Academic literature on the topic 'Assemblages à boulons – Design'

Cette étude est faite dans le but de comprendre comment un assemblage boulonné se desserre ou se dévisse sous des sollicitations dynamiques. Dans un premier temps, nous avons réalisé une étude bibliographique portant sur les différents modes de sollicitations, axiales, transversales ou en rotation, ainsi que sur les normes. Nous avons ensuite abordé une étude expérimentale du dévissage spontané, sous sollicitations axiales. Nous avons défini, calculé et optimisé un premier montage expérimental travaillant en résonance. Nous avons réalisé ensuite un deuxième montage utilisant une masse inertielle, qui nous a permis d'observer les vissages et dévissages spontanés. Nous avons aussi mené des essais sous sollicitations transversales. Des mesures précises nous ont permis de déterminer des seuils de déplacement de la pièce serrée, à partir desquels le dévissage survient de façon certaine. Nous avons obtenu aussi un seuil de glissement de la tête de vis sur son appui et un seuil de glissement de la partie filetée dans son taraudage, sensiblement indépendants du niveau de précharge. Nous avons enfin modélisé le dévissage spontané, en premier temps analytiquement pour une vis courte ensuite par éléments finis pour une vis longue, et nous avons proposé un critère du dévissage spontané des vis courtes<br>This study is made with the aim of including how a bolted assembly loosens spontaneously under dynamic loadings. In a first time, we made a bibliographical study covering the various methods of loading, axial, transverse or in rotation, as well on the standards. We then approached an experimental study of spontaneous unscrewing under axial loadings. We defined, calculated and optimised a first experimental assembly working in resonance. We carried out then a second assembly using an inertial mass, which enabled us to observe spontaneous screwings and unscrewings. We also carried out tests under transverse loadings. Precise measures enabled us to determine thresholds of displacement of the clamped part from which unscrewing certainly occurs. We also obtained a threshold of slip of the screw head on its bearing surface, and a slip threshold of the threading, appreciably independent of the preload level. We modelled finally spontaneous unscrewing in first time analytically for a short screw then by finite elements for a long screw, and we proposed a criterion of the spontaneous unscrewing of the short screws

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<br>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

