Cette étude expérimentale et numérique

            traite de l’analyse du comportement et de la rupture d’un assemblage ponctuel (boulonné)

            soumis à un chargement statique de cisaillement. La technique de l’émission acoustique a

            été utilisée pour prédire la chronologie des différents mécanismes d’endommagement. Une

            mesure de champs de déformations par corrélation d’images a été mise en œuvre. Les cas

            étudiés ont été simulé par la technique des éléments finis 3D

DANG-HOANG, Thong

HERBELOT, Christophe

IMAD, Abdellatif

French

I-Revues

 
 
ETUDE DES MECANISMES DE RUPTURE D’UN 
ASSEMBLAGE BOULONNE 
 
T. DANG HOANG, C. HERBELOT, A. IMAD 
 
Université des Sciences et Technologies de Lille/Poytech’Lille, Laboratoire de Mécanique de Lille, CNRS 
UMR 8107, Cité Scientifique, Avenue Paul Langevin, 59653 Villeneuve d’Ascq, France. 
 
Résumé : 
 
Cette étude expérimentale et numérique traite de l’ana yse du comportement et de la rupture d’un assemblage 
ponctuel boulonné soumis à un chargement statique de cisaillement en simple recouvrement.  
Le nombre important et la diversité des paramètres liés au dimensionnement de la liaison à été réduit pour ne 
faire varier que la tension dans le boulon. La technique de l’émission acoustique couplée à la mesure de champs 
de déformations par corrélation d’images a été utilisée afin d’alimenter une banque de donnée qui permet de 
prédire la chronologie des différents mécanismes d’endommagement Les résultats de ces travaux 
expérimentaux alimentent une étude numérique. Les princi ales conclusions sont mises à jour et des 
perspectives proposées. 
 
Abstract : 
 
This experimental and numerical study deals with the analysis of the behavior and the failure of a bolted 
assembly under a static load in simple shear recovery. The large number and diversity of the design 
parameters of the link has been reduced to vary the number and tension in the bolt. The technique of ac ustic 
emission coupled to the measurement of deformation fields by image correlation was used to populate a 
database which can predict the timing of the different mechanisms of damage. The results of these experiments 
support a numerical study. The main findings are updated and perspectives offered. 
Mots clefs : assemblage boulonné, expérimental, simulation numérique, corrélation d’images, 
émission acoustique. 
 
 
1 Introduction 
 
D’une façon générale, les structures mécaniques sont constituées par des assemblages de composants pouvant 
être composés de matériaux homogènes et hétérogènes (soudage, collage, par fixation) mixtes ou hybrides [1]. 
Les structures boulonnées sont souvent utilisées dans différents domaines mécaniques : aéronautique, 
automobile, ferroviaire, maritime, structures de ponts, grues, etc.  
La tenue mécanique des assemblages par fixation (boulonnés, rivetés) constitue une préoccupation importante 
dans la phase de la conception des structures mécaniques dans un souci lié aux exigences importantes au niveau 
de la sécurité des installations industrielles. 
Cette étude expérimentale et numérique traite de la tén cité d’un assemblage boulonné soumis à un chargement 
statique de cisaillement en simple recouvrement. Plusieurs configurations d’assemblages sont étudiées en 
fonction du nombre de fixations mais les résultats d’une seule morphologie sont proposés dans cet article. 
Cet assemblage est constitué de deux tôles minces e Al 6082 T6, d’épaisseur deux millimètres reliées par un 
seul boulon. Un jeu fixe est accepté entre le fût du boulon et l’alésage de la plaque. Seuls les effets du couple 
de serrage sont analysés. Les mécanismes et la chronologie d’endommagement sont suivis à l’aide de la 
technique d’émission acoustique (E.A.) [2] couplée à la mesure des champs de déplacements et des 
déformations en utilisant une caméra par corrélation d’images digitales (C.I.D.). Des calculs numériques par 
éléments finis en 3D [3] ont permis une simulation du comportement mécanique de cet assemblage boulonné en 
utilisant une modélisation basée sur l’endommagement.  
 
 
2 Procédures expérimentales 
 
Des essais de traction monotone, réalisés sur des éprouvettes haltères usinées dans des tôles d’aluminiu  (sens 
long) série 6082T6 (vitesse de déplacement de la traverse : 1mm/min) permettent de caractériser le matériau de 
base. Les déplacements locaux ont été mesurés à l’aide d’un dispositif de vidéo-traction à partir de quatre 
marqueurs situés sur la partie centrale de l’éprouvette comme indiqué sur la Figure 1. Le comportement 
mécanique est du type puissance Ramberg-Osgood où . npkσ ε=  est utilisé. 
 
