Publicação: Modelagem numérica para predição da perda de pré-tensão em juntas aparafusadas
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CNPQ::ENGENHARIAS::ENGENHARIA MECANICA
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Orientador
Coorientador
Cardoso, Raphael Araujo
Resumo
As juntas aparafusadas são amplamente empregadas em sistemas mecânicos e estruturais devido
a características como versatilidade, facilidade de montagem e capacidade de suportar condições
complexas de carregamento. Entretanto, sob carregamento dinâmico, essas juntas podem sofrer
perda progressiva de pré-carga, fenômeno conhecido como autoafrouxamento, que compromete a
integridade estrutural e pode resultar em falhas catastróficas. No presente trabalho conduz-se uma
investigação experimental e numérica da perda de pré-carga em juntas aparafusadas submetidas a
excitação dinâmica transversal. Desenvolve-se um aparato experimental composto por duas placas
de aço do tipo flange conectadas por um estojo fabricado em aço ASTM A320 L7, instrumentado
com extensômetros elétricos de resistência posicionados no interior de uma ranhura longitudinal
usinada ao longo do eixo do parafuso, possibilitando o monitoramento contínuo e direto da evolução
da pré-carga. O carregamento dinâmico foi aplicado por meio de uma máquina de ensaios servohidráulica
operando sob controle de deslocamento, investigando-se três configurações distintas, com
variação do diâmetro nominal do estojo e da frequência de excitação. Emparalelo, desenvolve-se um
modelo de elementos finitos que contempla as interações de contato, os efeitos de atrito, a aplicação
da pré-carga e as condições de carregamento transversal cíclico. Uma metodologia de correção
do coeficiente de atrito baseada na área efetiva de contato entre filetes é proposta para compensar
a idealização geométrica do modelo, no qual o contato simultâneo em ambos os flancos do filete
superestima a resistência de atrito observada nos ensaios. Omodelo corrigido reproduz com sucesso
a redução progressiva da pré-carga para os três casos analisados, apresentando boa concordância
com os resultados experimentais. Isso evidencia o papel determinante do coeficiente de atrito na
interface dos filetes sobre o mecanismo de autoafrouxamento e demonstra o potencial do método
dos elementos finitos como ferramenta complementar aos ensaios experimentais, viabilizando
investigações paramétricas com menor custo operacional e maior flexibilidade de análise.
Abstract
Bolted joints are widely employed in mechanical and structural systems due to characteristics
such as versatility, ease of assembly, and the ability to withstand complex loading conditions.
However, under dynamic loading, these joints may experience a progressive loss of preload, a
phenomenon known as self-loosening, which compromises structural integrity and may result in
catastrophic failure. The present work conducts an experimental and numerical investigation of
preload loss in bolted joints subjected to transverse dynamic excitation. An experimental apparatus
was developed, consisting of two flange-type steel plates connected by a stud manufactured from
ASTM A320 L7 steel, instrumented with electrical resistance strain gauges positioned inside a longitudinal
groove machined along the bolt axis, enabling continuous and direct monitoring of preload
evolution. Dynamic loading was applied using a servo-hydraulic testing machine operating under
displacement control, with three distinct configurations investigated, varying the stud nominal diameter
and the excitation frequency. In parallel, a finite element model was developed, incorporating
contact interactions, frictional effects, preload application, and cyclic transverse loading conditions.
A friction coefficient correction methodology based on the effective contact area between thread
flanks is proposed to compensate for the geometric idealization of the model, in which simultaneous
contact on both thread flanks overestimates the frictional resistance observed in the tests. The
corrected model successfully reproduces the progressive preload reduction for all three investigated
cases, showing good agreement with the experimental results. These findings highlight the decisive
role of the thread interface friction coefficient in the self-loosening mechanism and demonstrate the
potential of the finite element method as a complementary tool to experimental testing, enabling
parametric investigations with lower operational costs and greater analytical flexibility.
Palavras-chave
Juntas aparafusadas, Perda de pré-Carga, Autoafrouxamento, Análise de elementos finitos, Carregamento dinâmico, Bbolted joints, Finite element analysis, Dynamic loading, Preload loss, Self-loosening
Citação
NAVES, Saint Clair Alves. Modelagem numérica para predição da perda de pré-tensão em juntas aparafusadas. 2026. 88 f. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) – Faculdade de Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2026. DOI https://doi.org/10.14393/ufu.di.2026.498.