Torsion-type de cisaillementboulons à haute-résistancesont des attaches clés couramment utilisées dans les connexions structurelles. Cet article fournit une introduction détaillée et une analyse systématique de leur structure, de leurs performances de base et de leurs applications d'ingénierie : en élaborant d'abord leur structure de base et leur principe de fonctionnement, puis en approfondissant leurs caractéristiques de haute résistance, leurs performances sismiques et leurs applications typiques dans le domaine de l'ingénierie, et enfin en proposant des orientations de développement futures de ces boulons pour fournir une référence pour la recherche et la pratique pertinentes.
Mots-clés : Boulons hélicoïdaux-de type cisaillement à haute résistance- ; connexions structurelles; propriétés mécaniques ; applications d'ingénierie; orientations de développement
1. Introduction
En tant que fixations les plus élémentaires dans les domaines de la mécanique et de la construction, les boulons sont largement utilisés dans les nœuds de connexion de diverses structures. Les boulons à haute résistance-de type torsion-cisaillement sont des composants de connexion efficaces développés sur la base des boulons traditionnels. Avec les principaux avantages d'un « couple d'installation contrôlable, d'une fiabilité de connexion élevée, d'une résistance élevée et d'excellentes performances sismiques », ils sont devenus la méthode de connexion principale dans des domaines tels que les structures en acier et la machinerie lourde, et ont reçu une attention significative dans la pratique de l'ingénierie et la recherche universitaire ces dernières années. Cet article trie systématiquement les caractéristiques structurelles, les performances de base et les scénarios d'application des boulons à haute résistance de type torsion-cisaillement-, clarifie leurs avantages techniques et analyse les orientations de recherche futures en combinaison avec les besoins de développement de l'industrie, fournissant un support théorique pour leurs applications d'ingénierie plus larges.
2. Structure et principe de fonctionnement des boulons à torsion-type de cisaillement à haute-boulons à résistance
Les principaux composants des boulons à haute résistance de type torsion-cisaillement- comprennent le corps du boulon, l'écrou et la rondelle. La différence essentielle entre leur structure et les boulons traditionnels à haute résistance- réside dans letorsion spéciale-encoche de cisaillement à l'extrémité du corps du boulon-plutôt que "plusieurs torsions-pièces de cisaillement". Cette encoche est un maillon faible reliant la tête du boulon et la tige, et sa résistance en section transversale-est précisément conçue pour correspondre au couple de pré-serrage du boulon.
Son principe de fonctionnement est divisé en deux étapes : "installation et serrage" et "portance-". Lors de l'installation, une clé dynamométrique spéciale est utilisée pour serrer la tête du boulon et la tête à six pans creux à l'extrémité, et une force de pré-serrage est générée en appliquant un couple au boulon. Lorsque le couple atteint le seuil de conception, l'entaille de cisaillement de torsion d'extrémité- sera cisaillée le long de la section transversale prédéterminée-. À l'heure actuelle, la force de pré-serrage des boulons répond tout simplement aux exigences des spécifications, permettant un serrage précis du « contrôle du couple par cisaillement » et évitant les problèmes de force de pré-serrage insuffisante ou de surcharge causée par un contrôle de couple inexact des boulons traditionnels. Lors de la phase de portance de la charge, le boulon permet aux pièces connectées de s'ajuster étroitement grâce à la force de pré-serrage de traction-de la tige, transmet la force de cisaillement au moyen de la friction entre les pièces connectées, et la tige elle-même peut aider à supporter une partie de la charge de cisaillement, formant un mécanisme de roulement collaboratif de « friction -cisaillement », ce qui améliore considérablement la fiabilité de la connexion.
