Vis Instrumentées et Ultrasons - Serrage des structures composites

Depuis plus de dix ans, la société INTELLIFAST GmbH développe des systèmes de mesure de la tension de serrage permettant de maitriser les forces appliquées dans les assemblages vissés. Cet article propose un exemple de mise en œuvre de leur technologie de vis instrumentée dans le domaine des assemblages en composite. En effet, bien plus que dans d’autres domaines, la maitrise du serrage de pièces en composite nécessite de gérer d’une manière plus précise la tension appliquée sous peine de dégradation de la structure.

Les matériaux composites quels qu'ils soient ont pris de l'ampleur ces dernières décennies, poussés par leur utilisation massive dans certaines indutries telles que l'aéronautique et l'automobile pour ne citer qu'elles. Au-delà de l'indéniable qualité des composites à pouvoir réduire le poids de pièces et des structures, il a bien sûr fallu faire face à des problématiques de tenue globale et locale en fonction des cycles de vie: production, assemblage, utilisation client et maintenance.

Nous allons aborder dans cet article le cas de la tenue locale du composite au moment de l’assemblage par serrage en regardant les contraintes auxquelles il peut être soumis. Nous aborderons aussi le sujet sous un l’angle de la simulation numérique. Enfin, nous montrerons comment la technologie proposée par INTELLIFAST peut aider à maitriser le serrage des composites.

 

Connaissant la faible tenue en compression ainsi que la difficulté de réparer un composite endommagé par un serrage trop élevé, les objectifs lors de l’assemblage sont d’obtenir un minimum de compression à l’interface de serrage, d’installer la tension souhaitée dans les vis par, en général, l’application d’un couple, et enfin d’avoir une faible pré-tension sur le boulon afin qu’il puisse garder une forte résistance en cisaillement.

Pour un assemblage vissé, le principe fondamental est d’installer une tension dans le boulon qui va permettre de maintenir ensemble deux éléments ou plus. L’application de cette tension par l’intermédiaire d’un couple impacte la dispersion sur cette tension de serrage en majeure partie à cause des frottements sous tête et dans les filets. 

Afin de garantir un contrôle optimum sur la tension, AMG Intellifast propose une solution de vis instrumentées couplées à une mesure par ultrasons. 

Vis Instrumentées

Le principe de cette technologie est de déposer un capteur permanent sur les vis afin de pouvoir réaliser des mesures à tout moment, aussi bien avec des outils de serrage en production que dans la vie courante d’utilisation. 

Ces capteurs sont utilisés pour générer une onde ultrasonore dont on va mesurer le temps de parcours. Ce temps est impacté par les contraintes internes et l'élongation. Suite à un étalonnage, il sera possible de mesurer directement la tension de serrage.

Les résultas des calculs que nous allons exposer dans ce qui suit vont illustrer d'une part la dispersion que l'on peut avoir sur l'effort lorsqu'on serre au couple en comparaison avec le serrage à la tension, et d'autre part, les différents niveaux de contraintes et de pression engendrés par les serrages.

Le modèle généré par la société GCT qui a mené les calculs est un 3D représentant un assemblage composite typique : 2 plaques composites serrées par une vis en titane de diamètre 6,35mm.

Un matériau 3D ortho tropique est utilisé pour définir les plaques et la vis. Les propriétés pour chaque plaque sont définies couche par couche en tenant compte de l’orientation de chacune d’entre-elles. Concernant la vis, les mêmes propriétés mécaniques sont implémentées dans les trois directions normales. L’impact de la température n’est pris en compte que sur la direction Z par l’application d’un coefficient de dilatation non-nul.

Le calcul analytique de départ donnant la relation entre la tension et le couple est basé sur une équation de Gustav Niemann issu de « Machinen – elemente »

  • P = tension dans le boulon (N)
  • T = Couple (Nm)
  • Pr = pas de la vis (1mm)
  • d2 = diamètre de la vis (6,35mm)
  • da = moyenne des diamètres de la tête et du corps de la vis
  • Da = diameter de la tête de vis (11,2mm)
  • Di = diamètre du corps de la vis (6,35mm)
  • μ' et μa = coefficient de frottement dans les filets et sous tête compris entre 0,08 et 0,21

Les frottements sous tête et dans les filets ont été considérés comme équivalents. Pour un couple nominal de 2147Nm, le calcul de la tension a été réalisé avec 2 cas de frottements extrêmes (0,08 et 0,21) et la valeur nominale de 2018N représente la moyenne des 2 efforts résultants du calcul. Il en résulte une dispersion sur l’effort d’environ ±40%. Si l’on compare à la dispersion moyenne que l’on peut obtenir avec la technologie INTELLIFAST, c’est-à-dire ±5%, on obtient le tableau de résultats suivant. (Figure 4. Résultats des calculs analytiques).

Ces valeurs vont être les données d’entrée dans le modèle EF décrit ci-avant afin de calculer les niveaux de pression et de contraintes surfaciques et volumiques.

