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> Analisi della Fatica dei Cordoni di Saldatura

Analisi dei Cordoni di Saldatura con nCode DesignLife

La saldatura è usata da molte industrie quale metodo efficiente ed economico per realizzare la giunzione di parti metalliche. Tuttavia, la natura del processo di saldatura provoca generalmente un'inferiore resistenza alla fatica delle giunzioni saldate rispetto a quella delle parti da unire insieme. Nel contempo, le saldature tendono a modificare e proprietà geometriche od a variare la sezione della struttura. Il risultato è che anche nelle strutture ben progettate, i giunti saldati sono tipicamente più soggetti a rotture dovute alla fatica. Qualsiasi valutazione della durevolezza delle strutture saldate deve perciò avere un'alta priorità sulla verifica del comportamento a fatica dei giunti di saldatura

In nCode DesignLife sono state implementate numerose caratteristiche per facilitare l'analisi della fatica delle saldature, ed è in corso un programma di sviluppo per migliorare tali caratteristiche ed ampliarne il campo di applicazione. Questo articolo evidenzia i metodi principali implementati, fornendo alcune cognizioni di base e casi di validazione.

Fatica delle strutture saldate

Figura 1: Sezione trasversale della saldatura che mostra la fusione (saldatura) e le zone influenzate dal calore.

La resistenza alla fatica dei giunti saldati è in genere notevolmente inferiore a quella delle parti da unire insieme, dette "parti genitore". Tale fatto è dovuto a numerose ragioni:

  • La geometria della saldatura provoca normalmente l'aumento della concentrazione di sollecitazioni (escluse le saldature di testa o di piano con piano). Le sollecitazioni tipicamente più alte sono nella noce o radice della saldatura, e la forma di questa zona non può essere ben controllata.
  • Il processo di saldatura provoca sovente dei difetti che possono agire come punti d'innesco delle cricche – inclusione di scorie, fusione incompleta, porosità, ecc. Vi è abbondanza di prove che la vita alla fatica delle saldature è spesso dominata dalla propagazione delle cricche.
  • Intorno all'area di fusione si forma una zona influenzata dal calore (HAZ) in cui il materiale genitore è stato riscaldato ad alta temperatura e poi lasciato raffreddare rapidamente. Ciò può causare forti cambiamenti della microstruttura e proprietà in questa zona – ad esempio annullando il precedente trattamento termico.
  • Il processo di saldatura può provocare sollecitazioni residue, le quali possono essere dell'ordine della resistenza allo snervamento del  materiale.

Tutti questi fattori causano che la resistenza alla fatica dei giunti saldati sia alquanto diversa da quella delle parti da unire insieme. Non è quindi ragionevole aspettarsi di essere in grado di fare buone previsioni della resistenza alla fatica di un giunto basandosi sulle caratteristiche originali delle parti da unire. È per questa ragione che la maggioranza dei metodi storici e delle norme sono fondati sulla caratterizzazione del comportamento a fatica dell'intera giunzione, solitamente nella forma di curve S/N. Queste curve comprendono gli effetti di tutti i difetti, delle sollecitazioni residue ignote, delle intaccature e delle variazioni delle proprietà del materiale provocate dal processo di saldatura. Nella successiva sezione vengono trattate le caratteristiche principali di questo tipo di approccio.

Metodi standard

Esistono numerose e differenti norme che descrivono i metodi per valutare la resistenza alla fatica delle giunzioni saldate, per esempio la Eurocode 3[1], la ASME Boiler and Pressure Vessel Code[2], la Swedish Regulations for Welded Steel Structures[3] e la British Standard BS7608[4]. Esse hanno tutte un approccio alquanto simile. Un altro approccio simile per strutture di alluminio è descritto nella BS8118[5]. Per ragioni di brevità, qui vengono spiegate solo le caratteristiche principali dell'approccio alla saldatura della BS7608.

Notare che la BS7608, “Code of practice for fatigue design and assessment of steel structures”, è fondata molto strettamente sulla BS5400 Parte 10, “Code of practice for fatigue design of steel, concrete and composite bridges” [6]. Risulta evidente la sua origine dall'ingegneria civile. 

