Local approaches applied to fracture and fatigue problems

Variazioni geometriche, come intagli, cricche o difetti in generale, sono comunemente presenti nella maggior parte dei componenti meccanici e possono indurre elevati gradienti di tensione per effetto dei carichi esterni. La valutazione della resistenza strutturale dei componenti meccanici è perciò generalmente basata sullo stato di tensione e deformazione locale, nelle adiacenze di tali variazioni geometriche. La presente tesi di dottorato è divisa in sei Capitoli corrispondenti a diversi argomenti di ricerca, tutti relativi a nuove applicazioni di importanti e ampiamente diffusi approcci locali a componenti strutturali intagliati o criccati. Nel primo Capitolo, sono brevemente introdotti e descritti gli approcci locali adottati, cioè l’approccio basato sul Notch Stress Intensity Factor (NSIF), il criterio basato sulla densità di energia di deformazione mediata (SED) e il Peak Stress Method (PSM), assieme alle loro basi teorico-analitiche. Il secondo Capitolo si occupa della frattura fragile sotto carichi statici di modo misto. Una campagna sperimentale estesa è stata eseguita su provini intagliati e criccati in PMMA ed in grafite soggetti a carichi di modo misto I+II e I+III. In seguito, tutti i dati sperimentali sono stati rianalizzati per mezzo dell’approccio SED. Il terzo Capitolo tratta il tema della fatica multiassiale. Inizialmente, è stata investigata la resistenza a fatica di una lega di titanio grado 5, Ti-6Al-4V, severamente intagliata. In seguito, il criterio SED è stato applicato per la prima volta ad un caso studio di interesse industriale: la valutazione della resistenza a fatica multiassiale di rulli saldati in acciaio, prodotti da Rulmeca S.p.a. e caratterizzati da cedimenti alla radice del cordone di saldatura. Infine, prendendo in esame componenti indeboliti da intagli a V acuti soggetti a carichi di fatica multiassiale, sono state tratte alcune osservazioni sull’effetto dell’angolo di fase sulla base di un nuovo approccio analitico. Il quarto Capitolo tratta lo studio numerico e teorico degli effetti 3D in componenti intagliati e criccati. Inizialmente, l’attenzione è stata focalizzata sui modi accoppiati e sull’effetto di diverse condizioni al contorno in dischi e piastre criccate, tridimensionali e soggette ad un carico nominale di modo III o modo II. Infine la presenza di effetti 3D è stata investigata sia dal punto di vista teorico che numerico in componenti indeboliti da intagli blandi e in condizioni di plasticità ciclica. Il quinto Capitolo, invece, è relativo al confronto tra diversi criteri di cedimento. Sono stati confrontati l’approccio SED e quello basato sulla teoria della Finite Fracture Mechanics (FFM), considerando intagli a V acuti soggetti a puro modo I o puro modo II. Infine, nel sesto Capitolo è stato investigato un legame tra il criterio SED ed il Peak Stress Method (PSM). Sono stati presi in esame componenti strutturali criccati soggetti a carichi di modo misto nel piano I+II e fuori piano I+III. È stato proposto un metodo per calcolare rapidamente il SED a partire dalle tensioni di picco valutate all’apice di cricca. Il legame ottenuto tra PSM e SED è stato poi impiegato nella stima della resistenza a fatica di giunti saldati testa a testa in acciaio ed alluminio e di giunti saldati tubo-su-flangia in acciaio sottoposti a carichi torsionali.