3. Performances des boulons à torsion-type de cisaillement-haute résistance
3.1 Performance à haute-résistance
Les boulons hélicoïdaux-à haute résistance-de type cisaillement sont généralement fabriqués en acier de construction allié de haute-qualité tel que le 42CrMoA. Après un traitement thermique de trempe et de revenu (trempe + revenu à haute température -), leur niveau de résistance atteint généralement le niveau 10,9 ou supérieur, et les produits utilisés dans certains scénarios spéciaux peuvent atteindre le niveau 12,9. Leur résistance à la traction n'est pas inférieure à 1 000 MPa et leur résistance au cisaillement est 1,5-2 fois celle des boulons ordinaires de qualité 8.8, ce qui peut répondre efficacement aux besoins des scénarios de connexion à charge élevée-tels que les joints de colonnes de poutres de structure en acier- et les poutres-caissons en acier de pont. Par rapport aux boulons traditionnels à haute résistance-, leur avantage réside non seulement dans la résistance du matériau, mais également dans la stabilité du roulement apportée par "un contrôle précis de la force de pré-force de serrage"-, évitant ainsi le problème de surcharge partielle des boulons et de défaillance partielle des boulons causée par une force de pré-serrage discrète.
3.2 Performances sismiques
L'avantage sismique des boulons à haute résistance de type torsion-cisaillement- découle des caractéristiques du "pré-serrage précis + roulement flexible" : d'une part, la force de pré-serrage précise maintient les pièces connectées étroitement ajustées. Même sous l'action de charges sismiques cycliques, la force de cisaillement peut être efficacement transmise par le frottement de la surface de contact, réduisant ainsi la déformation par cisaillement du boulon lui-même ; d'autre part, le traitement de trempe et de revenu du corps du boulon lui confère à la fois une résistance élevée et une bonne ténacité. Sous la charge d'impact générée par les tremblements de terre, il peut absorber de l'énergie grâce à une légère déformation élastique pour éviter une fracture fragile. Les données de test pertinentes montrent que les joints de structure en acier utilisant des boulons à haute résistance de type torsion-cisaillement- ne présentent aucun dommage évident lors de tremblements de terre fréquents, et seule une légère déformation plastique des boulons se produit lors de rares tremblements de terre. Les performances sismiques globales des joints sont améliorées de plus de 30 % par rapport aux connexions boulonnées traditionnelles, ce qui peut réduire efficacement la concentration des contraintes structurelles et assurer la sécurité sismique globale de la structure.
4. Applications des boulons hélicoïdaux-de type cisaillement à haute résistance-
Grâce à leurs avantages de serrage précis, de haute résistance et de résistance sismique, les boulons à torsion-de type cisaillement à haute résistance-sont devenus les fixations préférées dans les domaines nécessitant une fiabilité de connexion élevée. Les scénarios d'application typiques incluent :
Structures en acier de construction : telles que les joints de poutres-colonnes des charpentes en acier de bâtiments de grande hauteur-, les connexions de poutres de grue des ateliers de structures en acier et les connexions de nœuds de structures spatiales à grande portée-, garantissant la stabilité de la structure sous les charges de vent et les charges sismiques ;
Ingénierie des ponts : utilisé pour l'épissure des poutres-caissons en acier, les connexions entre les piliers du pont et les poutres de recouvrement, ainsi que les nœuds de structure en acier des tours de pont à haubans-, s'adaptant aux forces complexes des ponts soumises aux charges dynamiques des véhicules et aux changements de température ;
Machinerie lourde : telles que les connexions de châssis de machines minières, les connexions de brides de tour d'équipements éoliens et les connexions de structure porteuse-d'équipement métallurgique, supportant des charges élevées et des charges de vibration ;
Transit ferroviaire : y compris les ponts ferroviaires en acier et les structures en acier soutiennent les connexions du transport ferroviaire urbain, répondant aux exigences strictes du système ferroviaire en matière de précision et de durabilité des connexions.
Il convient de noter que ces boulons ne conviennent pas aux températures -élevées à long terme (supérieures à 300 degrés) ou aux environnements à forte corrosion. S'ils doivent être utilisés dans de tels scénarios, des traitements anticorrosion de surface supplémentaires-(tels que Dacromet, infiltration de zinc, etc.) et des matériaux d'alliage résistants à la température-doivent être adoptés.