  • In questa norma non sono fortemente trattate le specifiche ei materiali, otre a quelle che si applicano all'acciaio per strutture con resistenza di snervamento inferiore a 700 MPa. Molti ricercatori hanno notato che mentre la resistenza alla fatica degli acciai può variare largamente sia per la composizione che per il trattamento termico, una volta saldate, la resistenza delle giunzioni ricade in una sola banda di dispersione. Ciò è molto comodo poiché consente l'impiego delle stesse curve di progettazione per un'ampia gamma di materiali.
  • Le saldature sono classificate in base al tipo di giunzione, alla geometria, alla direzione del carico ed a quella del guasto potenziale. Ad esempio una saldatura a piena penetrazione con la forma illustrata in Figura 2, caricata nella direzione della freccia e con l'ubicazione valutata della cricca al piede della saldatura, sarebbe in classe F.

Figura 2: Saldatura classificata come "F" secondo la BS7608

  • Ogni classe di saldatura è associata con una curva S/N. La Figura 3 sottostante illustra le curve S/N delle classi di saldatura della BS7608, prese dalla banca dati materiali di nCode. Esse sono la media o le curve della vita B50. Il progettista usa solitamente la curva di deviazione standard 2, corrispondente alla certezza di sopravvivenza del 97,7 %.

Figura 3: Curve S/N per classi di saldatura BS7608 

  • Notare che le curve S/N hanno la variazione di pendenza a 107 cicli, in corrispondenza al limite della fatica. La parte inferiore della curva è usata per il carico ad ampiezza variabile, insieme al conteggio del ciclo rainflow ed alla regola di Miner, se il limite di fatica viene superato in qualche momento della storia temporale. Questo tipo di approccio è un modo comune per catturare il fatto che i piccoli cicli possono avere un effetto di danneggiamento se i grandi cicli sono in grado di superare le barriere di propagazione delle cricche. (Se si utilizza il DesignLife si può riprodurre tale effetto impostando la proprietà “SmallCycleCorrection = BS7608” sul motore di analisi).
  • La posizione e la natura della sollecitazione che deve essere utilizzata per il calcolo della fatica è definita caso per caso nella norma ma, tipicamente, essa si basa sulla sollecitazione principale nel campo più ampio, e può essere una sollecitazione nominale o, più spesso, una sollecitazione “hot spot” (punto caldo) o “strutturale” adiacente al piede della saldatura. Per i calcoli pratici della fatica basati sugli FE, la determinazione di queste sollecitazioni è un delle sfide principali. L'idea di base è di determinare la sollecitazione a piede del cordone di saldatura, ma escludendo l'influenza della concentrazione di sollecitazioni locali dovute al dettaglio della geometria della saldatura. Per il semplice caso della combinazione del carico applicato e del momento flettente uniforme, come illustrato in Figura 4, la sollecitazione strutturale si può calcolare semplicemente come la somma della sollecitazione della membrana e della sollecitazione flettente nella piastra adiacente alla saldatura.

Figure 4: Analysis of Seam Welds

Figura 4: Calcolo della sollecitazione strutturale della piastra adiacente alla saldatura

Se la geometria e/o la distribuzione della sollecitazione è più complessa, si potrebbe adottare una strategia come quella illustrata in Figura 5.

Figure 5: Analysis of Seam Welds

Figura 5: Determinazione della sollecitazione strutturale mediante  estrapolazione

La sollecitazione richiesta (“Chord hot spot stress” in Figura 5) viene determinata estrapolando la sollecitazione del cordone di saldatura nel piede della piastra, ma escludendo le sollecitazioni delle zone abbastanza vicine al cordone da essere influenzate dal dettaglio geometrico del cordone stesso. Nella BS7608 le sollecitazioni sono estrapolate dalle sollecitazioni > 0,4 t del cordone di saldatura, ove t è lo spessore della piastra. Notare che la norma consente anche la determinazione sperimentale delle sollecitazioni, mediante degli estensimetri situati alla distanza 0,1 t dal bordo del cordone di saldatura. Vedere Figura 6. 

Figura 6: Metodo sperimentale per determinare la sollecitazione al piede del cordone di saldatura

Infatti, i mezzi con cui a sollecitazione viene recuperata dalla soluzione ad elementi finiti è il tema centrale per tutti i metodi e norme concernenti l'analisi alla fatica delle saldature.

