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Slide 1 Dipartimento di Ingegneria Meccanica – Università di Padova G. Meneghetti Gruppo di lavoro AIAS – Tecniche di Giunzione Progressi della Ricerca.

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1 slide 1 Dipartimento di Ingegneria Meccanica – Università di Padova G. Meneghetti Gruppo di lavoro AIAS – Tecniche di Giunzione Progressi della Ricerca Italiana sui Sistemi di Giunzione Reggio Emilia, aprile 2009 UTILIZZO DELLA TENSIONE DI PICCO PER LA VERIFICA A FATICA DEI GIUNTI SALDATI D’ANGOLO CON IL METODO DEGLI ELEMENTI FINITI G. Meneghetti Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Università di Padova, via Venezia, 1 – Padova

2 slide 2 Dipartimento di Ingegneria Meccanica – Università di Padova G. Meneghetti Introduzione e motivazione Fondamenti teorici del metodo della tensione di picco Definizione di bande unificate in termini di tensione di picco utilizzando risultati sperimentali ottenuti su giunti “semplici” Tecniche di calcolo della tensione di picco per giunti “complessi” e utilizzo delle bande unificate per la stima di vita a fatica. Conclusioni Sommario

3 slide 3 Dipartimento di Ingegneria Meccanica – Università di Padova G. Meneghetti Il range dell’N-SIF  K V I è assunto come parametro che governa la resistenza a fatica, cioè: se  K V I è lo stesso per due giunti sollecitati a fatica  la vita a fatica è la stessa  è POSSIBILE DEFINIRE UNA CURVA DI PROGETTO IN TERMINI DI  K V I PER I GIUNTI IN ACCIAIO SALDATI D’ANGOLO CON TECNOLOGIE TRADIZIONALI QUALUNQUE SIA LA GEOMETRIA DI GIUNTO E LE DIMENSIONI ASSOLUTE L’approccio N-SIF (Notch-Stress Intensity Factor) Ipotesi alla base del metodo: 1) l’innesco avviene al piede del cordone; 2) Il raggio di raccordo a piede cordone è pari a zero. Quindi: la distribuzione singolare delle tensioni in prossimità del piede cordone è espressa dalle equazioni di Williams: x y t 135° T r  gg Lazzarin P., Tovo R., Fatigue Fracture Engng Mater Struct, Atzori B., Meneghetti G., Int J Fatigue, dove K V I = Notch-Stress Intensity Factor     f 2 K σ    I θθ r V    rrr f 2 K σ    I r V

4 slide 4 Dipartimento di Ingegneria Meccanica – Università di Padova G. Meneghetti Uno svantaggio nell’utilizzo dell’approccio N-SIF mesh molto raffinate analisi impegnative soprattutto per casi 3D    rrr f 2 K σ    I r V

5 slide 5 Dipartimento di Ingegneria Meccanica – Università di Padova G. Meneghetti Introduzione e motivazione Fondamenti teorici del metodo della tensione di picco Definizione di bande unificate di progettazione a fatica in termini di tensione di picco utilizzando risultati sperimentali ottenuti su giunti “semplici” Tecniche di calcolo della tensione di picco per giunti “complessi” e utilizzo delle bande unificate per la previsione di vita a fatica. Conclusioni Sommario

6 slide 6 Dipartimento di Ingegneria Meccanica – Università di Padova G. Meneghetti Il metodo della tensione di picco come applicazione ingegneristica dell’approccio N-SIF   V  è l’N-SIF di modo I esatto  peak è la tensione di picco FEM lineare elastica calcolata nel punto di singolarità G. Meneghetti, Rivista Italiana della Saldatura, ° gg Se la mesh adottata nell’intorno del punto di singolarità è sempre la stessa, allora   V può essere sostituito da  peak nelle analisi a fatica 1 mm  peak

7 slide 7 Dipartimento di Ingegneria Meccanica – Università di Padova G. Meneghetti Esempi: utilizzo di  peak nell’analisi di singolarità tensionali a= crack size d= element size Meneghetti, G., Valdagno, L., Atti del XXXI Convegno Nazionale AIAS, Parma, · Il calcolo  peak richiede mesh di diversi ordini di grandezza più grossolane rispetto a quelle per calcolare le distribuzioni di tensione locale;  peak è un valore nodale di tensione e non richiede l’analisi dell’intera distribuzione di tensione.