Les premiers résultats des calculs EF concernent les contraintes en surface sur la couche supérieure dans la zone autour du trou de vis. Ils montrent un très net écart entre les valeurs minimum et maximum lorsqu’on serre l’assemblage au couple. Par rapport à l’état nominal où le calcul donne une valeur de -3,93.103, la valeur de contrainte minimum est à -2,39.103 et la valeur maximum est de -5,46.103. Cet écart est en lien avec la dispersion sur l’effort issu du calcul analytique puisque l’on retrouve -40% sur le minimum et +39% sur le maximum.  Le constat est le même pour le calcul avec les valeurs de serrage à la tension puisque le minimum est à -5% du nominal et la valeur maximum à +6%.

Les calculs de pression surfacique montrent également que les écarts sont plus importants dans le cas d’un serrage contrôlé par le couple: ci-dessous l'impact comparé du serrage au couple ou à la tension sur les contraintes en surface.

La seconde partie des calculs concerne toujours la zone autour du trou de la vis mais plutôt d’un point de vue volumique. La coupe pour visualiser l’étendue des contraintes ainsi que la répartition des niveaux permet de voir où se situe la valeur maximum de contrainte. Nous constatons à nouveau que des écarts sont importants sur les niveaux de contraintes entre les valeurs minimum et maximum lorsqu’on serre l’assemblage au couple car on génère des efforts maximum qui sont à plus du double de la valeur minimum. Dans le cas d’une gestion du serrage à la tension, l’écart Maxi/Mini n’est plus que de 1,1. Au-delà de ces valeurs, les calculs montrent également que si l’on serre la vis en contrôlant la tension, la répartition volumique des contraintes varie beaucoup moins et permet donc de ne pas soumettre le composite à de trop grandes variations de contrainte interne à la fois sous la tête de vis mais également sur toute l’épaisseur de la plaque. Ci-dessous l'impact comparé du serrage au couple ou à la tension sur les contraintes dans l’épaisseur de la plaque composite.

Concernant les pressions, la répartition des niveaux et points maximum est différente mais le constat final reste le même sur l’écart entre le serrage maximum et minimum.

La conclusion qui a été tirée de ces calculs est la suivante : dans le but de serrer les plaques composites avec un minimum d’effort afin d’assurer leur maintien tout en évitant d’engendrer des contraintes qui endommageraient le composite, il faudrait se placer dans les conditions de serrage où la tension d’assemblage serait minimum, soit 1229N dans le tableau précédent. Si l’on considère ce Pmin obtenu avec le serrage au couple comme étant le Pmin obtenu avec le contrôle à la tension, on pourrait placer le Pmax à environ 10% au-dessus. Auquel cas, il serait envisageable de réduire le diamètre du boulon puisqu’il apparait surdimensionné. Dans le même temps, le trou dans les plaques de composite serait réduit entrainant sans doute une meilleure tenue mécanique dans le temps par rapport aux sollicitations en compression et cisaillement.

 

La réalisation du serrage en contrôlant la tension au lieu du couple est facilitée par les outils que propose INTELLIFAST. En effet, en complément des vis instrumentées, l’utilisation d’une clé dynamométrique équipée d’une pinoche de contact permet d’activer le capteur disposé sur la vis en même temps que l’on effectue le serrage. La clé connectée au système de mesure renvoit les informations Couple/Angle/Tension de serrage.

On obtient donc pendant le processus d’assemblage trois mesures simultanées : couple, angle et tension de serrage par ultrasons. Ce procédé peut dans un premier temps permettre au concepteur en bureau d’études de vérifier la relation entre le couple appliqué et l’effort réellement installé dans la vis. Cet outillage est également intéressant pour l’opérateur en phase de production.

Enfin, en cours de vie du produit, un opérateur de maintenance utilise le système pour contrôler périodiquement la tension de serrage de manière préventive. En complément du capteur, il existe la possibilité d’ajouter un code datamatrix pour assurer une meilleure traçabilité de vos assemblages et des mesures que vous réalisez. De plus, la tenue face aux agressions physico-chimiques des capteurs, validée par le TÜV vis-à-vis du brouillard salin et de la température,  donne la possibilité de réaliser des mesures sur des cycles de vie très longs.

Pour des applications plus orientées « conception », certains systèmes multivoies de chez INTELLIFAST sont capables de suivre en temps réel et en simultanée l’évolution statique ou dynamique (jusqu’à 1000Hz) de la tension dans plusieurs boulons.

 

En conclusion, nous avons vu que, au travers des calculs, la technologie INTELLIFAST permettait de prendre des hypothèses d’effort d’assemblage moins dispersés que si l’on se plaçait dans un processus de serrage classique au couple. Ainsi il est possible de gérer les efforts aux interfaces et dans les boulons de manière plus précise :

  • en fixant d’abord un effort de serrage minimum permettant à l’assemblage de ne pas être endommagé par des contraintes trop élevés
  • en appliquant ensuite une dispersion théorique voire mesurée en lien avec la technologie INTELLIFAST pour positionner la valeur de tension de serrage maximum (coefficient de sécurité)
  • en optimisant la taille des vis et du trou de fixation dans le matériau composite.

On atteint au final une compression minimum aux interfaces avec un serrage piloté à l’effort puisque la vis est pré chargée de manière légère et cela contribue à l’amélioration de la tenue en cisaillement.

Un autre effet bénéfique provient logiquement de la réduction de masse issue de la réduction de la taille de vis et par conséquent un gain possible sur les coûts.

Enfin, le système INTELLIFAST permet par sa facilité d’exploitation une réduction du temps d’assemblage, de maintenance et d’inspection.

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