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INGEGNERIA CIVILE, DELL'AMBIENTE, DEL TERRITORIO E ARCHITETTURA - PARMA(PR)
La valutazione della vita a fatica di strutture intagliate soggette a stati tensionali multiassiali può essere effettuata mediante metodologie basate sull' "approccio del piano critico". Utilizzando tale approccio, la verifica della crisi a fatica viene eseguita in un piano in cui l'ampiezza o il valore di alcune componenti di tensione o una loro combinazione raggiungono il valore massimo. In alternativa, la posizione del piano critico può essere messa in relazione a quella degli assi principali di tensione, poiché da diverso tempo è stato osservato che le direzioni principali di tensione influenzano i fenomeni di fatica. D'altra parte, tali direzioni nel caso di carichi a fatica sono variabili nel tempo e, perciò, sarebbe opportuno considerare le direzioni principali "medie" ricavate utilizzando, per esempio, appropriate funzioni "peso". Scopo principale del presente progetto di ricerca è quello di sviluppare un criterio che correli l'orientazione del piano critico con le direzioni "medie pesate" delle tensioni principali. Infine, la verifica a fatica di strutture intagliate può essere eseguita considerando una combinazione delle componenti normali e tangenziali della tensione agente sul piano critico. Gli obiettivi di ricerca sono ora esposti più in dettaglio. OBIETTIVO N. 1 (1° anno, 1° semestre) Sviluppo di un criterio per carichi ciclici multiassiali ad ampiezza costante, in regime ad alto numero di cicli. Tale criterio analizzerà lo stato tensionale in un punto critico del componente strutturale considerato. La procedura di media delle direzioni principali di tensione variabili nel tempo permetterà di analizzare anche i casi di carico non proporzionale (ad esempio, carico fuori fase, carico asincrono, percorsi complessi di carico). L'orientazione sia del piano di frattura per fatica sia del piano critico (piano di verifica) possono essere correlati con le direzioni principali medie pesate. L'ampiezza e il valore medio delle componenti di tensione agenti sul piano critico possono essere definite ed impiegate per eseguire la verifica a fatica. In particolare, si considererà una combinazione non lineare utilizzando l'ampiezza della tensione tangenziale e il valore massimo della tensione normale agente sul piano critico. Per prima cosa deve essere analizzata la condizione multiassiale del limite di fatica. Quindi si può determinare il dominio di sicurezza per fatica, descritto nel diagramma dell'ampiezza della tensione tangenziale in funzione della massima tensione normale relative al piano critico. Impiegando la classica relazione di Basquin, il suddetto criterio sarà usato per valutare anche la vita a fatica (in regime ad alto numero di cicli) per condizioni di carico multiassiale generico. Risultati sperimentali disponibili in letteratura verranno utilizzati per verificare la validità del criterio proposto. Tali dati sperimentali sono principalmente relativi a provini lisci costituiti di materiali metallici di tipo "hard" (per questi materiali, il rapporto tra il limite di fatica per torsione ciclica alterna e il limite di fatica per flessione alterna è compreso nell'intervallo tra 0.58 e 1), mentre le condizioni di carico includono : flessione e torsione (barre di sezione circolare), carico ciclico di trazione-compressione e pressione interna (provini tubolari), carico normale biassiale (provini a croce). Il carico multiassiale base considerato riguarderà stati tensionali piani in fase o fuori fase, sinusoidali, sincroni, con tensione media uguale o diversa da zero, sebbene saranno esaminati anche dati sperimentali per più complesse condizioni di carico ciclico ad ampiezza costante. E' inoltre prevista l'esecuzione di alcune prove sperimentali da parte dell'Unità di Parma ad integrazione dei dati sperimentali disponibili in letteratura. OBIETTIVO N. 2 (1° anno, 2° semestre) Lo scopo sarà quello di estendere il suddetto criterio a condizioni complesse di carico multiassiale. In particolare, saranno considerati carichi ad ampiezza variabile. Verrà esaminata la questione essenziale del problema, cioè come identificare i cicli e calcolare il danneggiamento per ogni ciclo in una storia di carico complessa. Introducendo un metodo adatto per il conteggio dei cicli e un modello di danno, si eseguirà una valutazione della vita a fatica. Dati sperimentali disponibili in letteratura (compresi quelli per carichi random) saranno analizzati per verificare la affidabilità del criterio proposto. E' inoltre prevista l'esecuzione di alcune prove sperimentali da parte dell'Unità di Parma ad integrazione dei dati sperimentali disponibili in letteratura. OBIETTIVO N. 3 (2° anno, 1° semestre) Lo scopo sarà quello di estendere il criterio al regime di fatica a basso numero di cicli. Considerando le tensioni normali e tangenziali agenti sul piano critico, si può calcolare la densità totale di energia di deformazione per ciclo. In tal modo, si può sviluppare un criterio basato sull'approccio del piano critico e su quello energetico. L'utilizzo di parametri energetici, calcolati rispetto ad un piano specifico (il piano critico precedentemente definito), permetterà di tenere conto dell'influenza delle deformazioni plastiche nella verifica a fatica. Il criterio energetico sviluppato sarà applicato al caso di carichi multiassiali ad ampiezza costante (ad esempio stati piani di tensione dovuti a carichi sinusoidali sincroni). Per validare il modello, verranno esaminati alcuni risultati sperimentali relativi a prove di fatica a basso numero di cicli. E' inoltre prevista l'esecuzione di alcune prove sperimentali da parte dell'Unità di Parma ad integrazione dei dati sperimentali disponibili in letteratura. OBIETTIVO N. 4 (2° anno, 2° semestre) Partendo dall'approccio originale basato su parametri tensionali, si cercherà di sviluppare un modello per la verifica a fatica definito secondo concetti non-locali. Pertanto, la verifica a fatica sarà eseguita considerando non più lo stato tensionale in un singolo punto, ma quello in una regione finita del componente strutturale. In tal modo, alcuni effetti legati ai gradienti di tensione, che come noto influenzano la resistenza a fatica, saranno inclusi nel modello. I gradienti di tensione potranno essere causati dalle condizioni di carico o dalla presenza di intagli, i quali, fra l'altro, producono condizioni di sforzo multiassiale in vicinanza dell'intaglio anche in componenti strutturali soggetti a carichi monoassiali. Verrà affrontato uno studio comparativo di alcuni risultati sperimentali al fine di mettere in evidenza l'influenza dei gradienti di tensione sul comportamento a fatica. A titolo di esempio si osservi che, secondo l'approccio non-locale proposto, saranno determinati valori teorici del limite di fatica per provini lisci soggetti a sforzi normali e tangenziali, valori che varieranno in funzione del gradiente della tensione normale (gradiente nullo per prove di trazione, gradiente constante per prove di flessione semplice o di flessione rotante). Inoltre sarà considerato il reale stato di tensione nelle vicinanze dell'intaglio per definire la dimensione del volume finito da considerare nella verifica a fatica. Quindi, come osservato sperimentalmente, il valore della resistenza a fatica del componente risulterà dipendente anche dal gradiente di tensione, contrariamente a quanto previsto dai modelli basati sull'approccio locale (vedi Obiettivo N.1). Infine, attraverso modelli numerici, verrà affrontata l'analisi di alcuni componenti strutturali dell'ingegneria meccanica e civile, per i quali è opportuno esaminare la resistenza a fatica. L'applicazione del criterio proposto permetterà di determinare la vita a fatica prevista, effettuando la verifica nei punti più sollecitati dei componenti strutturali in esame.