8 slide 8 Dipartimento di Ingegneria Meccanica – Università di Padova G. Meneghetti Vantaggi nel calcolo di  peak rispetto al calcolo diretto di K I V · Il calcolo  peak richiede mesh di diversi ordini di grandezza più grossolane rispetto a quelle per calcolare le distribuzioni di tensione locale;  peak è un valore nodale di tensione e non richiede l’analisi dell’intera distribuzione di tensione. 1 mm  peak

9 slide 9 Dipartimento di Ingegneria Meccanica – Università di Padova G. Meneghetti Nisitani, H., Teranishi, T. K I value of a circumferential crack emanating from an ellipsoidal cavity obtained by the crack tip stress method in FEM, Proceedings of the 2nd International Conference on Fracture and Damage Mechanics FDM, Milan (Italy), September 2001, pp Nisitani, H., Teranishi, T. K I value of a circumferential crack emanating from an ellipsoidal cavity obtained by the crack tip stress method in FEM. Engineering Fracture Mechanics 71, 2004, Meneghetti, G. Valutazione semplificata del campo di tensione locale in giunti saldati d’angolo. Rivista Italiana della Saldatura 4, 2002, Meneghetti G., Valdagno L. Utilizzo della tensione di picco valutata con analisi agli elementi finiti all’apice di intagli acuti, Atti del XXXI Convegno Nazionale AIAS, Parma, Settembre Analisi della letteratura sull’argomento Giustificazione teorica del metodo e applicazioni a casi diversi da quelli considerati da Nisitani: G. Meneghetti, P. Lazzarin. Significance of the Elastic Peak Stress evaluated by FE analyses at the point of singularity of sharp V-notched components. Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures, 30, 2007, pp G. Meneghetti. The peak stress method applied to fatigue assessments of steel and aluminium fillet-welded joints subjected to mode-I loading. Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures, 31, 2008, pp. 346–369.

10 slide 10 Dipartimento di Ingegneria Meccanica – Università di Padova G. Meneghetti Fondamenti teorici: definizione di K FE * a/d * FE K  3% 2.2 Fig. 1,a=variabile, d=1 mm Fig. 2,a=variabile, d=1 mm Fig. 2,a=10 mm, d=variabile Fig. 3, 2  =135°,a=10 mm, d=variabile Fig. 3, 2  =90°,a=5 mm, d=variabile Fig. 3, 2  =90°,a=10 mm, d=variabile Fig. 3, 2  =90°,a=15 mm, d=variabile Fig. 4, a/b/t=13/10/8, d=variabile Fig. 4, a/b/t=100/50/16, d=variabile Valore medio teorico di 1.38 Limiti di validità del metodo 3 Cfr densità della mesh

11 slide 11 Dipartimento di Ingegneria Meccanica – Università di Padova G. Meneghetti - Elementi lineari quadrilateri (PLANE 42, in ANSYS  ); - Conformazione delle mesh come in figura; - Intagli a V con angolo di apertura compreso fra 0° e 135°; - a/d  3. Ambito di validità del metodo della tensione di picco

12 slide 12 Dipartimento di Ingegneria Meccanica – Università di Padova G. Meneghetti Introduzione e motivazione Fondamenti teorici del metodo della tensione di picco Definizione di bande unificate di progettazione a fatica in termini di tensione di picco utilizzando risultati sperimentali ottenuti su giunti “semplici” Tecniche di calcolo della tensione di picco per giunti “complessi” e utilizzo delle bande unificate per la previsione di vita a fatica. Conclusioni Sommario

13 slide 13 Dipartimento di Ingegneria Meccanica – Università di Padova G. Meneghetti Risultati da letteratura: leghe di alluminio con tensione di snervamento compresa fra 250 e 304 MPa; spessori variabili fra 3 e 24mm; condizioni ‘as-welded’. Analisi agli elementi finiti con elementi PLANE 42 (Ansys  ) con lato di dimensione 1 mm.  g  pea k Definizione di una banda unica per giunti saldati in alluminio a cordoni d’angolo

14 slide 14 Dipartimento di Ingegneria Meccanica – Università di Padova G. Meneghetti Introduzione e motivazione Fondamenti teorici del metodo della tensione di picco Definizione di bande unificate di progettazione a fatica in termini di tensione di picco utilizzando risultati sperimentali ottenuti su giunti “semplici” Tecniche di calcolo della tensione di picco per giunti “complessi” e utilizzo delle bande unificate per la previsione di vita a fatica. Conclusioni Sommario

