Fatigue behaviour analysis of bolted joints
Analyse du comportement en fatigue d'assemblages boulonnés
Résumé
The structural integrity of mechanical components and their assemblies is a major design purpose. The applications may concern the aeronautics, the automobile, the railway as well as structures such as bridges or masts subjected to cyclic loads or to variable amplitude stress states. This leads the design engineer to take into account various phenomena, including fatigue, a dominant factor that may lead, under dynamic stress, to the failure of structures or parts of them. The mechanical components are generally subjected in service to multiaxial stress states. Taking into account the triaxiality of stress states requires the use of multiaxial fatigue criteria. They are suitable tools for assessing the material fatigue resistance against periodical stress states, especially when they are multiaxial. A fatigue post-processing tool is developed and implemented under Matlab software to assess on the one hand, the damage level at the fixed endurance limit of the material (2.106 cycles) and, on the other hand, the fatigue life up to crack initiation from an iterative fatigue calculation process. The two multiaxial fatiguecriteria used are Dang Van criterion (critical plane approach) and Zenner criterion (integral approach). Then, the fatigue post-processing tool is validated by fatigue test results from the bibliography. These fatigue tests are performed on M10 bolts of 8.8 quality class. The results are compared with those obtained from existing standards (Eurocode 3 and VDI 2230). The two multiaxial fatigue criteria used inthis work are compared and validated from the database of multiaxial tests found in the literature. Bolted or welded assemblies are singular areas in the structures. In order to better understand the fatiguebehavior of the bolt in an assembly, a tee-stub in which the bolt can be pre-stressed by clamping is modeled by finite elements under Salome-meca software. The preload is modeled numerically by imposing a relative axial displacement between the nodes of the nut and those of the rod of the screw. The FB axial force and the MB bending moment obtained in the screw with the numerical model of the tee-stub is validated by analytical solutions on the one hand and by experimental results (static tension tests on a tee-stub) on the other hand. A parametric study is conducted to analyze the fatigue influences of the bolt preload, its diameter, its location with respect to the tee-stub soul and the flange thickness. The analysis first focused on the bolt damage level, then on its fatigue life using the multiaxial fatigue post-processing tool built as part of this work. Numerical simulations of damage and fatigue life show a different behavior of the two multiaxial fatigue approaches to take into account the effect of a significanttightening. Experimental tests run on a tee-stub were also conducted to validate the numerical model with respect to the FB axial force and the MB bending moment.
L’intégrité structurelle des composants mécaniques et de leurs assemblages est un objectif majeur de conception. Les applications peuvent concerner l’aéronautique, l’automobile, le ferroviaire ainsi que les ouvrages tels que les ponts ou encore des mâts soumis à des sollicitations cycliques ou à amplitude variable. Cela amène l’ingénieur de conception à prendre en compte différents phénomènes dont celui de la fatigue, facteur dominant pouvant conduire, sous sollicitation dynamique, à la défaillance des structures ou de certaines pièces les constituant. Un outil de post-traitement a, d’une part, été développé et implémenté sous Matlab pour évaluer le niveau d’endommagement à la limite d’endurance fixée du matériau (2.106 cycles) et, d’autre part, une démarche itérative a été proposée pour le calcul de durée de vie en fatigue. Les deux critères multiaxiaux de fatigue utilisés sont le critère de Dang Van (approche de type plan critique) et celui de Zenner (approche intégrale). L’outil de post-traitement est validé par des résultats d’essais de fatigue issus de la bibliographie. Ces essais de fatigue sont réalisés sur des boulons M10 de classe de qualité 8.8. Les résultats établis sont comparés avec ceux obtenus à partir des normes existantes (Eurocode 3 et VDI 2230 notamment). Les deux critères multiaxiaux de fatigue retenus dans le cadre de ce travail sont confrontés à la banque de données des essais multiaxiaux qu’on trouve dans lalittérature. Les assemblages, boulonnés ou soudés, constituent des zones singulières dans les structures. Dans le butde mieux comprendre le comportement en fatigue du boulon dans un assemblage, un tronçon en té boulonné dans lequel le boulon peut être précontraint par serrage est modélisé par éléments finis sous le logiciel Salomé-méca. La précharge est modélisée numériquement en imposant un déplacement axial relatif entre les noeuds de l’écrou et ceux de la tige de la vis. L’effort axial FB et le moment fléchissant MB obtenus dans la vis avec le modèle numérique du tronçon en té sont validés par des solutions analytiques et des analyses expérimentales (essais de traction statique sur tronçon en té). Une étude paramétrique est menée pour analyser les influences en fatigue de la précharge dans le boulon, du diamètre de celui-ci, de son excentration par rapport à l’âme du tronçon en té et de l’épaisseur de la semelle. L’analyse s’est intéressée d’abord au niveau d’endommagement du boulon, puis à sa durée de vie en fatigue multiaxiale en utilisant l’outil de post-traitement construit dans le cadre du présent travail. Les simulations numériques de l’endommagement et de la durée de vie en fatigue montrent un comportement différent des deux approches utilisées de la fatigue multiaxiale pour la prise en compte de l’effet d’un pré-serrage important. Enfin, une campagne d’essais expérimentaux sur des tronçons en té a également été menée pour la validation du modèle numérique par rapport à l’effort axialFB et au moment de flexion MB dans le boulon.
Origine : Version validée par le jury (STAR)