La conception des structures assemblées nécessite de disposer d'outils de simulation prédictifs permettant de minimiser les écarts entre les comportements réel et simulé de ces structures. Et ce, d'autant plus que les exigences en terme de performance du système sont élevées et qu'une conception optimale est recherchée. Lors du dimensionnement des structures assemblées, la pratique généralement adoptée en bureau d'étude consiste à définir un coefficient de sécurité permettant de tenir compte de la variabilité du comportement réel de ces structures. L'inconvénient est de conduire nécessairement à un surdimensionnement qui peut aller à l'encontre des objectifs de dimensionnement optimal de ces structures. Les liaisons sont le siège de phénomènes non-linéaires tels que le contact ou le frottement et différentes sources d'incertitude induisent une variabilité sur les caractéristiques dynamiques réelles des liaisons. Malgré les capacités des calculateurs actuels, la prise en compte conjointe des phénomènes non linéaires et des incertitudes lors de la simulation de structures assemblées complexes reste difficilement envisageable par une approche directe. L'objectif de ce travail est de proposer une approche pragmatique de caractérisation du comportement vibratoire des structures légères assemblées en tenant compte de la variabilité des paramètres des liaisons. L'intérêt de cette approche est de pouvoir être intégrée dans une phase de dimensionnement robuste. On peut ainsi envisager de dimensionner une solution d'amortissement des vibrations d'une structure assemblée en tenant compte de la variabilité du comportement réel des liaisons de cette structure. Ce travail étudie d'abord le comportement dynamique d'une structure légère réelle afin d'identifier un modèle nominal «juste suffisant» des liaisons considérées. Une approche non intrusive de caractérisation du comportement vibratoire d'une structure en présence de paramètres incertains est ensuite proposée. Cette approche, intitulée approche SMR (pour Stochastic Model Reduction), exploite le fait que la variabilité des vecteurs propres d'une structure est généralement d'un ordre de grandeur inférieur à la variabilité des fréquences propres associées ce qui permet de réduire considérablement le coût de calcul de l'approche tout en gardant une bonne précision sur l'estimation des fréquences propres aléatoires de la structure. Le principe de l'approche est alors d'adapter la modélisation stochastique à chaque fréquence propre aléatoire en fonction d'une exigence de précision globale sur l'ensemble des fréquences propres aléatoires recherchées. Le point clé de cette approche consiste à identifier le modèle stochastique adapté à chaque configuration de fréquence propre, pour cela un indicateur sans coût de calcul supplémentaire est proposé. Finalement, un modèle stochastique des liaisons de la structure considérée est proposé et l'approche SMR est utilisée dans un processus d'optimisation basé sur le principe du maximum de vraisemblance pour identifier les paramètres de ce modèle. Cette dernière étape de la démarche proposée permet alors de caractériser le comportement vibratoire de structures assemblées constituées de nombreuses liaisons en tenant compte de la variabilité du comportement de chacune des liaisons. La démarche mise en place dans le cadre de cette thèse est alors concrétisée par la proposition d'une stratégie originale de réduction robuste des vibrations d'une structure assemblée légère<br>Predictive models are needed to properly design assembled structures. The main issue with this kind of structure is to deal with non-linear phenomena as contact or friction while considering sources of uncertainties mainly responsible for the deviation between the effective behavior of the structure and results from deterministic simulations. This work aims to provide a pragmatic approach to characterize the vibrational behavior of light assembled structures considering the variability of parameters of the joints. This approach would be useful for robust design of solutions, such as solutions for damping vibrations, dedicated to assembled structures and taking into account the variability of the real behavior of each joint.In this work, the dynamical behavior of an actual light structure is studied in order to identify a "just sufficient" nominal model of the considered joints. A non intrusive approach is then proposed to reduce the vibrational stochastic model of a structure with random parameters is then proposed. This approach, referred as the SMR approach (for Stochastic Model Reduction approach), takes advantage of the order of variability of random eigenvectors which is usually lower than the variability of corresponding random eigenfrequencies. It then allows to significantly reduce the computational cost for a given accuracy to estimate the structure random eigenfrequencies. The cornerstone of this approach is to adapt the stochastic modeling to each random eigenfrequency depending on a global accuracy requirement on the whole set of sought random eigenfrequency. The key point is then to identify the stochastic model used for each configuration of random eigenfrequency. A computationally free indicator is then proposed. Finally, a stochastic mechanical model of the joints of the studied structure is proposed. The SMR approach is used in an optimization process based on the maximum likelihood principle to identify the parameters of this stochastic model. This last step allows to characterize the vibrational behavior of assembled structures involving many joints taking into account the variability of each joints. This work is then concluded by applying the proposed approach to the design of an original strategy for robust reduction of vibration of light structures

L'objectif de cette these est de disposer de modeles de calcul precis, permettant d'evaluer les supplements d'effort et de moment de flexion dans la vis, lorsque les assemblages sont soumis a des sollicitations exterieures d'intensite variable. Pour cela: nous avons mis au point un modele de simulation par elements finis parametre prenant en compte les conditions de contact a l'interface entre les deux pieces, que nous avons valide experimentalement. Cette technique nous a permis de simuler un grand nombre d'assemblages de geometries differentes, soumis a trois valeurs de precontrainte. Nous avons ameliore le modele poutre non lineaire, en proposant une expression adimensionnelle du parametre liant les raideurs locales et permettant d'obtenir des resultats tout a fait remarquables pour le supplement d'effort dans la vis, pour un assemblage avec une longueur de la zone d'appui superieure ou egale a l'epaisseur de la piece. Dans le cas ou cette condition n'est pas respectee nous avons propose une correction simple qui donne des resultats qui peuvent etre consideres comme satisfaisants. Nous avons pris en compte la longueur de talon dans un nouveau modele nomme poutre sur appuis elastiques qui calcule la raideur de contact en fonction de la dimension de la zone d'appui theorique. Ce modele donne de bons resultats dans toutes les configurations geometriques, y compris pour des excentrations faibles de la charge. Enfin, nous avons applique ces resultats au cas des brides cylindriques chargees axialement, en generalisant les conditions d'introduction de l'effort exterieur en fonction de la rigidite de la piece assemblee avec la bride. La comparaison avec les simulations en elements finis et avec l'experimentation est tout a fait satisfaisante

