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Slide 1 Dipartimento di Ingegneria Meccanica – Università di Padova G. Meneghetti Stato della Ricerca Italiana sui Sistemi di Giunzione Vicenza, 27-28.

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1 slide 1 Dipartimento di Ingegneria Meccanica – Università di Padova G. Meneghetti Stato della Ricerca Italiana sui Sistemi di Giunzione Vicenza, marzo 2008 Il metodo della tensione di picco per lanalisi della resistenza a fatica di giunti saldati dangolo sollecitati a modo I 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 ed esempi applicativi Calibrazione di bande unificate in termini di tensione di picco con risultati sperimentali ottenuti su giunti semplici Validazione delle bande unificate con risultati sperimentali ottenuti su giunti complessi e tecniche di calcolo della tensione di picco Conclusioni Sommario

3 slide 3 Dipartimento di Ingegneria Meccanica – Università di Padova G. Meneghetti Approcci per la verifica a fatica di giunti saldati 1. Nominal stress 2. Hot spot (geometric) Stress 3. Effective notch stress 4. Fracture mechanics - fatigue design curves; - fatigue design curves; + detailed stress analysis + detailed stress analysis + fatigue design curves; - detailed stress analysis nom HS

4 slide 4 Dipartimento di Ingegneria Meccanica – Università di Padova G. Meneghetti Il range dellN-SIF K 1 è assunto come parametro che governa la resistenza a fatica, cioè: se K 1 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 1 PER I GIUNTI IN ACCIAIO SALDATI DANGOLO CON TECNOLOGIE TRADIZIONALI QUALUNQUE SIA LA GEOMETRIA DI GIUNTO E LE DIMENSIONI ASSOLUTE Lapproccio N-SIF (Notch-Stress Intensity Factor) Ipotesi alla base del metodo: 1) linnesco 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 Lazzarin P., Tovo R., Fatigue Fracture Engng Mater Struct, Atzori B., Meneghetti G., Int J Fatigue, dove K 1 = Notch-Stress Intensity Factor

5 slide 5 Dipartimento di Ingegneria Meccanica – Università di Padova G. Meneghetti Uno svantaggio nellutilizzo dellapproccio N-SIF mesh molto raffinate analisi impegnative soprattutto per casi 3D

6 slide 6 Dipartimento di Ingegneria Meccanica – Università di Padova G. Meneghetti Introduzione e motivazione Fondamenti teorici ed esempi applicativi Calibrazione di bande unificate in termini di tensione di picco con risultati sperimentali ottenuti su giunti semplici Validazione delle bande unificate con risultati sperimentali ottenuti su giunti complessi e tecniche di calcolo della tensione di picco Conclusioni Sommario

7 slide 7 Dipartimento di Ingegneria Meccanica – Università di Padova G. Meneghetti Fondamenti del metodo della tensione di picco 1 mm peak V è lN-SIF di modo I esatto peak è la tensione di picco FEM lineare elastica calcolata nel punto di singolarità Se la mesh adottata nellintorno del punto di singolarità è sempre la stessa, allora V può essere sostituito da peak nelle analisi a fatica G. Meneghetti, Rivista Italiana della Saldatura, ° g

8 slide 8 Dipartimento di Ingegneria Meccanica – Università di Padova G. Meneghetti Esempi: utilizzo di peak nellanalisi 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 lanalisi dellintera distribuzione di tensione.

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 dangolo. Rivista Italiana della Saldatura 4, 2002, Meneghetti G., Valdagno L. Utilizzo della tensione di picco valutata con analisi agli elementi finiti allapice di intagli acuti, Atti del XXXI Convegno Nazionale AIAS, Parma, Settembre Giustificazione teorica del metodo e applicazioni: 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, submitted for publication. Analisi della letteratura sullargomento

10 slide 10 Dipartimento di Ingegneria Meccanica – Università di Padova G. Meneghetti Fondamenti teorici: espressione analitica di K I V / peak

11 slide 11 Dipartimento di Ingegneria Meccanica – Università di Padova G. Meneghetti Fondamenti teorici: definizione di K FE *

12 slide 12 Dipartimento di Ingegneria Meccanica – Università di Padova G. Meneghetti - Elementi lineari quadrilateri (PLANE 42, in ANSYS 8.0); - Conformazione delle mesh come in figura; - Intagli a V con angolo di apertura compreso fra 0° e 135°. Ambito di validità del metodo della tensione di picco

13 slide 13 Dipartimento di Ingegneria Meccanica – Università di Padova G. Meneghetti Introduzione e motivazione Fondamenti teorici ed esempi applicativi Calibrazione di bande unificate in termini di tensione di picco con risultati sperimentali ottenuti su giunti semplici Validazione delle bande unificate con risultati sperimentali ottenuti su giunti complessi e tecniche di calcolo della tensione di picco Conclusioni Sommario