  • Il processo di saldatura introduce inevitabilmente delle sollecitazioni residue nella struttura, che possono essere dell'ordine della sollecitazione di snervamento. Poiché tali sollecitazioni sono solitamente sconosciute, normalmente le norme le trattano come un elemento di dispersione che è incorporato nelle curve S/N. La BS7608 esclude specificamente l'uso di qualsiasi correzione  sollecitazione media nell'effettiva analisi della fatica, a meno che sia nota la sollecitazione residua o che la giunzione abbia subito un processo di rinvenimento termico, nel cui caso la parte in compressione di ogni ciclo può essere ridotta al 60 % del valore calcolato. (Notare che in DesignLife questa correzione può essere riprodotta usando la correzione della sollecitazione media FKM [7], con le successive modifiche delle curve S/N standard: impostando il Rapporto R di prova a 0 ed i parametri di sollecitazione media M1=M3=M4=0 ed M2=-0,25)
  • Esiste un effetto di scala nella fatica, sicuramente valido per le strutture saldate, per cui le strutture spesse si guastano a sollecitazioni inferiori di quelle sottili. Ci sono molteplici cause per questo effetto, fra cui ragioni statistiche, gradienti di sollecitazione, processi di fabbricazione e sollecitazioni residue. In comune con le altre norme, la BS7608 ha un metodo empirico per modellare questo effetto: ridurre la resistenza alla fatica per spessori superiori ad un valore di riferimento, secondo la:

Equation - Analysis of Seam welds

ove il pendice B denota lo spessore di riferimento. Nella BS7608 lo spessore di riferimento è di 16 mm, ma gli studi come quelli effettuati da Gurney [8,9] suggeriscono che le correzioni dello spessore potrebbero essere estrapolati per gusci molto più sottili, consentendo di sfruttare ulteriori resistenze alla fatica.

Le caratteristiche principali della BS7608 qui descritte forniscono una buona guida agli argomenti necessari per coloro che progettano od analizzano una struttura saldata. Notare che questa norma non affronta la "rifinitura" (finessing) della progettazione delle singole saldature mediante lo stretto controllo della geometria saldata, il rinvenimento delle sollecitazioni, ecc. Per tali casi può essere più produttivo l'approccio locale come quello descritto in [10]. 

I calcoli della fatica basati sulle varie norme sulla saldatura possono essere svolti rapidamente usando nCode DesignLife, ove sono state introdotte numerose proprietà per renderli possibili, compresa la BS7608 e le curve S/N  Eurocode, i cicli piccoli ed i metodi di correzione con sollecitazione media. La sfida principale per un ingegnere che desideri effettuare gli idonei calcoli standard basati sugli elementi finiti è l'estrazione di un parametro di sollecitazione appropriato dai risultati della FE. Tuttavia, sono stati effettuati con buon successo dei calcoli utilizzando strategie di modellazione alquanto più semplici. Ad esempio, una giunzione saldata può essere spesso rappresentata dalla semplice connessione fra fogli di elementi di gusci. La cosa più importante è quella di assicurarsi che ci sia un'opportuna fila di punti di ripristino della sollecitazione – p.es. elementi centroidi – nella posizione del piede del cordone di saldatura. Gli elementi adiacenti alle giunzioni possono essere selettivamente inspessiti per meglio rappresentare la rigidità del cordone di saldatura. Vedere Figura 7.

Figure 7: Analysis of seam welds

Figura 7: Semplice strategia di modellazione per applicare la norma BS7608

Metodo "Volvo"

I metodi standard come quello descritto nella BS7608 non hanno dimostrato di essere molto popolari nelle applicazioni automobilistiche, per numerosi motivi:

  • Essi sono stati sviluppati principalmente per strutture con lamiere spesse, mentre la maggioranza delle giunzioni saldate in campo automobilistico usano lamiere con spessore di 3 mm o meno. 
  • I sistemi di classificazione delle saldature concepiti per strutture quali i ponti ed i serbatoi a pressione sono difficilmente assimilabili alle strutture automobilistiche, data la combinazione delle geometrie di saldatura ed ai complessi carichi in gioco.
  • Essi non sempre si prestano all'impiego in combinazione con modelli ad elementi finiti usualmente poco rifiniti (e quasi sempre non convergenti)come quelli tipicamente usati per l'analisi delle strutture automobilistiche.