Cette these traite de l'etude du comportement des fixations de roulements de tres grand diametre et de la mise au point d'un modele simplifie permettant un calcul precis et rapide des vis de fixation. Dans la premiere partie, le probleme est situe dans le contexte industriel de l'utilisation de ces roulements et la notion essentielle de chargement equivalent qui permet de justifier le passage du modele complet au modele axisymetrique equivalent est introduite. Une etude par elements finis tridimensionnels des fixations de trois types de roulements, dans l'hypothese de pieces-support indeformables, montre qu'on peut les classer en deux categories : roulements a billes ou a rouleaux croises au comportement non-lineaire complexe et roulements a trois rangees de rouleaux au comportement plus proche d'une bride cylindrique classique, mais pour lesquels les supplements de contraintes dues au moment de flexion sont superieurs a ceux dus aux variations d'efforts axiaux. Pour traiter ces differents cas, nous avons developpe un modele numerique dont la partie originale est un element hybride, qui permet de prendre en compte avec precision, les raideurs axiales de la liaison boulonnee et leur repartition, la raideur en flexion de l'anneau ainsi que la composante radiale de chargement. Cette modelisation ne necessite qu'un seul calage par categorie de roulement et donne des resultats suffisamment precis pour un dimensionnement en fatigue de la vis. Une etude parametrique par elements finis 3d montre alors l'influence de la forme et des dimensions de la piece-support sur le comportement de la liaison roulement-bati. Enfin, les comparaisons entre les resultats obtenus lors des essais experimentaux et ceux obtenus par le modele numerique hybride permettent de considerer le modele developpe, comme tout a fait satisfaisant.

La première partie concerne les structures liées entre elles en plusieurs points. La simulation de l'assemblage est obtenue avec une technique mixte de mobilités ponctuelles· calculées et/ou mesurées. Elle a l'avantage de prendre en considération des structures de forme quelconque (mesure) et de permettre des études paramétriques notamment sur les couplages dissipatifs. La méthodologie de mesure des mobilités est particulièrement détaillée. La correction de masse due aux capteurs est indispensable. L'étude des incertitudes sur la valeur de la mobilité corrigée conduit à une définition objective et originale du domaine de validité de la mesure. Une application industrielle est réalisée. La deuxième partie concerne la modélisation des couplages surfaciques entre un système support et des systèmes rapportés. L'objectif est de calculer une mobilité surfacique moyenne en entrée et en transfert. Cette mobilité surfacique moyenne permet de remplacer les surfaces de liaison par des points équivalents. La modélisation des systèmes rapportés est originale, elle utilise une base modale a priori. Cette base est constituée en mixant des fréquences mesurées et des formes propres de plaque libre libre. Pour le système support quatre modèles de phase pour le transfert de point à point sont étudiés. Comparés à l'expérience, le modèle que l'on peut qualifier de propagateur à réaction localisée est suffisante pour calculer la mobilité d'entrée. En transfert, les modèles de phase propagatrice et aléatoire sont corrects et équivalents<br>In the first part, the point coupling systems are introduced. The simulation of coupled structures is made with calculated and/or measured mobilities. Structures of any shape may be considered, and parametric studies are done with an analytic model, especially for dissipative coupling. The methodology of measurement is discussed and the mass correction due to the traducers is introduced. The uncertainty calculation on these corrected mobilities leads to an objective and original definition valid for the frequency range of measurement. An application to an industrial case is given. In the second part, the surface coupling between one support plate and several surface-supported plates is presented. The objective is to calculate the mean surface mobilities. These mean surface mobilities allow one to replace the coupling area by an equivalent point. For the surface supported-plates, an priori basis is defined with measured modal frequencies and free-free plate mode shapes. For the support plate, four models of the phase transfer mobilities are studied. Comparison with experiment show that the model defined as « propagative with localised reaction » is sufficient to calculate the point equivalent mobility. However, the propagative and the random phase models have been found to give a good prediction of the transfer mobilities

