Valutazione della fatica nelle saldature mediante modellazione a shell

Introduzione

Una delle prime cause di cedimento delle giunzioni saldate è rappresentato dalla rottura per fatica. Questo non deve sorprendere in quanto la modellazione delle saldature, a causa di una serie di fattori, sono spesso i punti più problematici di una struttura soggetta a carichi ciclici e per questo è di fondamentale importanza poter effettuare un’accurata valutazione di queste tipologie di giunzioni.

Tale valutazione tuttavia non è una operazione facile in quanto occorre considerare vari aspetti. Innanzitutto il processo di saldatura porta alla formazione di probabili punti di innesco di cricche, a causa ad esempio della possibile inclusione di scorie o per la presenza di anomalie che si verificano durante l’operazione di saldatura.

Inoltre tale processo genera delle tensioni residue che possono essere anche molto elevate ed infine la zona termicamente alterata tra il cordone di saldatura e il materiale base ha tipicamente un comportamento a fatica diverso dalle parti limitrofe. È quindi fondamentale poter disporre di un software di simulazione che tenga conto di questi ed altri aspetti al fine di poter evitare rotture o comportamenti anomali della struttura finale.

Perché modellare a shell

Nel caso di saldature tra lamiere sottili, un aspetto distintivo della modellazione a shell è la sua capacità di catturare efficacemente le caratteristiche tridimensionali delle saldature con un costo computazionale relativamente basso se paragonato alla classica modellazione solida. In questo caso, la modellazione a shell consente una simulazione più rapida ed efficiente rispetto a modelli solidi mantenendo al contempo un livello di accuratezza adeguato per la verifica a fatica.

Nel presente articolo discuteremo le fasi fondamentali e le peculiarità della modellazione a shell delle saldature.

Fasi e peculiarità della modellazione a shell delle saldature

Le fasi della modellazione a shell delle saldature sono in buona parte simili a quelle della modellazione solida, tuttavia sono caratterizzate da alcune peculiarità che è bene conoscere. Nel dettaglio, il processo di modellazione a shell delle saldature è caratterizzato dai seguenti passaggi:

Definizione della geometria

La geometria viene modellata utilizzando elementi Shell collocati sul piano medio delle lamiere, naturalmente anche il cordone di saldatura sarà modellato tramite elementi Shell, in questo caso lo spessore di tali elementi sarà pari a quello della sezione di gola della saldatura, mentre saranno da trascurare particolarità geometriche come piccoli raggi di raccordo o altri dettagli.

Definizione della mesh

Tipicamente, in questo ambito, i software di calcolo utilizzano metodi (come può essere ad esempio il metodo Volvo/Chalmers) caratterizzati da un buon grado di mesh insensitive, ovvero non richiedono una mesh particolarmente fitta per avere risultati accurati.

Nonostante questo è bene che la mesh sul cordone di saldatura e in prossimità dello stesso sia regolare e possibilmente caratterizzata da elementi quadratici del secondo ordine, si sconsiglia quindi l’utilizzo di elementi triangolari, fatta eccezione per gli elementi di chiusura del cordone collocati agli estremi della saldatura stessa (fig. sottostante).

Definizione di carichi e vincoli

Particolare attenzione deve essere dedicata alla definizione dei cicli di carico e dei vincoli in quanto costituiscono un dato fondamentale nella determinazione della resistenza a fatica della saldatura.

Valutazione dello stato di stress

I Software di calcolo spesso valutano il danno a fatica alla radice e al piede della saldatura. Per calcolare lo stato tensionale tali software, sebbene ci siano vari approcci disponibili,  tipicamente partono dalle forze e dai momenti nodali che poi saranno convertiti in stress.

Valutazione degli effetti dovuti allo spessore

Il metodi utilizzati dai software di calcolo per la valutazione delle saldature modellate a shell (come ad esempio il già citato metodo Volvo/Chalmers) sono pensati per operare con lamiere di piccolo spessore (dell’ordine del millimetro), se lo spessore è maggiore i risultati ottenuti possono risultare poco conservativi e occorre quindi incrementare gli stress mediante opportune funzioni basate sul rapporto tra lo spessore reale e lo spessore di riferimento della lamiera.

Valutazione degli effetti dovuti allo stress medio

Anche per quanto riguarda gli effetti dovuti allo stress medio lo spessore gioca un ruolo fondamentale nell’influenzare i valori di stress. Nella situazione di lamiere di piccolo spessore saranno predominanti gli stress derivanti dai carichi operativi rispetto agli stress residui del processo di saldatura, mentre viceversa nel caso di lamiere ad elevato spessore saranno predominanti gli stress residui del processo di saldatura rispetto agli stress derivanti dei carichi operativi. Per tenere conto di tutti questi effetti è opportuno applicare un criterio di correzione dello stress medio (come ad esempio quello riportato nelle FKM-Guidelines).

Conclusioni

In conclusione, nel caso di saldature tra lamiere sottili, la modellazione a shell per la valutazione della fatica nelle zone saldate rappresenta un approccio rapido ed efficiente che permette al contempo di mantenere un livello di accuratezza adeguato rispetto a modelli solidi.

L'approccio avanzato della modellazione a shell offre agli ingegneri la possibilità di esaminare con precisione e in modo efficiente il comportamento delle saldature sotto carichi ciclici, contribuendo a garantire la sicurezza e la durabilità delle strutture. Investire in questa metodologia è essenziale per affrontare le sfide sempre più complesse dell'ingegneria strutturale moderna.

Nel caso di saldature tra lamiere sottili, un aspetto distintivo della modellazione a shell è la sua capacità di catturare efficacemente le caratteristiche tridimensionali delle saldature con un costo computazionale relativamente basso se paragonato alla classica modellazione solida. In questo caso, la modellazione a shell consente una simulazione più rapida ed efficiente rispetto a modelli solidi mantenendo al contempo un livello di accuratezza adeguato per la valutazione della fatica. Nel presente articolo discuteremo le fasi fondamentali e le peculiarità della modellazione a shell delle saldature.