Questi argomenti sono stati la motivazione per cui è stato sviluppato un nuovo metodo dalla Chalmers University su richiesta della Volvo Car Corporation. L'obiettivo era quello di sviluppare un metodo software amichevole basato su FE, adatto alla valutazione della fatica delle giunzioni saldate di tipiche strutture automobilistiche soggette a carichi complessi, che richiedesse il minimo intervento dell'utente. Il concetto fondamentale del metodo, come descritto da Fermér nel Riferimento [11], si basava sull'approccio per saldature a punti (spot-weld) descritti da Rupp nel Riferimento [12]. Questo metodo è stato adottato e conseguentemente sviluppato da nCode in collaborazione con la Volvo, ed è stato impiegato con successo da OEM e fornitori automobilistici. Per informazioni sulle applicazioni tipiche e sulle prestazioni, vedere il Riferimento[13]. Come il metodo sia implementato nel software è descritto in dettaglio nella nCode DesignLife Theory Guide [14], per cui viene qui solo brevemente riassunto. 

  • Strategia di modellazione: Il metodo richiede una semplice strategia di modellazione per le giunzioni di saldatura, con ogni cordone di saldatura raffigurato da un fila singola o doppia di elementi shell, come illustrato in Figura 8. Non è richiesta alcuna classificazione delle saldature se non la loro identificazione con giunzioni adiacenti (fillet) o sovrapposte, ed il posizionamento degli elementi di saldatura in gruppi idonei o serie di proprietà. Ciò consente di identificare automaticamente gli elementi appropriati per l'analisi.

Figure 8: Analysis of seam welds

Figura 8: Strategia di modellazione saldatura per il metodo "Volvo"

  • Recupero della sollecitazione: Nel concetto originale le sollecitazioni strutturali al piede del cordone di saldatura – essenzialmente la stessa combinazione di sollecitazioni della membrana e di flessione illustrata in Figura 4 – era calcolata in base alle forze nodali ed ai momenti agenti sugli elementi al piede od alla radice dei cordoni di saldatura. Questi sono gli elementi adiacenti a quelli di saldatura (in rosso ella parte destra della Figura 8). In pratica, ci sono numerosi e diversi modi per calcolare le sollecitazioni strutturali necessarie alla valutazione della fatica – tale argomento è descritto in dettaglio nella seguente sezione.
  • Rapporto flessionale: La sollecitazione strutturale usata per calcolare la fatica del piede del cordone di saldatura è la somma della sollecitazione della membrana e di flessione (vedere Figura 9). Tuttavia, i risultati di prove approfondite indicano che la resistenza alla fatica è molto maggiore per le giunzioni “flessibili” ove sono predominanti le sollecitazioni dovute alla flessione, all'opposto delle giunzioni “rigide” ove la maggioranza del contributo proviene dalle sollecitazioni della membrana. Il metodo si basa sulla definizione di un rapporto flessionale che è una frazione del contributo della flessione sulla sollecitazione globale. 

Figure 9: Analysis of seam welds

Figura 9: La sollecitazione superficiale è una combinazione delle sollecitazioni della membrana e di flessione 

Il rapporto flessionale è definito come: 

Per carichi complessi, il rapporto flessionale è determinato come media ponderata nel corso della storia temporale del carico.

  • Proprietà del materiale: La prestazione alla fatica del cordone di saldatura è descritta dalla coppia di curve S/N che rappresentano la resistenza alla fatica di una saldatura soggetta a condizioni di puro carico di membrana (rigido) e di carico di flessione (flessibile). In ogni punto di calcolo viene effettuata l'interpolazione fra le curve in funzione del rapporto flessionale. Si usa la curva più pessimistica o “rigida” finché il rapporto flessionale supera una soglia, e poi le curve vengono interpolate. Queste curve S/N possono essere generiche per acciai tipici, ma si possono ottenere dei risultati più rifiniti se l'utente impiega i dati dei materiali specifici. Le curve generiche fornite col software sono ottimizzate per carico ad ampiezza variabile.

