Modélisation des raideurs des assemblages par éléments filetés précontraints

Investigation of the stiffness of the preloaded bolted joint

• Auteur / Autrice : Feras Alkatan
• Direction : Jean Guillot, Pierre Stephan
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génie mécanique
• Date : Soutenance en 2005
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA

Mots clés

Mots clés contrôlés

Éléments finis, Méthode des

Modèles mathématiques

Boulons et écrous

Assemblages à boulons

Mots clés libres

Serrage à l'angle

Taraudage

Résumé

Les travaux de cette thèse consistent à étudier les raideurs des éléments constitutifs des assemblages en fonction de tous les paramètres définissant la conception. Cette étude s'appuie sur une modélisation par Eléments Finis validée par une expérimentation. Elle permet d'en tirer des modèles de calcul permettant une détermination précise et rapide de ces raideurs. Dans la première partie, on montre l'intérêt de calculer avec précision les raideurs équivalentes des pièces et des boulons pour le dimensionnement de l'assemblage, une meilleure maîtrise du serrage à l'angle ou de la mise en précontrainte par tendeur hydraulique. La connaissance des raideurs est également nécessaire pour créer des modèles E. F simplifiés. L'étude critique complète et l'analyse des principales méthodes de calcul des raideurs équivalentes qui ont été proposées jusqu'ici, montrent des différences importantes entre les formulations proposées. D'où la nécessité de reprendre ces études avec les moyens modernes de simulation. Dans un deuxième temps, nous nous intéressons à la justification des méthodes de détermination proposées qui permettent de s'affranchir de la mesure des déplacements, principale source d'erreur constatée dans les travaux précédents. Les travaux réalisés pour déterminer les raideurs des boulons et des pièces cylindriques en fonction des différents paramètres sont alors présentés ainsi que les essais de vissage à l'angle permettant de valider les résultats de très nombreuses simulations réalisées. L'ensemble de ces travaux de simulations très importants sont résumés sous forme d'une méthode pratique de calcul qui permet la détermination précise des raideurs des boulons et des pièces cylindriques dans toutes les situations. Dans une troisième partie, pour compléter l'étude, nous nous sommes intéressés à des cas spécifiques de l'assemblage comme celui des pièces prismatiques avec des trous excentrés, et celui de l'empilage de deux pièces assemblées. Des solutions originales basées sur la connaissance de la raideur des pièces cylindriques de révolution ont été proposées ainsi qu'une étude analytique avancée donnant des résultats satisfaisants dans le cas des pièces prismatiques. Enfin, la quatrième partie propose une modélisation analytique du système vis écrou permettant d'appréhender la répartition des efforts au niveau des filets, de la rigidité en flexion de l'écrou et de la partie en prise de la vis. L'ensemble des études réalisées sur les raideurs permet alors de construire des modèles simplifiés équivalents à l'ensemble du boulon en éléments finis

Work of this thesis consists of studying the stiffness of the components of the assemblies according to all the parameters defining the design. This study is based on a Finite Elements model validated by an experiment. It leads to models of calculation allowing a precise and fast determination of these stiffnesses. The first part deals with the interest to calculate with precision the equivalent stiffness of the parts and of the bolts for the dimensioning of the assembly, for a best tightening angle control or for a best application of the preload by hydraulic tension tool. The knowledge of the stiffness is also necessary to create a simplified model F E for the bolt. A critical study and an analysis of the principal methods of calculation of the equivalent stiffness proposed up to now show us significant differences between the formulations suggested. Consequently, it's pertinent to make these studies again with the modern means of simulation. In the second time, we are interested in the justification of the methods of determination which make it possible to avoid the measurement of displacements, principal source of error noted in preceding work. So, we give all the results of the bolt's and the cylindrical part's stiffnesses according to the various parameters. Tests of tightening angle make it possible to validate the results of very many simulations carried out. The whole of this very significant work of simulations is summarized in the form of a practical method of calculation which allows a precise determination of the bolt's and the cylindrical part's stiffnesses in all the situations. In a third part, to complete the study, we are interested in the case of the prismatic parts with offset holes and of stacking assembled parts. So, we propose an original solutions based on the knowledge of the revolution cylindrical part's stiffness and an advanced analytical study giving satisfactory results in the case of the prismatic parts. The fourth part proposes an analytical model of the bolted nut making it possible to determine the distribution of the efforts on the thread bolted and the inflection stiffness of the nut and the bolted engaged part. The whole of the studies leads us to build equivalent finite element models for the bolt