14 slide 14 Dipartimento di Ingegneria Meccanica – Università di Padova G. Meneghetti Results from literature: structural steels with yield strength from 360 to 670 MPa; thicknesses ranging from 6 to 100 mm; as-welded conditions. Finite element analyses with Ansys using PLANE 42 Elements having d=1 mm edge length. Definizione di una banda unica per giunti saldati in acciaio a cordoni dangolo g pea k

15 slide 15 Dipartimento di Ingegneria Meccanica – Università di Padova G. Meneghetti Results from literature: aluminium alloys with yield strength from 250 to 304 MPa; thicknesses ranging from 3 to 24 mm; as-welded conditions. Finite element analyses with Ansys using PLANE 42 Elements having 1 mm edge length. g pea k Definizione di una banda unica per giunti saldati in alluminio a cordoni dangolo

16 slide 16 Dipartimento di Ingegneria Meccanica – Università di Padova G. Meneghetti Introduzione e motivazione Fondamenti teorici ed esempi applicativi Calibrazione di bande unificate in termini di tensione di picco con risultati sperimentali ottenuti su giunti semplici Validazione delle bande unificate con risultati sperimentali ottenuti su giunti complessi e tecniche di calcolo della tensione di picco Conclusioni Sommario

17 slide 17 Dipartimento di Ingegneria Meccanica – Università di Padova G. Meneghetti T-joint l.c. T-joint n.l.c.Lap joint L-a jointTube-to-flangeSHS-to-SP Validazione: geometrie considerate per giunti in acciaio

18 slide 18 Dipartimento di Ingegneria Meccanica – Università di Padova G. Meneghetti Tube-to-flange Tube-to-tube Validazione: geometrie considerate per giunti in acciaio Cruciform joint

19 slide 19 Dipartimento di Ingegneria Meccanica – Università di Padova G. Meneghetti Riassunto dei dati sperimentali da letteratura per giunti in acciaio

20 slide 20 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

21 slide 21 Dipartimento di Ingegneria Meccanica – Università di Padova G. Meneghetti Validazione con ulteriori dati sperimentali da letteratura

22 slide 22 Dipartimento di Ingegneria Meccanica – Università di Padova G. Meneghetti Actual geometry 2D numerical model Plane element mesh (1 mm) Solution ep Stima di peak per giunti 2D

23 slide 23 Dipartimento di Ingegneria Meccanica – Università di Padova G. Meneghetti Stima di peak per giunti attacchi longitudinali

24 slide 24 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 a due fasi 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

25 slide 25 Dipartimento di Ingegneria Meccanica – Università di Padova G. Meneghetti Confronto risultati sperimentali - curve di previsione R 0 Scatter Index T =1.90 d = 1mm pea k Giunti in acciaio

26 slide 26 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

27 slide 27 Dipartimento di Ingegneria Meccanica – Università di Padova G. Meneghetti CONCLUSIONI Lapproccio N-SIF (approccio locale) basato su K I V unifica in ununica banda di dispersione valida per classi di materiali il comportamento a fatica di giunti saldati dangolo con tecnologie tradizionali. Lutilizzo della tensione di picco lineare elastica calcolata con gli elementi finiti peak semplifica lapplicazione dellapproccio 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 / ep.

28 slide 28 Dipartimento di Ingegneria Meccanica – Università di Padova G. Meneghetti Validazione: analisi a fatica di un giunto tubolare SPECIMENS: Material: Fe510 Thickness: 10 mm MIG welding As-welded condition 4 specimen tested P

29 slide 29 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

30 slide 30 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

31 slide 31 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

32 slide 32 Dipartimento di Ingegneria Meccanica – Università di Padova G. Meneghetti 1.E+06 1.E+07 N. cycles 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

33 slide 33 Dipartimento di Ingegneria Meccanica – Università di Padova G. Meneghetti Dettagio geometrie giunti in acciaio

34 slide 34 Dipartimento di Ingegneria Meccanica – Università di Padova G. Meneghetti Validazione con ulteriori dati sperimentali da letteratura

35 slide 35 Dipartimento di Ingegneria Meccanica – Università di Padova G. Meneghetti Validazione con ulteriori dati sperimentali da letteratura

36 slide 36 Dipartimento di Ingegneria Meccanica – Università di Padova G. Meneghetti Validazione con ulteriori dati sperimentali da letteratura

37 slide 37 Dipartimento di Ingegneria Meccanica – Università di Padova G. Meneghetti Validazione con ulteriori dati sperimentali da letteratura

38 slide 38 Dipartimento di Ingegneria Meccanica – Università di Padova G. Meneghetti Validazione con ulteriori dati sperimentali da letteratura

39 slide 39 Dipartimento di Ingegneria Meccanica – Università di Padova G. Meneghetti Dettaglio geometrie giunti in lega leggera

40 slide 40 Dipartimento di Ingegneria Meccanica – Università di Padova G. Meneghetti

41 slide 41 Dipartimento di Ingegneria Meccanica – Università di Padova G. Meneghetti

42 slide 42 Dipartimento di Ingegneria Meccanica – Università di Padova G. Meneghetti


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