Figure 10: Analysis of seam weldsFigure 10: Analysis of seam welds

Figura 10: Curve S/N generiche per cordoni di saldatura e funzione di interpolazione

  • Effetto dimensione: È compreso un effetto dimensione, in linea di principio simile a quello della BS7608. Se lo spessore di riferimento viene superato, la resistenza alla fatica è ridotta del fattore:

I valori tipici dello spessore di riferimento e dell'esponente sono 1 mm ed 1/6.

  • Effetto sollecitazione media: C'è una correzione della sollecitazione media opzionale che impiega l'approccio FKM in cui la sensibilità della sollecitazione media è definita in 4 regimi. Gli effetti dell'applicazione della sollecitazione media sono ritenuti più importanti per le strutture a guscio sottile che per quelle a guscio spesso; nelle strutture più sottili, le sollecitazioni residue dovute al processo di saldatura sono suscettibili di essere sostituite almeno parzialmente dalla distorsione.

Figure 11: Analysis of seam welds

DesignLife può essere facilmente configurato per simulare l'effetto dei carichi in esercizio o di prova sulle strutture saldate. La sottostante Figura 12 mostra un semplice “flusso” dei danni da fatica calcolati sul braccio saldato di una sospensione posteriore usando i metodi BS7608 e “Volvo”. Notare che i risultati del calcolo della fatica (p.es. danni o vita) possono essere post-elaborati sugli elementi adiacenti al cordone di saldatura, consentendo di identificare prontamente le probabili locazioni dei guasti e le durate di vita. 

Figure 12: Analysis of seam welds

Figura 12: Analisi della fatica dei cordoni di saldatura utilizzando i metodi "Volvo" e BS7608 in nCode DesignLife

Una delle questioni principali per chiunque desideri effettuare l'analisi alla fatica delle strutture saldate, concerne il recupero delle sollecitazioni dal modello FE. Il metodo “Volvo” descritto nella sezione precedente richiede la sollecitazione strutturale (di membrana e di flessione) del piede del cordone di saldatura. La maggioranza delle strutture automobilistiche saldate sono modellate con elementi a guscio sottile, ma ci sono numerosi modi con cui si può calcolare la sollecitazione, con variazioni che dipendono dalla formulazione degli elementi.

Modellazione FE e Metodi di Recupero Sollecitazioni - Gusci sottili

  • Uso dei metodi di recupero convenzionali della sollecitazione: Il metodo Volvo richiede le sollecitazioni al bordo degli elementi, il che significa che esse verranno estrapolate dai punti i integrazione. Date le caratteristiche geometriche dei cordoni di saldatura, la convergenza delle maglie non è in realtà possibile, per cui le sollecitazioni convenzionali da nodo ad elemento tendono ad essere incoerenti e molto sensibili alla densità delle maglie,alla loro qualità ed alla formulazione dell'elemento.
  • Si basa sulle forze del punto griglia: Questo è il metodo originale proposto da Fermér nel 1998 [11]. Esso è stato perfezionato in DesignLife in modo che la sollecitazione strutturale nel punto medio del bordo di ogni elemento cordone di saldatura sia determinato in funzione delle forze lineari e dei momenti al cordone di saldatura così come illustrato in Figura 13.

 

Figure 13: Analysis of seam welds

Figura 13: Calcolo della sollecitazione strutturale del cordone di saldatura in funzione delle forze lineari e dei momenti.