15 slide 15 Dipartimento di Ingegneria Meccanica – Università di Padova G. Meneghetti Validazione: geometrie considerate per giunti in Al Cruciform n.l.c. T-jointLap joint L-a jointRHSBeam L-a

16 slide 16 Dipartimento di Ingegneria Meccanica – Università di Padova G. Meneghetti Validazione: materiali e spessori

17 slide 17 Dipartimento di Ingegneria Meccanica – Università di Padova G. Meneghetti Geometria vera Modello numerico 2D Plane element mesh (1 mm) Soluzione  peak Stima di  peak per giunti “2D”

18 slide 18 Dipartimento di Ingegneria Meccanica – Università di Padova G. Meneghetti Y X Z Modello principale (elementi shell) Superfici medie per la generazione del modello principale Stima di  peak per giunti “3D”: analisi in due step É necessario conoscere la posizione di innesco Piano del sottomodello Sottomodello (elementi plane) Gli spostamenti sono trasferiti dal modello principale al sottomodello con la tecnica di sottomodellazione shell-to-plane (disponibile in Ansys®).  peak =design stress G. Meneghetti. Fatigue & Fracture of Engineering Materials & Structures, 31, 2008, pp. 346–369.

19 slide 19 Dipartimento di Ingegneria Meccanica – Università di Padova G. Meneghetti Stima di  peak per giunti attacchi longitudinali

20 slide 20 Dipartimento di Ingegneria Meccanica – Università di Padova G. Meneghetti Confronto previsione – sperimentale per alluminio d = 1mm  pea k R  0 Scatter Index T  =1.81 Giunti in lega leggera

21 slide 21 Dipartimento di Ingegneria Meccanica – Università di Padova G. Meneghetti P Validazione: analisi a fatica di un giunto tubolare SPECIMENS: Material: Fe510 Thickness: 10 mm MIG welding As-welded condition 4 specimen tested

22 slide 22 Dipartimento di Ingegneria Meccanica – Università di Padova G. Meneghetti Experimental fatigue tests FATIGUE TESTS: Bending load Load ratio: 0.1 MFL 250 kN test machine Test frequency: 5  10Hz Test interruption after complete stiffness loss Crack initiation from weld toe in the brace

23 slide 23 Dipartimento di Ingegneria Meccanica – Università di Padova G. Meneghetti Experimental fatigue tests FATIGUE TESTS: Bending load Load ratio: 0.1 MFL 250 kN test machine Test frequency: 5  10Hz Test interruption after complete stiffness loss Crack initiation from weld toe in the brace

24 slide 24 Dipartimento di Ingegneria Meccanica – Università di Padova G. Meneghetti Engineering definition of “crack initiation” life Crack initiation was defined by analysing the “minimum displacement” vs N. cycles curves S(t) t Fixed grip Moving grip S(t) t S min (t) N. cycles E+021.E+031.E+041.E+05 S min (mm) Experimental S min vs N. cycles curve N. Cycles to “crack initiation” = beginning of stiffness loss

25 slide 25 Dipartimento di Ingegneria Meccanica – Università di Padova G. Meneghetti 1.E+06 1.E+07 N. cycles PP E+04 1.E+05  P [kN] Survival probability 97.7% S.P. 50% S.P. 2.3% Open symbols: “crack initiation” (= crack through the thickness) Filled markes: final fracture (= complete stiffness loss) Comparison between predictions and experiments

26 slide 26 Dipartimento di Ingegneria Meccanica – Università di Padova G. Meneghetti CONCLUSIONI  L’approccio N-SIF (approccio locale) basato su K I V unifica in un’unica banda di dispersione valida per classi di materiali il comportamento a fatica di giunti saldati d’angolo con tecnologie tradizionali.  L’utilizzo della tensione di picco lineare elastica calcolata con gli elementi finiti  peak semplifica l’applicazione dell’approccio locale in particolare in un contesto industriale.  Le bande unificate proposte non devono essere usate qualora le analisi FEM siano eseguite con software diversi da quello qui usato. In questo caso la mesh utilizzata (tipo di elemento, dimensione, conformazione della mesh) deve essere ri-calibrata per trovare il nuovo valore del rapporto K I V /  peak.


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