 
FIG. 1 – Equipement de vidéo traction , détails de l’éprouvette et caractéristiques matériau. 
 
Les dimensions des assemblages sont fixées selon la norme NAS 1312-4 où les distances du centre de l’alésage 
par rapport aux bords libres sont déterminées en fonction du diamètre nominal du boulon. Les effets de tension 
du corps du boulon ont été pris en compte : cinq valeurs du couple de serrage des écrous ont été retenues : 
2daN.m - 2,5 daN.m - 3daN.m  - 3,5 daN.m et 4da N.m. Pour éviter une plastification des plaques d’aluminium 
sous la tête de la vis et de la rondelle d’appui, la valeur maximale du couple retenue est fixée à 4daN.m.  
Un dispositif expérimental donné par la Figure 2 permet de déterminer la relation entre le couple de serrage 
appliqué sur l’écrou et la tension dans la vis. Ce résultat est proche de la relation empirique donné par 
Kellerman et Klein .SC K F=  où SC  est le couple de serrage et F la tension dans la vis Les fixations sont 
constituées de boulons en acier zingué (vis H ISO 4014-M8x20-4.8) et possèdent sensiblement une résistance à 
la traction Rm=400 MPa et une limite élastique Re=320 MPa. L’écrou ISO 4032-M8-8 et la rondelle d’appui 
ISO 7089-8-300HV possèdent une classe de qualité 8. 
La technique d’émission acoustique (A.E.) a été utilisée pour enregistrer les données de formes d’ondes par 
l’intermédiaire de quatre capteurs piezzo-électrique disposés comme indiqué sur la Figure 3. On retrouve s r 
cette figure les éléments importants de la chaîne d’acquisition, à savoir les capteurs, les pré-amplificateurs, la 
centrale  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
FIG. 2 – Evolution de la tension dans le corps du bo lon.. 
 
d’acquisition (4 voies) et le logiciel de traitement. La valeur de dépassement de seuil est fixée à 35 dB. Cette 
valeur est le résultat d’un certain nombre d’essais qu  prend en compte, entre autre, le bruit machine et l  bruit 
de fond. Tous les résultats post-traités ne subissent aucun filtrage (localisation ou autre). Une des 
caractéristiques, exploitée ici, est le nombre de coups (sans dimension) c’est à dire le nombre de fois où 
l’amplitude du signal dépasse la valeur de seuil. Cette caractéristique cumulée temporellement est en vis-à-vis 
E=69000 MPa 
σe= 260 MPa 
σmax= 366 MPa 
εlim élast= 
0,41% 
εrupture= 13,3% 
K=454,86 
n=0,1054 
 
de la paramétrique charge/déplacement sur la Figure 6. Un système de caméra de corrélation d’images digitales 
(C.I.D.) a été utilisé pour mesurer le champ des déplacements au voisinage des fixations.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
FIG. 3 – Système d’acquisition d’émission acoustique et schéma d’implantation des capteurs sur l’assemblage. 
 
Ces mesures permettent d’accéder au champ des déformati ns au cours de l’essai de traction de l’assemblage. 
Une image est prise par la caméra CID toute les deux s condes. Le traitement des images utilise la méthode 
intégrale (comparaison des images par rapport à la première image dite de référence) avec un pas de cinq 
images et une taille de fenêtre en double passe en 16X16 bits (recouvrement de 50%). Le masque (zone 
d’étude) est un rectangle délimité par les quatre capteurs auquel on a enlevé un disque centré sur la tête du 
boulon pour éviter de perturber le champ de déformation. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
FIG. 4 – Caméra de corrélation d’images digitales et définition du masque. 
 
On retrouve sur la partie gauche et droite de la Figure 4 une partie du système d’acquisition par corrélation 
d’images et de la définition du masque sur le mouchetis. Les résultats qui vont êtres exploités à partir de cette 
technique seront donnés sur la zone du masque pour le champ de déplacement et une zone notée A proche de la 
tête du boulon, mais sur la plaque (moyenne de deuxv cteurs déplacement de deux fenêtres contiguës de 16x16 
bits) pour la valeur de la déformation notée εy sur l’axe orienté y. 
Le dessin noté a) représente une partie en vue de face de l’assemblage avant la mise en traction. On remarque 
un jeu entre l’alésage de la plaque supérieure et lcorps du boulon. Au cours de l’essai (la flèche indique le 
sens de traction) le dessin noté b) montre qu’il y a eu déplacement relatif entre le boulon et la plaque mais aussi 
entre les plaques elles-mêmes. Le corps du boulon se retrouve maintenant en contact proche de la zone A. 
L’explication donnée pour la plaque supérieure est identique (au sens de déplacement près) pour la plaque 
inférieure. Le déplacement relatif des deux plaques vaut deux fois la différence entre le diamètre de l’alésage et 
de diamètre du corps du boulon. 
 