  • Le forze lineari ed i momenti sono a loro volta calcolati dalle forze del punto griglia negli elementi cordone di saldatura. Non ci sono cose come il metodo ad elementi finiti insensibile alla maglia, ma questo approccio mostra una considerevole riduzione della sensibilità alla dimensione della maglia ed alla forma o formulazione dell'elemento specialmente intorno alla fine del cordone di saldatura.
  • Recupero della sollecitazione CUBIC: Per gli utenti di NASTRAN è disponibile un'altra opzione con prestazioni molto simili all'approccio forze del punto griglia. In NASTRAN, l'opzione recupero della sollecitazione CUBIC non si basa sull'estrapolazione dai punti di integrazione, ma piuttosto sugli spostamenti relativi e rotazioni dei nodi. L'elemento viene invece usato come una rosetta i estensimetri, con l'inserzione di funzioni cubiche di spostamento negli spostamenti e  rotazioni calcolati, per determinare le deformazioni e conseguenti sollecitazioni negli angoli.  
    Figura 14: Recupero della sollecitazione basato sugli spostamenti usando la funzione CUBIC di spostamento 
    Il metodo CUBIC non è disponibile nella maggior parte di programmi FE ma, per gli utenti di altri programmi, esiste un'opzione in DesignLife che può derivare le sollecitazioni dagli spostamenti e rotazioni nodali. Essa fornisce risultati molto simili a quelli dell'opzione NASTRAN CUBIC, ma non mostra buone prestazioni per gli elementi distorti. 

Modellazione FE e Metodi di Recupero Sollecitazioni - Elementi solidi

Esistono tuttavia alcune strutture che non possono essere adeguatamente modellate con gli elementi a guscio sottile, per cui sono necessari modelli solidi più dettagliati. In effetti ciò non ha nulla a che vedere col fatto che la struttura sia “spessa” o “sottile”, ma piuttosto se la forma della struttura – in particolare se ci sono proprietà geometriche in scala simile allo spessore dei gusci – viola i presupposti fondamentali associati agli elementi a guscio sottile. Ad esempio, nel provino tubolare a T da 6 mm dello studio TWI [9] illustrato in Figura 15, la prossimità del cordone di saldatura all'angolo del tubo orizzontale significa che questa zona non può essere adeguatamente rappresentata con gli elementi a guscio sottile. 

Figure 15: Analysis of seam welds

Figura 15: Provino tubolare a T dello studio TWI

Il problema che si presenta è come determinare la sollecitazione strutturale da una distribuzione non lineare di sollecitazioni lungo un modello solido. Il metodo ora implementato in DesignLife è come principio simile a quello descritto da Niemi nel Riferimento [16]. In questo approccio, la distribuzione della sollecitazione nello spessore di una struttura adiacente al cordone di saldatura è ripartita in distribuzione di sollecitazione di membrana, flessione lineare e picchi non lineari, come illustrato in Figura 16.

Figura 16: Ripartizione della distribuzione della sollecitazione totale al piede del cordone di saldatura

La sollecitazione di membrana è semplicemente quella media al piede del cordone di saldatura, mentre il componente di flessione è scelto in modo tale che il residuo – il picco di sollecitazione non lineare – sia in equilibrio. La sollecitazione strutturale è poi a somma dei componenti di membrana e di flessione. Un approccio simile è descritto nel programma ASME pressure vessel [2]. In DesignLife, i componenti di membrana e di flessione vengono determinati dall'integrazione nello spessore delle sollecitazioni lungo una linea proiettata verso il basso dal cordone di saldatura:

Questo metodo fornisce un mezzo affidabile e relativamente insensibile alle maglie per determinare la sollecitazione strutturale. Un esempio è mostrato in Figura 17. Qui un dettaglio del cordone di saldatura è stato modellato usando elementi tetraedrici ed esaedrici. Per la peculiarità della sollecitazione, i picchi di sollecitazione sono molto dipendenti dalle maglie (e infatti privi di senso come risultato); la sollecitazione di picco della maglia tetraedica a 10 nodi è di 1612 MPa rispetto ai 695 MPa della maglia esaedrica. Invece, con la sollecitazione di picco linearizzata, come determinato da DesignLife, confronta molto bene i 569 MPa con i 553 MPa. In generale i risultati sono molto buoni finché ci sono almeno 3 strati di solidi attraverso lo spessore.

Figura 17: Confronto fra il picco FE locale (a sinistra) e le sollecitazioni linearizzate (a destra)

Il metodo di integrazione nello spessore richiede la definizione di una serie di punti lungo il cordone di saldatura, insieme ad una superficie normale e ad un altro vettore per definire l'orientamento del cordone di saldatura. Questi punti possono essere definiti ed importati utilizzando un file ASCII. Al momento della scrittura di quest'articolo, gli strumenti (tool) per la creazione di questo file sono ancora in fase di discussione con diversi fornitori CAE.