La problématique abordée dans ces travaux de thèse est l’influence de l’interaction entre lesfixations et le composite sur la tenue des assemblages boulonnés composites. Le passage desefforts d’assemblages dans le composite par les boulons engendre des dégradations localesconduisant à des modes de rupture variés du composite en fonction des principaux paramètresde conception. L’objectif de cette thèse est d’identifier la complexité de modélisation nécessairepour traduire l’effet de ces paramètres de conception sur l’apparition des différents modes derupture des matériaux composites et leur conséquence sur le dimensionnement desassemblages boulonnés. Cette thèse repose sur l’étude d’une importante base de donnéesexpérimentale de résultats d’essais sur assemblages en simple et double cisaillement fournieDassault Aviation à laquelle s’ajoute des essais multi-instrumentés menés au laboratoire. Cetteétude permet d’une part d’identifier les paramètres les plus influents sur les modes de rupturedes assemblages boulonnés composite et d’autre part d’identifier les dégradations entrainant lesmodes de ruptures observées. Ces résultats expérimentaux servent également de base decomparaison pour la validation des modèles éléments finis développés. Ces modèles sont mis aupoint dans un souci de complexité croissante. Cette complexité se décompose en un aspectgéométrique, c’est-à-dire l’étude de la modélisation des différentes pièces en jeu, et en un aspectmatériel avec l’étude du comportement matériau de ces pièces. L’analyse des modèles élémentsfinis linéaires basés sur des cinématiques de membrane et des plaques révèle la limite del’utilisation de critères de rupture au premier pli pour les assemblages boulonnés. Cesmodélisations sont alors enrichies avec une loi de comportement endommageable du composited’une part. Cela permet de mettre en place des scénarios d’endommagement du matériau et deréaliser des corrélations essais/calculs. D’autre part, un modèle volumique est développé pourévaluer l’apport de cette modélisation avec notamment une meilleure représentation desinteractions entre les substrats<br>The problematic studied in this thesis is the influence of the interaction between fixations andcomposite on the bolted joint behavior. Stresses are crossing the joint thanks to the bolt. Thiscreates local degradations and results in various failing modes depending on conceptionparameters. The goal of this thesis is to identify the needed complexity to explain the effect ofthese conception parameters on the various composite failing modes apparition and theirconsequences on bolted joints dimensioning. This study is based on the analysis of an importantexperimental database on composite single and double lap bolted joints provided by the industrialpartner and on multi-instrumented tests lead in the laboratory. It permits identifying the mostinfluent parameters on the failure modes of composite bolted joints. Moreover the degradations ofthe composite material are studied in order to establish damaging scenarios. These experimentalresults are compared to finite element models to validate their robustness. These finite elementmodels are developed with a growing complexity. This complexity is decomposed in two aspects:the geometrical modeling of the different parts and the material behavior. The analysis of linearfinite element model based on membrane and shell cinematic underlines the limit of using failurecriteria to study the failure of composite bolted joints. Thus these models are enhanced with thenonlinear behavior of the composite material thanks to a continuous damaging law. It permitsestablishing damaging scenarios and to compare them with experimental results. Finally avolume model is developed to ensure a better representation of the parts interaction and evaluatethis contribution on the study

Les bâtiments actuels faits de pièces en béton préfabriqué utilisent généralement des assemblages qui n’offrent que peu ou pas de continuité à la structure. Il en résulte une sous utilisation importante des matériaux par rapport à une même structure se comportant de façon monolithique. Plusieurs études portant sur des assemblages rigides, soudés ou assemblés par post-tension, ont déjà été réalisées. Bien que structuralement viable, aucun de ces modèles ne s'est avéré capable de répondre pleinement aux besoins de l'industrie. Les tolérances de construction trop serrées et la complexité de réalisation ont souvent posé problème. Les travaux présentés ici portent donc sur le développement d'un assemblage rigide boulonné, utilisable à grande échelle, destiné à l'industrie du bâtiment multiétagé en béton préfabriqué. L'étude entreprise comporte deux phases, soit la conception du système structural et la détermination de la rigidité des assemblages. Les résultats obtenus sont utilisés afin de comparer le nouveau concept aux charpentes actuelles. La démarche d’analyse s’appuie sur le logiciel VisualDesign pour élaborer la structure du bâtiment, et sur le logiciel d’analyse par éléments finis ANSYS pour la caractérisation du comportement des assemblages. Les efforts de recherche ont été orientés de manière à établir la faisabilité du modèle, afin de permettre le développement futur de projets de recherche en partenariat avec l’industrie.<br>To this day, the connections of precast concrete buildings offer little or no continuity to the structure. Consequently, when compared to monolithic structures, the material is clearly not used to its full capacity. Studies on rigid connections, welded or assembled by post tension, have been carried out by a few investigators. Although structurally valid, none of the proposed connections proved able to meet the needs of the construction industry, due to stringent erection tolerances and complexity of assembly. The work presented here concerns the development of a bolted rigid connection system likely to be used on a large scale by the precast concrete construction industry. The study is separated in two parts. The first is concerned with the development and tuning of the new structural system while the second one deals with the determination of the rigidity of the proposed connection. The connection behaviour is then used to compare the amount of material used in the new system and the actual precast system. The software Visual Design was used to analyse the building structure, and the finite element software ANSYS to determine the characteristic behaviour of the new connection. The intent of the research is to establish the feasibility of the proposed model, so that future research and development efforts can be carried out in partnership with the precast industry.