Le couplage de ces deux techniques E.A. et C.I.D. permet de prédire la chronologie des différents mécanismes 
d’endommagement. Cette démarche est décrite au paragraphe suivant. 
 
 
 
 
3 Résultats et discussions 
a)  
zone A zone A 
zone A 
y 
b)  
capteurs 
capteur 1 et 2      capteur 3 et 4 
capteurs 
 
 
On retrouve ces essais de traction pour une fixation sur la Figure 5. Ces essais ont été réalisés à l’aide d’une 
machine électrique +/- 30KN pour déterminer l’évolution de la charge globale en fonction du déplacement d  
l’assemblage. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
FIG. 5 – Charge/déplacement pour une fixation et plusieurs valeurs de couples avec détails de l’éprouvette. 
 
La courbe «charge-déplacement» donnée pour une valeur de couple de 4 daN.m présente une évolution typique 
de la chronologie de la rupture d’un assemblage boulonné sollicité en cisaillement. Les explications données 
pour cette valeur de couple de serrage sont identiques (aux valeurs près) pour les quatre autres courbes. Au 
cours de cette expérience, la technique de l’émission acoustique et celle de la corrélation d’images digitales 
sont exploitées simultanément. La Figure 6 met en évidence avec la technique de l’E.A. le nombre 
d’évènements cumulés au cours de cet essai. La Figure 7 met en évidence avec la technique de la C.I.D. la 
valeur de la déformation de la zone A sur deux figures pour dilater les échelles avec les champs de déplacement 
des points particuliers. 
Cette courbe met en évidence sept phases : 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
FIG. 6 – Coups cumulés et paramétrique charge/temps. 
0
2
4
6
8
10
12
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
Déplacement (mm)
C
ha
rg
e
 (
K
N
)
2daN.m
2,5daN.m
3daN.m
3,5daN.m
4 daN.m
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
0 60 120 180 240 300 360 420 480 540 600 656 716
Temps (s)
C
h
ar
g
e 
(k
N
)
0,0E+00
5,0E+03
1,0E+04
1,5E+04
2,0E+04
2,5E+04
3,0E+04
0
C
o
u
n
ts
 c
u
m
u
lé
s
Charge Counts cumulés
. 
. 
. 
. . . 
phase 1 
phase 2 
phase 3 
phase 4 
phase 5 phase 6 phase 7 
1 
2 
3 
4 5 6 
 
• Phase 1 : caractérise le comportement élastique du matériau, qui se présente par une partie linéaire dont 
la pente est similaire au module d’élasticité longitudinal des tôles d’aluminium. Cette phase est décrite 
par une activité silencieuse au niveau du signal fourni par la technique d’émission acoustique. De 
même, le suivi par la technique de corrélation d’images présente un champ élastique des déformations 
au voisinage de l’alésage. 
•  Phase 2 : il s’agit d’une phase qui caractérise à la fois un allongement et un déplacement relatif dû au 
glissement des tôles correspondant au jeu alésage/boulon. Cette phase est décrite par une forte activité 
de l’E.A. qui reflète le frottement entre les deux tôles mais aussi par les contacts entre les tôles et le 
boulon (tête et rondelle). La fin de cette zone (point 2) est marquée par un sursaut instantané au niveau 
des évènements cumulés. Les relevés donnés, dans la zone A par la technique de corrélation d’images, 
montrent une variation de la déformation caractérisée par un net changement de pente (point 1) suivi 
par une chute de la valeur de déformation en traction jusqu’à atteindre une valeur nulle en fin de zone 
(point 2) : ce point marque le début d’une zone de compression au voisinage de la zone A. 
• Phase 3 : cette phase est décrite par un comportement élastique de la structure qui est soumise à une 
traction avec une flexion secondaire. La pente de cette partie est différente de celle observée dans l 
phase 1 car il s’agit ici de la raideur de la structure. Les évènements cumulés enregistrés par la 
technique E.A. montrent bien la délimitation de cette zone. En effet, le point 3 est marqué par un saut 
qui caractérise le début de la plastification. De même l’évolution de la déformation de la zone A montre 
bien l’existence d’une zone comprimée où la valeur de la déformation atteint une valeur d’environ 
0,4% correspondante à la valeur élastique des déformation pour l’aluminium étudié. 
• Phase 4 : caractérise la plastification autour des alé ages des plaques et en particulier de la zone A. 
Entre les points 3 et 4 l’activité est soutenue et régulière en terme d’ E.A.. avec un saut particulier au 
point 4. 
Les relevés par la technique C.I.D. montrent une augmentation de la valeur de la déformation en 
compression qui dépasse les 2%. Le point 4 est marqué par un changement accéléré de la déformation : 
il est le point d’amorçage de la fissure. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
FIG. 7 – Déformation εy de la zone A avec la paramétrique charge/temps et détails des champs de déplacement. 
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
200 260 320 380 440 500 560 620
Temps (s)
C
h
ar
g
e 
(k
N
)
-18
-16
-14
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
200
D
éf
o
rm
at
io
n
 (
%
)
Charge Déformation
0
2
4
6
8
10
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Temps (s)
C
h
ar
g
e 
(k
N
)
-0,6
-0,4
-0,2
0
0,2
0
D
éf
o
rm
at
io
n
 (
%
)
Charge Déformation
3 
. 
. 
. 
1 
2 phase 1 
phase 2 
phase 3 
4 5 
. . . 6 
phase 4 
phase 5 
phase 6 
phase 7 
Point 1 
Point 2 
Point 3 
Point 5 
Point 6 
Point 4 
 
