Étude de l’autodesserrage des assemblages boulonnés

Les boulons, composés au minimum d’une vis et d’un écrou, sont des éléments permettant d’assembler deux composants ou plus dans les assemblages mécaniques, en particulier les plaques. Les boulons sont présents partout et ce, depuis très longtemps. Les systèmes mécaniques sont soumis à des efforts pouvant mener à la perte de serrage des boulons. Cette perte de serrage est de deux types, la fatigue, principalement provoquée par des charges axiales répétées, et la rotation des éléments du boulon entre eux, principalement provoquée par les charges transversales répétées. Le cas concerné ici est les charges transversales répétées.

Différents types d’assemblages peuvent être utilisés, comme par exemple le soudage, le rivet, la goupille, le clou et bien entendu le boulon. Le boulon est une solution très pratique dans plein d’utilisations du fait que c’est une solution facilement démontable, contrairement au soudage, sans destruction d’aucune sorte des éléments de l’assemblage, contrairement au rivet par exemple. De ce fait, le boulon est une solution d’assemblage de pièces très utilisée dans le monde de l’industrie.

L’autodesserrage des assemblages boulonnés est un phénomène présent dans toutes les industries, y compris les industries automobile, aérospatiale, pétrolière et gazière. Ce problème peut causer des pannes catastrophiques : arrêts, perte de revenus, maintenance, accidents et problèmes de santé et dommages environnementaux. La contre-mesure pratique au desserrage automatique est un resserrage périodique afin de maintenir les boulons à la force de tension désirée. Une meilleure compréhension de ce phénomène et des différents facteurs qui le régissent permettrait une conception des systèmes mécaniques plus sûrs en prévenant les défaillances.

La charge transversale est une condition nécessaire pour que le boulon s’auto-desserre. Il en résulte une diminution de la force axiale, voire même le détachement complet de l’assemblage. La diminution de la force de serrage peut être caractérisée en deux étapes. La première consiste à la réduction de la force de serrage sans rotation relative entre l’écrou et la vis. La deuxième étape consiste en la réduction graduelle de la force de serrage par rotation entre la vis et l’écrou. De nombreux facteurs influencent le comportement de plaques boulonnées soumises à des charges transversales, en particulier la géométrie des différents éléments ainsi que leur matériau.

L’autodesserrage des boulons est un processus physique complexe et certains paramètres du comportement ont été peu étudiés, en particulier l’effet de l’épaisseur des plaques et le matériau des éléments (Yang et al., 2010).

Des modèles analytiques sont déjà présents dans la littérature mais ceux-ci sont incomplets et/ou demandent à être améliorés ((Nishimura et al., 2013) et (Nassar et Yang, 2009 à 2012)). L’objectif principal de ce travail consiste en l’étude de l’effet de l’épaisseur des plaques par l’intermédiaire du développement d’un modèle analytique plus complet, permettant de rendre compte de manière plus précise que les modèles précédents le phénomène d’autodesserrage des boulons. Ce modèle sera également comparé à des résultats issus de simulations numériques et à des résultats expérimentaux. Le travail se limitera aux plaques de surfaces parallèles assemblées par un boulon constitué d’une vis à tête hexagonale et d’un écrou hexagonal.

Les boulons et autres types d’attaches à base de tiges filetées sont des éléments très utilisés dans l’industrie et plus globalement dans la vie de tous les jours, et ceci depuis longtemps, pour fixer et encastrer des éléments d’assemblage entre eux. Les problèmes liés à l’autodesserrage des boulons ont commencé bien évidemment en même temps qu’a commencé leur utilisation.

L’autodesserrage des boulons est caractérisé par deux types de processus :
– des charges cycliques/vibrations transversales transmises aux boulons induisent la rotation de la vis par rapport à l’écrou, c’est cette rotation qui fait diminuer la force de serrage ;
– des charges cycliques/vibrations axiales induisent de la fatigue dans le boulon, ce sont les fissures créées par cette fatigue qui font diminuer la force de serrage.

Nous nous intéressons ici aux assemblages boulonnées soumis à charges cycliques transversale. Ce processus est étudié depuis longtemps et c’est en 1969 (Junker, 1969) que de réelles avancées sont faites. L’auteur a d’ailleurs développé la machine, dite « machine Junker », permettant d’étudier le desserrage des boulons. Le processus se caractérise par 2 étapes : une première courte, due à des déformations plastiques ; et une seconde bien plus longue, due à la rotation relative de l’écrou par rapport à la vis, laquelle est la responsable principale du desserrage du boulon.

