Nel campo dell'ingegneria strutturale, la modellazione delle saldature è un processo fondamentale per valutare il comportamento e l'integrità delle giunzioni saldate. Utilizzando il metodo degli Elementi Finiti (FEM), è possibile analizzare le sollecitazioni, le deformazioni e gli effetti termici nelle saldature al fine di garantire la resistenza e la sicurezza delle strutture.
Tecniche comuni nella modellazione delle saldature
La modellazione delle saldature nel FEM prevede diverse fasi chiave:
- Modellazione geometrica: Il processo inizia con la creazione di modelli geometrici accurati delle parti saldate e delle zone termicamente alterate (HAZ) utilizzando software di modellazione 3D. Questo passo è cruciale per rappresentare fedelmente la geometria della saldatura e delle parti circostanti.
- Schematizzazione dell'elemento finito: L'area di interesse viene discretizzata in elementi finiti, che approssimano il comportamento del materiale. Gli elementi FEM utilizzati possono essere di tipo "beam" (1D), di tipo “shell” (2D) o infine di tipo "solid" (3D).
- Definizione delle proprietà dei materiali: agli elementi FEM creati viene assegnato un materiale specifico con le sue proprietà fisiche e meccaniche, quali modulo elastico, coefficiente di dilatazione termica, conduttività termica e resistenza alla trazione, tutte essenziali per una rappresentazione accurata della saldatura.
- Modellazione del processo di saldatura: La simulazione del processo di saldatura è fondamentale per considerare il calore generato durante la saldatura e le conseguenti deformazioni termiche dei materiali circostanti. Parametri come l'energia di saldatura, la velocità e il profilo termico sono presi in considerazione in fase di definizione del modello.
- Analisi termo-meccanica: Un'analisi termo-meccanica valuta lo stress e la deformazione nella zona di saldatura, tenendo conto degli effetti termici e meccanici, inclusi il raffreddamento e la contrazione dei materiali durante e dopo la saldatura.
- Verifica e validazione: Il modello di saldatura viene verificato e validato confrontando i risultati numerici con dati sperimentali o soluzioni analitiche note, al fine di garantire l'affidabilità e l'accuratezza del modello.
Normative e approccio di analisi
Per la verifica e la validazione del modello FEM si ricorre all’utilizzo di norme prescritte, tra queste una delle più importanti e più comunemente utilizzata nel settore è l'ASME. In particolare, la parte 5 dell'ASME VIII divisione 2, edizione 2021, è dedicata al Design by Analysis, con il paragrafo 5.5.5 che descrive come effettuare la valutazione delle saldature soggette a fatica mediante un'analisi numerica di tipo elastico.
La procedura riportata nella normativa prevede i seguenti passaggi principali:
- Determinazione della storia di carico sulla base delle specifiche di progetto.
- Valutazione degli stress membranali e flessionali, ricavati lungo la direzione normale all'ipotetico piano di rottura della saldatura e degli stress massimo, minimo e medio dal modello FEM.
- Calcolo del range di stress e strain non lineari locali utilizzando la formula di Neuber, abbinata a un modello per la curva sforzo-deformazione del ciclo di isteresi del materiale.
- Calcolo del range di stress per la fatica a basso numero di cicli, tenendo conto degli effetti della plasticità che dipendono dal range di stress applicato e dalla curva sforzo-deformazione ciclica.
- Determinazione del numero ammissibile di cicli utilizzando le curve di fatica per i giunti saldati fornite nella normativa e calcolo del danno a fatica.
La modellazione delle saldature nel FEM è un processo complesso che richiede competenze specifiche per ottenere risultati accurati. Grazie a normative come l'ASME, è possibile seguire una procedura strutturata per valutare l'integrità strutturale delle giunzioni saldate, garantendo sicurezza e affidabilità nelle applicazioni industriali.
La modellazione delle saldature nel FEM è un processo complesso che richiede competenze specifiche per ottenere risultati accurati. Grazie a normative come l'ASME, è possibile seguire una procedura strutturata per valutare l'integrità strutturale delle giunzioni saldate, garantendo sicurezza e affidabilità nelle applicazioni industriali.