• Phase 5 : cette zone est la propagation stable de fissure décrite par une activité régulière et soutenue de 
l’E.A. avec un sursaut instantané en fin de zone au point 5. Les relevés par la technique C.I.D. montrent 
une augmentation régulière de la valeur de la déformation en compression. Le point 5 est le lieu où 
l’effort est maximum. 
• Phase 6 : elle correspond à une propagation instable de la fissure avec des sauts aléatoires en activité 
E.A.. A partir du point 5 l’effort de tension diminue car la section résistante des tôles diminue. Les 
relevés donnés par la technique C.I.D. montrent une variation de la déformation caractérisée par un 
changement de pente (point 5) suivi par une chute de la valeur de déformation en compression jusqu’à 
atteindre une valeur maximale en fin de zone au point 6. 
• Phase 7 : il s’agit de la rupture brutale de l’assemblage caractérisé par une activité exponentielle des 
évènements par la technique E.A. et une diminution de la déformation en compression de la zone A 
(point d’inflexion au point 6). 
La Figure 5 montre aussi que l’augmentation du couple de serrage se traduit par une augmentation de lavaleur 
de seuil du point 1 et une valeur sensiblement constante de la charge maximale (point 5). 
 
4 Simulation numérique et conclusion 
 
Les calculs [4] ont été réalisés par éléments finisvolumiques 3D hexagonaux à huit nœuds avec une gestion de 
sept zones de contact (plaque/plaque, plaque/rondelle, plaque/tête boulon, plaque/corps du boulon, 
rondelle/corps du boulon, écrou/corps du boulon et rondelle/écrou) par la méthode des Lagrangiens augmentés 
La configuration traitée (1 fixation) permet une symétrie de l’ensemble passant par le centre de la fixation et le 
long des plaques. Les lois de comportement des différents éléments sont intégrés et l’endommagement des 
plaques est traité par le critère d’énergie de Latham et Cockroft. Les résultats de simulation obtenus Figure 8 
sont proches des résultats obtenus par expérience (C.I.D. et chemin de fissure par localisation en E.A.). 
Les techniques couplées d’émission acoustique et de corrélation d’images digitales permettent d’obtenir une 
chronologie fiable des différentes étapes d’endommage ent. Grâce a ces résultats, une simulation numérique 
3D permet de retracer ces évènements et d’envisager en perspective d’autres valeurs de couple de serrage, de 
jeux, de morphologies, de nature (assemblage mixte ou hybride) ou de sollicitation (tension, pull thru). 
 
FIG. 8 – Modélisation en éléments finis et suivi de l’endommagement. 
 
References  
 
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Journal of Pressure Vessels and Piping, pp. 253-271, ( 003). 
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fracture in an 2024-T351 aluminium alloy , International Journal of Mechanical Sciences, Vol. 45, No. 11, pp. 
1781-1927, (2003). 
0
2
4
6
8
10
12
14
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
Déplacement (mm)
C
h
ar
g
e 
(k
N
)
expérimentale Numérique


Etude des mécanismes de rupture d'un assemblage boulonné

http://documents.irevues.inist.fr/bitstream/2042/37114/1/261.pdf

Etude des mécanismes de rupture d'un assemblage boulonné

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