Soutenance mémoire
Généralités sur les assemblages boulonnés
La fonction principale d’un assemblage boulonné est de transmettre des efforts entre des pièces, en utilisant une force appelée prétension, générée lors du serrage. La prétension – ou force de serrage, ou encore précharge – est la force créée par le contact entre les filets de la vis et de l’écrou lorsqu’ils sont soumis à une rotation relative de l’un des éléments par rapport à l’autre. La direction de l’effort à transmettre permet de classer les assemblages boulonnés en deux grandes familles : soit la direction de l’effort suit l’axe de la vis : l’assemblage travaillant en traction ; soit la direction est perpendiculaire à l’axe de la vis : l’assemblage travaillant en cisaillement . Dès lors, le mode de transmission de l’effort ainsi que le rôle de la prétension ne sont pas les mêmes pour les deux familles. Dans le cas des assemblages de traction, la prétension a un effet bénéfique sur la tenue en fatigue de l’assemblage. Dans le cas des assemblages de cisaillement, de nombreux phénomènes entrent en jeu : glissement, fretting, matage, etc., et la prétension peut soit exacerber ces phénomènes soit les réduire.
Assemblage en traction
Les méthodes actuelles de dimensionnement des assemblages boulonnés sont basées sur le calcul de la souplesse des différents éléments constituant l’assemblage. De nombreuses études ont été orientées dans ce sens [MAS94, CHA07, ALK05], afin de considérer de multiples cas de figure possibles en termes de géométrie, de chargement, etc. De ces travaux découlent des méthodes applicables par les ingénieurs dans le but de dimensionner rapidement leurs assemblages boulonnés, notamment la méthode VDI 2230 [GUI08] qui sert de base à plusieurs normes, ainsi que la méthode développée au sein de l’Institut Clément Ader : Rasmussen modifiée [DAI12]. Ces méthodes sont basées sur plusieurs hypothèses, notamment celle de non-décollement entre les pièces dans l’assemblage afin d’avoir à l’interface un contact « parfait ». S’il n’y a pas de décollement au sein de l’assemblage, l’action d’une force extérieure ?? provoque une variation de longueur ∆? telle que :
∆? = ∆?? − ∆??0 = ∆??0 − ∆?? [1]
Les indices P et B correspondant respectivement aux pièces et au boulon, et ∆??0 ?? ∆??0 aux variations de longueur liées à la prétension ?0. De la même façon on obtient :
??(?? − ?0) = ?? (?0 − ??) [2]
Un éventuel décollement aura pour effet de retirer ce lissage bénéfique de l’effort, garanti par le contact entre les surfaces permettant le transfert des charges. Si ce transfert n’est pas assuré, l’ensemble de l’effort passera dans le boulon. De par sa nature, le boulon est très sensible aux contraintes alternées. La concentration de contraintes dans les filets est telle que les performances en dynamique sont bien moindres que celles en statique pour un même boulon. En effet, des boulons hautes résistances ont une résistance à la rupture très élevée de l’ordre de 1000MPa, alors que la résistance en fatigue (contrainte alternée admissible) est de l’ordre de 50 MPa [DAI12]. On comprend alors l’importance de la précontrainte (ou prétension) et de la qualité du contact entre les surfaces dans un assemblage boulonné, soumis à des sollicitations de fatigue.
