well-established tightening patterns, already represent a recognized safety measure. Nevertheless, these procedures are inherently time-consuming and, in certain cases, lack precision.

The present study addresses this limitation by developing an analytical and numerical framework capable of predicting the change of preload that occurs during multi-pass tightening of bolted flange joints with blind covers. Such losses originate from elastic interactions between bolts, a phenomenon that must be understood and anticipated to optimize the tightening process. The developed analytical model is based on the classical theory of circular plate under a concentrated force, which has been adapted here to the specific investigation of elastic interactions in bolted flange assemblies. In addition, this formulation is coupled with the approach proposed by Zhu (Zhu, Bouzid & Hong, 2018a), allowing for the identification of local compliance values at each bolt position to predict the bolt load scatter.

The analytical predictions are subsequently validated through finite element simulations performed on blind flanges of different dimensions and classes, namely an NPS 4 Class 900 flange, an NPS 24 Class 150 and a larger NPS 52 Class 600 flange. Furthermore, an experimental campaign conducted on NPS 4 Class 900 flanges serves to corroborate the robustness of the proposed methodology.
The outcomes of this research provide a clearer understanding of load scatter in bolted flange assemblies during tightening and contribute to the mitigation of unnecessary or costly handling operations, thereby enhancing both efficiency and structural safety.

Type de document:	Mémoire ou thèse (Mémoire de maîtrise électronique)
Renseignements supplémentaires:	"Mémoire par articles présenté à l'École de technologie supérieure comme exigence partielle à l'obtention de la maîtrise avec mémoire en génie mécanique". Comprend des références bibliographiques (pages 145-148).
Mots-clés libres:	assemblage boulonné, bride pleine, interaction élastique, séquences de serrage, dispersion de la tension des boulons, modélisation par éléments finis
Directeur de mémoire/thèse:	Directeur(-trice) Bouzid, Hakim
Programme:	Maîtrise en ingénierie > Génie mécanique
Date de dépôt:	12 août 2026 19:51
Dernière modification:	12 août 2026 19:51
URI:	https://espace.etsmtl.ca/id/eprint/4064

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