Les études menées depuis se sont très majoritairement portées sur l’étape 2. Diverses expériences ont été effectuées ainsi que divers modèles analytiques et numériques ont été développés. Ces 3 approches complémentaires permettent aujourd’hui de mieux comprendre le phénomène de desserrage.

Étape 1
Cette étape, peu étudiée, est très courte comparée à la seconde étape. En effet, elle se mesure en quelques cycles tandis que la seconde se mesure en milliers voire dizaines de milliers de cycles.

(Jiang et al., 2003), ont montré que, immédiatement (quelques secondes) après le serrage du boulon, la perte de serrage est comprise entre 0% et 2% de la charge initiale (ou précharge). Après cette diminution immédiate, la force de serrage se stabilise si le système est au repos. Cette diminution est due aux déformations plastiques dans la vis en général et dans les filets en particulier mais n’influe pas sur l’autodesserrage en étape 1.

La phase 1 se caractérise par les déformations plastiques des filets, en particulier le premier filet engagé dans l’écrou. Ces déformations plastiques entraînent une redistribution des contraintes dans les filetages. Ceci fait diminuer la force de serrage du boulon. Durant cette phase, les éléments ne tournent pas. En réalité, il y a une faible rotation entre l’écrou et la vis, (Jiang et al., 2003) donnent comme valeur de la rotation à frontière entre les phases 1 et 2, dans le montage qui est le leur, un angle de 0.5°. Ils remarquent de plus que l’angle de rotation augmente linéairement et la force de serrage diminue linéairement avec le nombre de cycles.

Du fait que le contact dans les filets est très local, voire ponctuel, en plus de la caractérisation du comportement du matériau en zone de plasticité, une simulation précise de l’étape 1 en modèle analytique ou modèle numérique est difficile à réaliser.

Étape 2
Cette étape est plus largement étudiée que l’étape précédente. Plusieurs études ont été réalisées, maniant éléments finis, expériences et/ou modèles analytiques ((Ishimura et al., 2010), (Sawa et al., 2010), (Nassar et Yang, 2009) et (Yang et Nassar, 2012)). Dans cette étape, de loin bien plus longue que l’étape 1, le matériau n’est considéré que dans sa zone élastique (Jiang et al., 2003). Le desserrage est supposé exclusivement dû à la rotation de l’écrou par rapport à la vis, elle-même due aux glissements des surfaces de contact et au moment de flexion dans les filetages de la vis et de l’écrou.

Études expérimentales
Le montage utilisé a été systématique celui de la machine Junker. La partie intéressante du montage, celle concernant le système en lui-même,D’autres capteurs peuvent intervenir, en particulier en ce qui concerne la mesure de l’angle de rotation de l’écrou . Globalement, les résultats expérimentaux donnent des conclusions proches les unes des autres.

Études numériques
Divers modèles numériques utilisant la méthode des éléments finis (EF) ont été réalisée. Parmi ceux-ci, on peut noter quelques principaux traits qui ressortent. Premièrement, l’étape 1 n’est jamais prise en compte dans les modèles. Ceci est compréhensible du fait que la principale partie de l’autodesserrage est réalisée pendant l’étape 2. D’autres part, la plupart des modèles considère le matériau des différents éléments du système uniquement dans la zone élastique, par exemple (Wang et Jiang, 2006) ou encore (Sawa et al., 2008). D’autres considèrent certains éléments également dans leur zone plastique, par exemple (Sawa et al., 2010). On peut ajouter que certains modèles prennent en compte les capteurs (Zhang et al., 2007) pour une meilleure comparaison avec les résultats expérimentaux. Enfin, certains modèles sont simplifiés à l’extrême et ne concernent qu’une partie du système, comme par exemple un assemblage uniquement constitué de l’écrou et de la partie filetée de la vis (Shoji et Sawa, 2005). Globalement, on peut dire que les études numériques donnent des conclusions similaires. Les effets des différents paramètres du système sont exposés plus bas.

Modèles analytiques
Très peu de modèles analytiques ont été développés pour caractériser l’autodesserrage des boulons. Il s’agit principalement de (Nassar et Housari, 2006 et 2007) et de (Yang et Nassar, 2009, 2011 et 2012). Une modélisation du modèle au repos, sans charge transversale, permettra de comprendre comment, sous un chargement transversal, le système peut s’autodesserrer.