5. Orientations de développement des boulons à torsion-type de cisaillement à haute-boulons à résistance
5.1 Recherche sur la mise à niveau des matériaux
À l'avenir, l'accent devrait être mis sur le développement de deux types de matériaux : l'un est celui des "alliages à ultra-haute résistance et à la corrosion-résistants". En combinant la technologie des microalliages et les processus de traitement de surface, la résistance est augmentée au grade 14.9 sur la base du grade 12.9 existant. Dans le même temps, la résistance à la corrosion dans l'atmosphère marine et les environnements de corrosion industrielle est améliorée en ajoutant des éléments de chrome, de nickel ou en adoptant une technologie de revêtement sans chrome - ; le second concerne les « matériaux légers », explorant l'application d'alliages de titane et d'acier inoxydable à haute résistance-dans des boulons à torsion-de type cisaillement pour répondre aux besoins de scénarios légers et de haute-propreté tels que l'aérospatiale et les équipements médicaux.
5.2 Optimisation de la structure et des processus
Les orientations d'optimisation structurelle comprennent : la conception d'encoches de cisaillement à section variable-de torsion-pour rendre la consommation d'énergie des boulons plus uniforme pendant l'installation et le cisaillement, améliorant ainsi la précision du contrôle de la force de pré-serrage ; développer une conception intégrée avec une "structure anti-desserrage", intégrant des rondelles anti-desserrage à l'extrémité deboulonspour s'adapter aux scénarios mécaniques avec des vibrations fréquentes. L'optimisation des processus se concentre sur la combinaison de la technologie de formage à froid et du processus de traitement thermique. En contrôlant avec précision la déformation de frappe à froid pour réduire les contraintes internes du matériau, combiné à un traitement de trempe et de revenu segmenté, l'uniformité des performances des boulons est améliorée et le taux de rebut dans le processus de production est réduit.
5.3 Amélioration du système de simulation et de test numérique
À l'aide de la technologie d'analyse par éléments finis (FEA), établissez un modèle numérique du cycle de vie complet des boulons, de « l'installation et le cisaillement » à la « portance », simulez la loi de dégradation des performances des boulons sous différentes températures et environnements de corrosion, et fournissez une base théorique pour la sélection dans des scénarios spéciaux ; en même temps, améliorer le système de recherche de tests. En plus des essais de traction et de cisaillement conventionnels, ajoutez des « essais de durée de vie en fatigue » et des « essais de couplage par corrosion-fatigue » et établissez une méthode d'évaluation de la durée de vie des boulons basée sur la théorie de la fiabilité, brisant ainsi la limitation actuelle du recours aux données empiriques et fournissant davantage de support technique scientifique pour les applications d'ingénierie.
6.Conclusion
Les boulons à torsion-de type cisaillement à haute résistance-sont des attaches de connexion structurelles efficaces intégrant "un serrage précis, une haute résistance et une haute résistance sismique". Leur principal avantage est d'obtenir un contrôle précis de la force de pré-serrage grâce à une structure de cisaillement par torsion-spéciale, résolvant ainsi les principaux problèmes des connexions boulonnées traditionnelles. À l'heure actuelle, ils ont été largement utilisés dans des domaines tels que la construction, les ponts et la machinerie lourde, devenant des composants essentiels pour garantir des connexions à haute -charge et haute-fiabilité.
À l'avenir, les principales orientations de développement des boulons à haute résistance de type torsion-cisaillement-seront d'obtenir "une résistance plus élevée + une meilleure résistance à la corrosion" grâce à la mise à niveau des matériaux, d'améliorer l'efficacité de l'installation et la stabilité des roulements grâce à l'optimisation de la structure et des processus, et d'améliorer le système d'évaluation des performances grâce à la simulation numérique et à la recherche de tests. Avec la percée de ces technologies, leurs scénarios d'application seront encore étendus à des domaines plus difficiles tels que l'ingénierie maritime et l'aérospatiale, offrant des garanties de connexion plus fiables pour la fabrication d'équipements haut de gamme et les grandes constructions techniques.
