Analyse du desserrage progressif de liaisons boulonnées (Bolt Loosening) sous PERMAS

ANALYSE DE CONTACTS | Publié le 01 octobre 2022

Le desserrage progressif de liaisons boulonnées est un enjeu important dans l'industrie. Il peut avoir un impact sur la robustesse des structures assemblées et sur leur durée de vie, notamment à cause de la perte de la prétension appliquée aux boulons. La flexion au niveau de la liaison boulonnée joue un rôle important dans ce phénomène. La simulation de ce processus pour des structures complexes comportant un nombre important de liaisons boulonnées est devenu un objectif industriel majeur. C'est pourquoi les équipes de INTES ont travaillé sur le sujet et mis au point les briques logicielles nécessaires à ce type d'études.

Des modèles complets et représentatifs

Le solveur PERMAS permet de traiter des modèles complexes incluant l'ensemble des composants ayant un rôle mécanique au sein d'un système.

Le modèle présenté ci-contre comporte :
• ~ 1 200 000 éléments,
• ~ 6 800 000 degrés de liberté,
• 11 zones de contacts,
• 22 liaisons boulonnées avec prétension.

Ce modèle est soumis à un cycle classique de fonctionnement (marche avant, marche arrière, scénario de freinage) afin d'étudier le phénomène de desserrage spontané des boulons. Le chargement appliqué comporte donc des phases d'accélération/décélération en plus du chargement induit par le poids du système lui-même.

Le modèle étudié est constitué d'éléments volumiques linéaires et quadratiques, et les zones de contact mettent en relation des maillages incompatibles. Toutes les parties de la structure mécanique sont modélisées pour une meilleure représentation géométrique et donc une précision accrue des résultats.

Dans PERMAS, une définition spécifique des éléments solides permet un maillage rapide et efficace des liaisons boulonnées. Les contacts peuvent alors prendre en compte les directions et les intensités correctes des efforts de frottement dans la zone du filetage.

Evolution des efforts de contact au cours de la rotation de la roue

Liaison boulonnée au sein du système mécanique, avec maillages incompatibles entre les différentes parties de la structure.

Evolution des déplacements calculés au cours de la rotation de la roue

Des résultats prédictifs

Typiquement, le glissement n'apparaît pas au même moment sur l'intégralité de la surface de contact (voir figure ci-contre). Mais des zones limitées de glissement suffisent à provoquer un mouvement de désserrage à la manière d'une vague qui se propagerait le long de la surface de contact.

Lorsque plusieurs rotations sont considérées, plusieurs effets sont à noter :

- la plus grande partie du desserrage spontané se produit lors de la première rotation du système tournant (ici une roue),

- le desserrage progresse ensuite de manière constante au cours des rotations suivantes.

Les résultats des simulations effectuées avec l'outil PERMAS montrent une bonne prédictibilité du phénomène de desserrage grâce à la précision des résultats au niveau des zones de contact, autant au niveau de la tête de vis que du filetage.

Des modèles paramétriques de liaisons boulonnées sont implémentés dans l'outil et permettent de mettre en évidence l'influence de différents paramètres, comme le coefficient de frottement ou l'effort de prétension, sur le desserrage spontané. De même, l'impact d'un changement de sens de rotation de la roue sur le desserrage peut être évalué. Dans l'exemple dont il est question ici, une inversion de ce sens de rotation aura tendance à resserrer le boulon.

Une simplification efficace

Grâce à des méthodologies de définition d'éléments spécialement dédiées aux filetages complexes, et à une bonne prise en compte des maillages incompatibles, PERMAS offre la possibilité de modéliser d'une manière réaliste et précise les liaisons boulonnées étudiées. Mais il est également possible d'utiliser une modélisation simplifiée du filetage, permettant notamment :

une réduction du nombre d'éléments (~ 50 %),
un gain en temps de calcul du fait de la simplification des zones de contact.

Les résultats obtenus avec le modèle simplifié montrent un niveau de précision élevé et valident l'utilisation de ce modèle. Pour aboutir à ce niveau de performances, des études paramétriques ont été menées sur des modèles détaillés de liaisons boulonnées pour mettre en évidence le paramètre prépondérant pour caractériser le desserrage spontané : l'angle d'inclinaison. L'étude paramétrique a montré que ce paramètre est déclinable dans le modèle simplifié et que les différences observables entre les résultats obtenus avec modèles simplifié ou détaillé sont comprises et expliquées.

À partir d'un angle d'inclinaison critique, déterminé sur un modèle détaillé, un desserrage spontané peut ainsi être prédit et simulé. Cependant, cet angle n'est pas un résultat primaire obtenu lors d'une analyse éléments finis. Une quantité directement accessible par la FEM et physiquement proche de cet angle est : le déplacement tangentiel relatif des zones de contact au voisinage du boulon. Ce déplacement relatif est donc l'indicateur choisi pour la détection et la simulation du desserrage spontané pour des modèles comportant plusieurs liaisons boulonnées.

Ce sujet reste à l'étude et les équipes d'INTES communiqueront le cas échéant sur les avancées et les fonctionnalités dédiées.

N'hésitez pas à nous contacter pour plus de renseignements.

Exemple de simplification du maillage de la zone de filetage, permettant un gain en temps de calcul sans perte de précision.