Influence de la précharge sur la tenue statique et fatigue des assemblages boulonnés

Taha Benhaddou

Résumé

Axial preload is a fundamental parameter that needs to be correctly mastered in order to ensure the mechanical strength of bolted joints. In the case of bolted shear joints under fatigue solicitations, a low preload does not allow to exploit the load carrying capacity of the friction interfaces. A high preload is undesirable as it can generate fretting fatigue phenomena or excessive under head contact pressure that may lead to decrease fatigue lives of aeronautical joints and structures. Controlled preload application generates and maintains equilibrium of load transfer mechanisms, inducing a full use of their potential and leading to an optimal fatigue life of the joint. This study focuses on aeronautical preloaded joints with the objective of understanding the effects of controlled preload over the mechanics of shear joints and exploiting the contribution of preload to enhance their fatigue lives. For this purpose, a hybrid approach has been adopted to demonstrate the beneficial effect of controlled preload. Numerical modelling has been carried out to better understand the preload influence but also to predict the mechanical strength of bolted joints. The experimental database has been generated using exclusively alternative tightening techniques, in order to reduce the scatter on final preload and therefore evaluate the effect of controlled preload in a more accurate way. The fatigue strength of bolted shear joints has been significantly improved for most of tested configurations due to the application of accurate axial preload. The effects of many other parameters, as the nature of interface, the stiffness of fasteners or the radial adjustment has also been assessed and permits to identify an additional potential optimization of bolted joints.

La maîtrise de la pré-tension revêt d’une grande importance pour garantir la tenue mécanique des assemblages boulonnés, et ce quel que soit le mode de sollicitations auquel ils sont soumis. En particulier, pour les chargements transverses et sous sollicitations de fatigue, un niveau de pré-tension insuffisant ne permet pas d’exploiter la capacité de transfert d’effort des interfaces entre pièces assemblées. Un niveau de pré-tension très important n’est pas souhaitable non plus, car cela génère des phénomènes de fatigue de contact ou de matage excessif sous tête qui ont un effet néfaste sur la durée de vie des assemblages et des structures aéronautiques. Le serrage contrôlé des fixations permet ainsi de produire et de maintenir un équilibre entre les modes de transfert d’effort, permettant ainsi d’exploiter pleinement leur potentiel et obtenir une tenue optimale de l’assemblage. L’objectif de ce travail est d’apporter une contribution à la compréhension et à l’exploitation des assemblages boulonnés à serrage contrôlé. Une approche hybride a été adoptée afin de démontrer l’effet bénéfique d’une pré-tension contrôlée. La modélisation numérique a permis de comprendre les mécanismes de transfert d’effort et de prédire la tenue mécanique des assemblages aéronautiques de façon satisfaisante. La démarche expérimentale a été exclusivement basée sur des techniques dites de serrages alternatifs. L’objectif est d’avoir une faible incertitude sur la valeur de la précontrainte installée, permettant d’évaluer la performance mécanique des assemblages boulonnés. La tenue en fatigue des assemblages boulonnés, travaillant en matage-cisaillement, est largement améliorée grâce à l’application d’une précontrainte précise. La maîtrise des paramètres intrinsèques au maintien de la force axiale de serrage tel que la nature de l’interface entre pièces assemblées, la rigidité des fixations et la nature de l’ajustement, permet également d’esquisser un potentiel d’optimisation non négligeable des assemblages boulonnés.