Il metodo della tensione di picco

Il metodo della tensione di picco
Stato della Ricerca Italiana sui Sistemi di Giunzione Vicenza, marzo 2008 Il metodo della tensione di picco per l’analisi della resistenza a fatica di giunti saldati d’angolo sollecitati a modo I G. Meneghetti Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Università di Padova, via Venezia, 1 – Padova Dipartimento di Ingegneria Meccanica – Università di Padova G. Meneghetti

Sommario 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 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; + detailed stress analysis + fatigue design curves; - detailed stress analysis Usual procedure adopted in industries for fatigue strength assessment: recognise a standard structural detail in the structure, calculate the nominal stress, take the reference fatigue curve given in the standard and calculate admissible number of cycles. The reason why there are many reference curves is that the stress concentration effects at the weld toe are not taken into account in stress calculation so they have to be taken into account in the reference curve. Other methods have been proposed DsHS Dsnom Dipartimento di Ingegneria Meccanica – Università di Padova G. Meneghetti

L’approccio N-SIF (Notch-Stress Intensity Factor)
x y t 135° T r q sg 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: dove K1 = Notch-Stress Intensity Factor Il range dell’N-SIF DK1 è assunto come parametro che governa la resistenza a fatica, cioè: se DK1 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 DK1 PER I GIUNTI IN ACCIAIO SALDATI D’ANGOLO CON TECNOLOGIE TRADIZIONALI QUALUNQUE SIA LA GEOMETRIA DI GIUNTO E LE DIMENSIONI ASSOLUTE Geometrical assumptions stress field description K1 as fatigue strength parameter. It was demonstrated in the past that the experimental results of fillet welded steel joints collapse into a unique scatter band whatever the fillet joint geometry and absolute dimension. Lazzarin P., Tovo R., Fatigue Fracture Engng Mater Struct, 1998. Atzori B., Meneghetti G., Int J Fatigue, 2001. 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 Dipartimento di Ingegneria Meccanica – Università di Padova G. Meneghetti

Fondamenti del metodo della tensione di picco
135° sg 1 mm speak KIV è l’N-SIF di modo I esatto speak è la tensione di picco FEM lineare elastica calcolata nel punto di singolarità Se la mesh adottata nell’intorno del punto di singolarità è sempre la stessa, allora KIV può essere sostituito da speak nelle analisi a fatica G. Meneghetti, Rivista Italiana della Saldatura, 2002 Dipartimento di Ingegneria Meccanica – Università di Padova G. Meneghetti

Esempi: utilizzo di speak nell’analisi di singolarità tensionali
a= crack size d= element size Il calcolo speak richiede mesh di diversi ordini di grandezza più grossolane rispetto a quelle per calcolare le distribuzioni di tensione locale; speak è un valore nodale di tensione e non richiede l’analisi dell’intera distribuzione di tensione. Meneghetti, G., Valdagno, L., Atti del XXXI Convegno Nazionale AIAS, Parma, 2002. Dipartimento di Ingegneria Meccanica – Università di Padova G. Meneghetti

Analisi della letteratura sull’argomento
Nisitani, H., Teranishi, T. KI 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. KI 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 2002. 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. Dipartimento di Ingegneria Meccanica – Università di Padova G. Meneghetti

Fondamenti teorici: espressione analitica di KIV/speak
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Fondamenti teorici: definizione di KFE*

Ambito di validità del metodo della tensione di picco
- 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°. Dipartimento di Ingegneria Meccanica – Università di Padova G. Meneghetti

Definizione di una banda unica per giunti saldati in acciaio a cordoni d’angolo
Dsg Dspeak 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. Dipartimento di Ingegneria Meccanica – Università di Padova G. Meneghetti

Definizione di una banda unica per giunti saldati in alluminio a cordoni d’angolo
Dsg Dspeak 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. Dipartimento di Ingegneria Meccanica – Università di Padova G. Meneghetti

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

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

Riassunto dei dati sperimentali da letteratura per giunti in acciaio

Validazione: geometrie considerate per giunti in Al
Cruciform n.l.c. T-joint Lap joint L-a joint RHS Beam L-a Dipartimento di Ingegneria Meccanica – Università di Padova G. Meneghetti

Validazione con ulteriori dati sperimentali da letteratura

Stima di speak per giunti “2D”
2D numerical model Actual geometry Solution Dsep Plane element mesh (1 mm) Dipartimento di Ingegneria Meccanica – Università di Padova G. Meneghetti

Stima di speak per giunti attacchi longitudinali

Stima di speak per giunti “3D”: analisi a due fasi
Y X Z Modello principale (elementi shell) Superfici medie per la generazione del modello principale Y X Z Sottomodello (elementi plane) Gli spostamenti sono trasferiti dal modello principale al sottomodello con la tecnica di sottomodellazione shell-to-plane (disponibile in Ansys®). Piano del sottomodello É necessario conoscere la posizione di innesco speak =design stress Dipartimento di Ingegneria Meccanica – Università di Padova G. Meneghetti

Confronto risultati sperimentali - curve di previsione
Giunti in acciaio R 0 Scatter Index Ts =1.90 d = 1mm Dspeak Dipartimento di Ingegneria Meccanica – Università di Padova G. Meneghetti

Confronto previsione – sperimentale per alluminio
Giunti in lega leggera R 0 d = 1mm Dspeak Scatter Index Ts =1.81 Dipartimento di Ingegneria Meccanica – Università di Padova G. Meneghetti

CONCLUSIONI L’approccio N-SIF (approccio locale) basato su KIV 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 speak 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 KIV/sep. 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 Dipartimento di Ingegneria Meccanica – Università di Padova G. Meneghetti

Experimental 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 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 Smin(t) N. cycles 10.6 10.7 10.8 10.9 11 11.1 11.2 1.E+02 1.E+03 1.E+04 1.E+05 Smin (mm) Experimental Smin vs N. cycles curve N. Cycles to “crack initiation” = beginning of stiffness loss Dipartimento di Ingegneria Meccanica – Università di Padova G. Meneghetti

Comparison between predictions and experiments
DP [kN] 1000 1.E+06 1.E+07 N. cycles DP Open symbols: “crack initiation” (= crack through the thickness) Filled markes: final fracture (= complete stiffness loss) 100 Survival probability 97.7% S.P. 50% S.P. 2.3% 10 1.E+04 1.E+05 Dipartimento di Ingegneria Meccanica – Università di Padova G. Meneghetti

Dettagio geometrie giunti in acciaio

Validazione con ulteriori dati sperimentali da letteratura

Dettaglio geometrie giunti in lega leggera

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