Depuis l'utilisation des boulons au XVème siècle pour assembler deux pièces, les assemblages boulonnés posent des questions quant à la compréhension de leur fonctionnement et de leurs défaillances, telles que la variation de la tension de serrage entrainant, le desserrage, le dévissage, la perte d'étanchéité, l'initialisation de fissures, ... Pour comprendre leur fonctionnement, une méthodologie d'analyse tribologique a été mise en place, permettant de démonter un assemblage boulonné sans le desserrer, afin de ne pas modifier les conditions de contact lors du desserrage. Ainsi, toutes les interfaces d'assemblages (‘‘filets’’ écrou/vis et ‘‘autres que filets’’) formant des triplets tribologiques, ont été étudiées durant les trois phases de leur cycle de vie (fabrication, serrage, service) par le biais de cas-tests de matériaux différents. Un dialogue interactif entre les expérimentations (corrélations d'images, expertises) et la simulation numérique (Eléments Finis, Eléments Discrets) a permis de dégager des interprétations, notamment concernant les trois phases. Lors de la fabrication, le roulage des vis engendre des transformations tribologiques superficielles au niveau des sous-surfaces des filets formés. Le cœur des vis (noyau) restant non-déformé, ce procédé crée ainsi une différence de microstructure au sein de ces vis, ce qui est une source d'altération de leurs propriétés en fatigue. Lors du serrage, il se forme à l'interface ‘‘filets’’ une mixture de troisièmes corps ‘‘sec-solide’’, accommodant la vitesse entre la vis et l'écrou. Cette mixture résulte d'une réactivité entre une graisse utilisée pour le serrage et des particules, détachées d'un revêtement appliqué sur les filets d'écrous et/ou de vis. En fin de serrage, une partie de la mixture reste piégée entre les filets, jouant le rôle de maintien de la tension de serrage. Dans ces conditions, il apparaît que le frottement varie en fonction de la rhéologie de la mixture, conditionnant la variation de la tension de serrage. En service, des instabilités de contact (glissement, décollement, ...) ont été identifiées au niveau des interfaces. Ces instabilités engendrent dans les interfaces ‘‘autres que filets’’ la formation d'un troisième corps oxydé. Ce dernier constitue un surplus de matière qui peut entrainer l'augmentation des contraintes mécaniques dans les assemblages. A l'interface ‘‘filets’’ écrou/vis, il a été constaté que si la mixture de troisièmes corps piégée en serrage n'est pas cohésive, elle est extrudée des contacts, initialisant la perte de la tension de serrage. A partir de ces interprétations, des interactions entre plusieurs circuits tribologiques conduisent à converger vers un scénario de fonctionnement des assemblages boulonnés, permettant de solutionner leurs défaillances par la re-conception (mise en place de gorge de décharge, ...). / Since the use of bolts in the fifteenth century to assemble two parts, the bolted assemblies have the interrogations according to the understanding of their operating and failures occurring, such as the variation of the clamping force leading to, self-loosening, loss of sealing performance, cracks initialization, ... In order to understand their operating, a methodology focused on tribological approach was established, enabling to disassemble a bolted assembly without loosen its, allowing to not change the contact conditions during loosening. So, all the bolted assemblies interfaces (nut/screw ‘‘threads’’ and ‘‘others than threads’’) constituting tribological triplets, have been studied according to the three stages of their full life-cycle (manufacturing, tightening and service) using configurations of different materials. An interactive dialogue between the experiments (fields measuring by digital images correlation, tribological analysis) and the numerical simulation (Finite Element Method, Discrete Element Method) has led to interpretations about the three stages. During the manufacturing, the rolling of screws generates tribological superficial transformations in subsurfaces of machined threads. Contrariwise, inside the volume of these machined screws, there is no tribological transformation. So, this manufacturing process creates a difference of microstructure in these screws, that could be a source of their fatigue properties destruction. During the tightening, it produces at ‘‘threads’’ interface a ‘‘dry-solid’’ mixture of third bodies, accommodating the speed jump between the screw and the nut. This mixture is the result of a reactivity between a grease used for bolted tightening and the particles, detached by plastic flow from a coating initially applied on the threads of nuts and/or bolts. At the end of the process, a part of the mixture remains trapped in the threads, playing the role of maintaining the clamping force. In these conditions, it appears that the friction varies depending of the rheology of the mixture, conditioning the variation of the clamping force. In service, contact instabilities (slip, peeling off, ...) have been identified in the interfaces. These instabilities lead to the formation of an oxidized third body in ‘‘others than threads’’ interfaces. This oxidized third body represents a surplus of material and can increase mechanical stresses in the assemblies. In the nut/screw ‘‘threads’’ interface, it was found that if the mixture of third bodies trapped during the tightening stage is not cohesive, it is extruded, initializing the loss of clamping force. Based on the findings, the interactions between multiple tribological circuits lead to converge to a scenario of bolted assemblies operating, allowing to solve their failures by re-designing (create discharge grooves, ...).