Oltre che per la previsione delle cricche dal cordone di saldatura, questo metodo si può utilizzare anche per altri percorsi delle cricche, p.es. che dall'esterno della radice attraversino la saldatura, come illustrato in Figura 18.

Figure 18: Analysis of seam weldsFigure 18: Analysis of seam welds

Figura 18: Definizione dei punti di calcolo al piede del cordone di saldatura (a sinistra) e percorsi alternativi della cricca (a destra)

Validazione / Esempi

Per una valutazione indipendente del metodo Volvo, furono effettuate numerose prove di validazione con una grande varietà di geometria dei provini e spessore dei gusci. Vedere il Riferimento [15].

I seguenti esempi si basano sui dati di prova con una grande varietà geometrica dei provini, pubblicati nel Riferimento [9]. Ogni geometria fu modellata usando gli elementi solidi e poi analizzata in DesignLife utilizzando l'integrazione nello spessore per il recupero della sollecitazione insieme al metodo Volvo, impiegando le curve S/N generiche della banca dati di DesignLife. Tutti i provini furono costruiti con lamiera da 6 mm.

Il primo esempio si basa sul provino tubolare a T già illustrato in Figura 15. Esso fu assoggettato a flessione in piano e fuori piano come si vede in Figura 19.

Figura 19: Provino tubolare a T soggetto a carico in piano e fuori piano

Il provino fu modellato usando elementi tetraedici, con punti di calcolo definiti al piede del cordone di saldatura nelle sezioni orizzontale e verticale del provino, come illustrato in Figura 20.

Figure 19: Analysis of seam weldsFigure 20: Analysis of seam welds

Figura 20:  Maglia di elementi finiti del tubo a T, e percorsi di integrazione per la sollecitazione strutturale del cordone di saldatura

La correlazione fra le località prevista ed effettiva della cricca ed i tempi di vita di un paio di casi è illustrata nelle Figure 21 e 22. Notare che il criterio di guasto per il metodo “Volvo” è la presenza di una cricca visibile.

Figure 21: Analysis of seam weldsFigure 21: Analysis of seam welds

Figura 21: Flessione in piano. Vita prevista = 26000 cicli. Prova = cricca da 15 mm a 71000 cicli.

Figure 22: Analysis of seam weldsFigure 22: Analysis of seam welds

Figura 22: Flessione fuori piano. Vita prevista = 44000 cicli. Cricca osservata "A" a 47000 cicli.

Ulteriori casi di validazione sono stati condotti su provini con differenti tipi di giunzioni saldate. I risultati sono riassunti nelle Figure 23-25.

Figura 23: Correlazione dell'analisi di una prova. Giunzione tubolare saldata. 

Figura 24: Correlazione dell'analisi di una prova. Corta giunzione saldata.

Figura 25: Correlazione dell'analisi di una prova. Giunzione saldata con penetrazione parziale. 

Gli esempi sopra descritti mostrano una buona correlazione della vita prevista e della locazione del guasto. 

Osservazioni conclusive

nCode DesignLife fornisce una flessibile, potente e ben validata serie di strumenti per l'analisi della fatica d strutture con cordoni di saldatura. Questi strumenti (tool) consentono di effettuare i calcoli sulla fatica:

  • secondo le norme esistenti quali la BS7608, la ASME e la Eurocode 3, oppure usando il metodo “Volvo” per cui il software è ben conosciuto,
  • basandosi sui modelli a guscio o ad elementi solidi, 
  • basandosi sulle sollecitazioni FE normali, o sulle sollecitazioni strutturali derivate dalle forze del punto griglia, o sollecitazioni CUBIC oppure mediante l'integrazione nello spessore, 
  • tenendo conto degli effetti del tipo di carico, dello spessore dei gusci e se appropriato, delle sollecitazioni medie e dei piccoli cicli, 
  • usando le curve S/N generiche o definite dall'utente, 
  • utilizzabile con un'ampia gamma di spessori dei gusci. 

Questi metodi sono tutti disponibili in nCode DesignLife, con una interfaccia utente facile da usare ed orientata al processo.