En revanche, pour des joints comprenant plusieurs boulons, l’effet du jeu diamétral n’est plus négligeable [JOH06]. Dans cette étude, les auteurs montrent que si les jeux présents dans les boulons sont de sens différents, alors le boulon dont le jeu n’est pas orienté dans le sens du chargement subira une surcharge, le temps que le jeu présent dans les autres trous soit comblé. Si toutefois tous les jeux sont dans la même direction, on ne retrouve pas cet effet. Cette étude a été réalisée en utilisant des boulons serrés avec un couple usuel. En général, les autres études présentent des résultats pour des boulons simplement ajustés à la main, par exemple [STA02]. Ces auteurs affirment que les effets bénéfiques du serrage se retrouvent peu lors de la vie en service de l’assemblage à cause du fluage et du desserrage, introduisant une perte de prétension. Ils préfèrent donc considérer l’influence du jeu diamétral dans le cas d’un matage pur. Les boulons sont alors instrumentés via des jauges de déformation pour mesurer la prétension (non exploitée ici) mais également l’effort transmis en cisaillement (Bolt load sur les graphiques). C1 correspond à un boulon bien ajusté alors que C3 correspond à un jeu de 160 µm. On peut voir sur les graphiques que si tous les boulons sont correctement ajustés, les efforts sont repris par l’ensemble. Sinon il y a un décalage, le temps que les jeux soient comblés, entraînant une surcharge sur les boulons correctement ajustés.
Une description complète de la phénoménologie entraînant la ruine d’un assemblage en statique est présentée par Yang et al [YAN13]. En utilisant des techniques de corrélation d’image numérique couplée à des mesures d’émission acoustique, les auteurs ont réussi à décrire huit étapes décrivant la vie de l’assemblage : la phase élastique, le glissement, le matage et l’adaptation, la phase élastique de la structure, la plastification et l’initiation de fissures, stable puis propagation instable des fissures et enfin, la rupture finale. On retrouve ainsi un mode de transfert par friction évoluant vers un transfert en matage lorsque l’effort appliqué augmente.
Synthèse du comportement des deux types d’assemblages
A la suite de cette première introduction, un bref bilan s’impose. Qu’il s’agisse des assemblages soumis à de la traction ou de ceux soumis au cisaillement, la prétension va jouer, dans les deux cas, un rôle bénéfique pour la durée de vie de l’assemblage. Pour les assemblages soumis à de la traction, la condition de non-décollement entre les pièces couplée à une haute valeur de prétension va réduire l’amplitude du chargement extérieur tel qu’il est vu par la fixation et améliorer ainsi sa longévité. Pour les assemblages soumis au cisaillement, bien que le mode de fonctionnement soit plus complexe et dépende de plusieurs facteurs, la transmission d’effort par frottement est favorisée par une prétension optimale. Un contact « sain » entre les pièces va alors limiter le fretting tandis que la présence d’un défaut au niveau de ce contact pourrait avoir tendance à l’exacerber. Malheureusement il n’existe pas, à notre connaissance, d’étude de comportement d’assemblages de cisaillement boulonnés en présence de bavures ou autres types de défauts, affectant le contact entre les pièces.
|
Table des matières
Introduction
Chapitre 1 Présentation générale et étude bibliographique
1. Présentation des assemblages aéronautiques
2. Généralités sur les assemblages boulonnés
3. Présentation des techniques de serrages
4. Défauts dans les assemblages
5. Contrôle du contact entre surfaces
6. Conclusion de l’étude bibliographique
Chapitre 2 Méthode et Modélisation
Introduction
Nomenclature
1. Présentation de la méthode de serrage intelligent proposée
2. Présentation de l’algorithme de traitement des données couple/angle
3. Création d’un modèle analytique
4. Modélisation éléments finis
5. Développement d’un modèle d’écrou autofreiné sous Abaqus
6. Conclusion
Chapitre 3 Première campagne d’essais
Introduction
1. Essais préliminaires : mesure expérimentale des coefficients de frottements
2. Essais sur les fixations de diamètre 5,56 mm
3. Essais sur les fixations de diamètre 25,4 mm
4. Serrage dans les filets imparfaits
5. Essais sur fixations temporaires
6. Seconde campagne d’essais sur fixations temporaires
7. Banc d’essai représentatif d’un assemblage réel
8. Bilan de la première campagne d’essais
Chapitre 4 Seconde campagne d’essais
Introduction
1. Création d’un système de mesure du couple de réaction
2. Mesure de la prétension
3. Conception du prototype
4. Calibration et premiers résultats
5. Concept d’utilisation : optimisation de la prétension
6. Conclusion seconde campagne d’essais
Chapitre 5 Conclusion