Chaque fois que se produit un mouvement relatif entre deux systèmes, avec une interface à contact sec, le contact frottant induit des vibrations. La dynamique locale au contact (ruptures et la génération d'ondes) se couple avec la dynamique du système, donnant origine à des vibrations et affectant le comportement frictionnel macroscopique du système. Dans cette thèse, afin de développer une approche globale pour l'investigation des phénomènes multi-physiques, l'énergie a été utilisée comme une caractéristique physique universelle du couplage. La formulation de un bilan énergétique mécanique est utilisé pour identifier deux termes dissipatifs différents, i.e. la dissipation par amortissement matériel/système et la dissipation au contact. Les flux d'énergie, provenant des surfaces en contact et dus aux vibrations induites par frottement, excitent la réponse dynamique du système et, vice versa, l'influence de la réponse dynamique du système sur la dissipation d'énergie locale à l'interface de contact affecte les phénomènes tribologiques connexes. Dans cette thèse, les vibrations induites par le frottement ont été analysées en utilisant: l'approche par éléments finis pour étudier, par l'analyse des flux d'énergie, le couplage entre le contact et la dynamique du système; l'approche expérimentale pour valider les résultats numériques et observer l'influence des phénomènes pas encore inclus dans les modèles numériques; une approche avec une modèle à paramètres concentrés pour évaluer rapidement les effets des paramètres du système. L'analyse numérique par le modèle éléments finis 2D permet une répartition de l’énergie introduite dans le système mécanique entre les deux termes dissipatifs (amortissement matériau et contact), au cours de la réponse transitoire aussi bien en conditions stables qu’instables. En particulier, les vibrations induites par frottement modifient la capacité globale du système à absorber et dissiper l’énergie; une estimation de la puissance dissipée au contact, sans prendre en compte le comportement dynamique du système (flux d’énergie par les vibrations induites par frottement) peut conduire à des erreurs significatives dans la quantification de l’énergie dissipée au contact, ce qui affecte directement plusieurs phénomènes tribologiques. Les mesures expérimentales de crissement montrent comment les mêmes modes instables sont reproduits soit expérimentalement soit numériquement, validant l’utilisation de la simulation 2D transitoires pour l’analyse des vibrations instables induites par le frottement. L’équilibre énergétique a été utilisé sur le modèle à paramétrés concentrés, pour approcher le problème de la surestimation d’instabilité, qui est caractéristique d’une analyse des valeurs propres complexes. Un nouvel indice d’instabilité (MAI) a été défini, par des considérations énergétiques, pour comparer les différents modes instables et pour sélectionner le mode qui devient effectivement instable pendant le crissement. / Whenever relative motion between two system components occurs, through a dry contact interface, vibrations are induced by the frictional contact. The local dynamics at the contact (ruptures and wave generation) couples with the system dynamics, giving origin to vibrations and affecting the macroscopic frictional behavior of the system. In this thesis, in order to develop an overall approach to the investigation of the multi-physic phenomenon, the energy has been pointed out as a coupling physical characteristic among the several phenomena at the different scales. The formulation of a mechanical energy balance is used for distinguishing between two different dissipative terms, i.e. the dissipation by material/system damping and the dissipation at the contact. The energy flows coming from the frictional surfaces, by friction induced vibrations, excites the dynamic response of the system, and vice versa the influence of the system dynamic response on the local energy dissipation at the contact interface affects the related tribological phenomena. The friction-induced vibrations have been analyzed using three different approaches: the finite element approach, to investigate the coupling between the contact and system dynamics by the analysis of the energy flows; the experimental approach to validate the numerical results and observe the influence of phenomena not still included into the numerical model; a lumped parameter model approach to quickly investigate the effects of the system parameters. The numerical analysis by the 2D finite element model allowed investigating the repartition of the energy introduced into the mechanical system between the two dissipative terms (material damping and contact) during both stable and unstable friction-induced vibrations. In particular, it has been shown how the friction-induced vibrations modify the overall capacity of the system to absorb and dissipate energy; an estimation of the power dissipated at the contact, without considering the dynamic behavior of the system (energy flows by friction induced vibrations) can lead to significant error in the quantification of the dissipated energy at the contact, which affects directly several tribological phenomena. The experimental squeal measurements show how the same unstable modes are recovered both experimentally and numerically, validating the use of the 2D transient simulations for the reproduction of the unstable friction-induced vibrations. Once the energy balance formulated, it has been used on the lumped model to approach the instability over-prediction issue characteristic of the complex eigenvalue analysis. By energy considerations, a newer instability index (MAI) has been defined to compare the different unstable modes and to select the mode that becomes effectively unstable during the transient response. The Modal Absorption Index allows quantifying the capability of each mode to exchange energy with the external environment.