La valutazione del comportamento a fatica è un fattore cruciale nel design e nell'analisi di un qualunque sistema meccanico sottoposto a sollecitazioni cicliche. Nel presente articolo, esploreremo il ruolo fondamentale del calcolo strutturale nelle verifiche a fatica, discuteremo le principali differenze tra i metodi Stress-Life e Strain-Life utilizzati per studiare tale fenomeno e analizzeremo l'importanza dell’analisi numerica nella valutazione delle saldature.
La fatica è un fenomeno estremamente insidioso in quanto, per la maggior parte della durata operativa del componente che ne è coinvolto, non si manifesta con segni visibili a occhio nudo. Questo può portare a una rottura improvvisa del componente, rottura che inoltre spesso si verifica per valori di stress che possono essere anche molto inferiori rispetto al carico di rottura del materiale.
I test sperimentali volti alla valutazione di un componente soggetto a fatica presentano considerevoli limiti principalmente a causa dei loro costi elevati ed alla necessità di gestire un volume significativo di dati, dovuto alla intrinseca variabilità del fenomeno studiato. Di conseguenza, condurre test sperimentali durante la fase di progettazione diventa spesso impraticabile, limitando il loro impiego alla fase di verifica, tipicamente attraverso test di tipo "passa" o "non passa".
L'impiego della simulazione strutturale permette di ottimizzare il design delle strutture, riducendo il rischio di guasti imprevisti.
I metodi che si possono utilizzare per studiare il fenomeno della fatica si basano sostanzialmente su due approcci che sono lo Stress-Life e lo Strain-Life.
Lo Stress Life è il metodo più antico e storicamente più utilizzato, esso presuppone che il danno a fatica sia guidato dagli stress, in particolare stress di tipo elastico, la plasticizzazione macroscopica del materiale non viene quindi considerata. Questo comporta lo svantaggio che tale metodo si possa applicare solo a condizioni di carico ciclico caratterizzate da un basso stress e un alto numero di cicli (indicativamente maggiori di 100000 cicli).
Tra i vantaggi, vi è il fatto che è una tecnica semplice, che spesso può essere verificata anche mediante il calcolo manuale. Inoltre, dato che questo approccio vanta una vasta esperienza nel settore industriale, è anche la metodologia per la quale è più facile trovare le curve dei materiali.
Lo Strain Life è invece un metodo più recente, in questo caso si presume che il danno a fatica sia guidato dagli strain, in particolare strain elastoplastici. Grazie al fatto di considerare le deformazioni elastoplastiche del materiale, il metodo Strain-Life ha il vantaggio di poter essere applicato (a differenza del metodo Stress-Life) per valutare il comportamento a fatica di componenti meccanici sia ad alto, che a basso numero di cicli. Quindi con stress che possono essere inferiori, ma anche superiori allo snervamento.
Tra gli svantaggi, vi è il fatto che è più oneroso e complesso da implementare rispetto allo Stress-Life, infatti per la sua applicazione è spesso necessario l’utilizzo del calcolo numerico. Inoltre, essendo un approccio relativamente recente (l’inizio del suo utilizzo risale a circa 40 anni fa) ed essendo le curve ε-N (sulle quali si basa) più onerose da ottenere dal puto di vista sperimentale rispetto alle curve σ-N (sulle quali è invece basato il metodo Stress-Life) può, in alcuni casi, risultare relativamente più difficile trovare in letteratura le curve di alcuni materiali.
La saldatura è un processo che permette il collegamento tra due o più componenti utilizzando il calore, la pressione o entrambi. Rispetto ad altre giunzioni ha la caratteristica di attuare la continuità del materiale. Le saldature sono spesso i punti più critici di una struttura soggetta a carichi ciclici perché, in genere, sono meno resistenti ai fenomeni di fatica rispetto al materiale base circostante.
Questo comportamento è dovuto ad una serie di fattori, innanzitutto il processo può generare delle geometrie anomale che possono provocare delle concentrazioni di sforzi, in fase di apporto del materiale si può verificare l’inclusione di scorie che possono diventare potenziali punti di innesco di cricche, il processo stesso genera poi delle tensioni residue di trazione che possono essere anche molto elevate ed inoltre la zona termicamente alterata che si genera tra la saldatura e il materiale base ha tipicamente un comportamento a fatica diverso dalle parti limitrofe.
Tutti questi fenomeni rendono le saldature delle zone particolarmente problematiche per la vita a fatica di una struttura e la simulazione numerica diventa quindi fondamentale per garantire l’integrità e la sicurezza delle strutture stesse. Identificare potenziali problemi nelle saldature prima della loro produzione fisica diventa cruciale per evitare costosi difetti o malfunzionamenti nella struttura finale. In questo contesto, l'impiego della simulazione numerica emerge quindi come una risorsa fondamentale per valutare il comportamento delle zone saldate.
L'uso della simulazione strutturale porta con sé numerosi vantaggi. In primo luogo, consente di ottimizzare il design delle strutture, riducendo il rischio di guasti imprevisti. Inoltre, permette di risparmiare tempo e risorse, in quanto consente di identificare e risolvere potenziali problematiche prima della fase di produzione, riducendo al minimo i test sperimentali. Il suo utilizzo diventa fondamentale qualora si voglia utilizzare l’approccio Strain-Life, ad esempio per la verifica di componenti soggetti a stress superiori allo snervamento e basso numero di cicli.
L’analisi numerica permette inoltre uno studio accurato di zone critiche come le saldature, permettendo di identificare rapidamente potenziali problemi. La capacità di valutare in modo accurato il comportamento di materiali e strutture sotto sollecitazioni cicliche contribuisce significativamente alla sicurezza e all'efficienza delle strutture finali. Investire nella simulazione strutturale non solo ottimizza i processi di progettazione e produzione ma permette anche di ottenere strutture caratterizzate da una qualità e un'affidabilità sempre migliori.