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Stato della Ricerca Italiana sui Sistemi di Giunzione – Vicenza 27-28 aprile 2008
Università di Trento
Dipartimento di Ingegneria dei Materiali e delle Tecnologie Industriali
Gruppo di ricerca
Area Costruzione di macchine
Vigilio Fontanari Prof. associatoMatteo Benedetti RicercatoreBernardo Monelli DottorandoAndrea Rao Dottorando
Area Metallurgia
Giovanni Straffelini Prof. Associato
Area Materiali Polimerici e Compositi
Alessandro Pegoretti Prof. Associato
Stato della Ricerca Italiana sui Sistemi di Giunzione – Vicenza 27-28 aprile 2008
Introduzione
Sommario
-Attività svolte e competenze acquisite, principali pubblicazioni
-Attrezzature disponibili
-Filoni di ricerca di interesse in prospettiva
Attività svolte
Le attività svolte nell’ambito dei sistemi di giunzione hanno riguardato due filoni principali:
-Caratterizzazione meccanica e microstrutturale di giunti saldati
-Caratterizzazione meccanica di giunti incollati e degli adesivi
L’attività è stata principalmente condotta nell’arco di tempo tra il 1996 e il 2004
Stato della Ricerca Italiana sui Sistemi di Giunzione – Vicenza 27-28 aprile 2008
Attività svolta: principali filoni di ricerca
Saldature
Incollaggi
1. Effetto di trattamenti ‘post-welding’ sul comportamento a fatica di giunti saldati in lega Al6063 (1996-1999)
2. Previsione della vita a fatica di ponti saldati a piastra ortotropa (1996-1999)
3. Comportamento a fatica di giunzioni tubolari saldate per applicazioni ciclistiche (2000-2003)
4. Comportamento a frattura in regime oligociclico di collegamenti saldati per strutture in acciaio operanti in zona sismica (1998-2002)
1. Effetto della geometria sulla resistenza a taglio di giunti adesivi (1999-2001)
2. Analisi del comportamento a creep di giunti incollati (2001-2003)
3. Analisi termo-meccanica di giunti tubolari incollati per applicazioni in circuiti frigoriferi (2002-2004)
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Effetto di trattamenti ‘post-welding’ sul comportamento a fatica di giunti saldati in lega Al6063
Obiettivo del lavoro: Studio dell’effetto di trattamenti termici (invecchiamento, solubilizzazione ed invecchiamento) e meccanici (pallinatura 1 e 2) sul comportamento a fatica di giunti saldati
Attività sperimentale Modellazione numerica
Giunzione saldata ad X con la tecnica GMAW, materiale di apporto Al4043 (Al-Si)
- Caratterizzazione microstrutturale,analisi TEM dei precipitati coerenti, tensioni residue superficiali (diffrattometria X), profili microdurezza
- Curve di fatica: fino a 5.106 cicli
- Modellazione del profilo di tensione residua
- Simulazione del rilassamento delle tensioni residue
Effettivo ciclo di sollecitazione nei punti critici
Effetto di trattamenti ‘post-welding’ sul comportamento a fatica di giunti saldati in lega Al6063
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Materiale come saldato (a.w.) Informazioni ottenute dall’osservazione T.E.M
precipitati incoerenti
solubilizzazione dei precipitati
Precipitati coerenti e semicoerenti
Materiali a.w. e inv.
Confronto diversi trattamenti
Tensioni residue (XRD)
Ca. 5 mm
Cordone disaldatura
Punti dimisura
B
A
Effetto di trattamenti ‘post-welding’ sul comportamento a fatica di giunti saldati in lega Al6063
Stato della Ricerca Italiana sui Sistemi di Giunzione – Vicenza 27-28 aprile 2008
0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5-80
-60
-40
-20
0
20
40
(max,nom)
= 89 MPa
(max,nom)
= 120 MPa
tens
ione
(M
Pa)
distanza dalla superficie (mm)
Risultati della modellazione numerica
Profili di tensione residua dovuti a locale plasticizzazione Evoluzione dei profili di tensione residua preesistenti
Curve di resistenza a fatica a numero di cicli costante
-40 -20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 1800
25
50
75
100
125
150
175
200
R=
-1
R=1
R
Curve a numero di cicli a rottura N costante
N=2*106
N=1*106
N=3*105
(
MP
a)
tensione media m
(MPa)
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Previsione della vita a fatica di ponti saldati a piastra ortotropa
Obiettivo del lavoro: sviluppo di una funzione peso per la previsione della propagazione per fatica di fessure in piastre ortotrope saldate. Effetto delle tensioni residue di saldatura
W = 281
340
300
80
12
6
R = 25
G
x
a
0
K a x h x a dxI n
a
( ) ( , )0
h x aW
a
W
x
a
x
aij
i
j
m
i
nj p
p
j p
p( , )
21 1
32
11
2 2
2
2 2
2
da
dNC K Kn
thn ( )
KK C R R R
K C R R Rthth
th
0 0 0
0 0 0 0
1
1
for
for
C
B
B
AB
A no constraints
B symmetrical constraints
C axial load
B
A
crack tip
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Previsione della vita a fatica di ponti saldati a piastra ortotropa
KA>0
KB = 0A
B
B < 0
A > 0
Residual stress path
Partially opened crack
0 20 40 60 80 100 120 140 1600
20
40
60
80
100
120
140
160
180
A : c o n s i d e r i n g r e s i d u a l s t r e s s e sB : d i s r e g a r d i n g r e s i d u a l s t r e s s e s
A B R = 0 R = 0 , 2 R = 0 , 4 R = 0 , 6
I n f i n i t e f a t i g u e l i f e
n
( M
P a
)
c r a c k l e n g t h ( m m )
0 20 40 60 80 100 1200
20
40
60
80
100
120
140
160
180
C y c l e s t o f a i l u r e
1 0 7 1 0 5 R = 0 R = 0 , 2 R = 0 , 4 R = 0 , 6
n
( M
P a
)
c r a c k l e n g t h ( m m )
3
12
4
65
0 50 100 150 200 250 300-150
-100
-50
0
50
100
150
6
5
4
3
2
1
r e s i d u a l s t r e s s p a t h
c u r v i l i n e a r c o o r d i n a t e ( m m )
M P a
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Comportamento a fatica di giunzioni tubolari saldate per applicazioni ciclistiche
Obiettivo del lavoro: studio, mediante prove di laboratorio, del comportamento a fatica delle giunzioni saldate di un telaio ciclistico: influenza di modifiche microstrutturali locali indotte dalla saldatura ed effetto della pallinatura e della geometria del tubo.
Attività sperimentale Modellazione numerica
Definizione di un’attrezzatura di prova per lo studio del giunto tubo obliquo/tubo sterzo
Su telaio
Prove di fatica su diverse varianti di giunto diversificate per condizioni metallurgiche e per geometria
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Comportamento a fatica di giunzioni tubolari saldate per applicazioni ciclistiche
Geometria circolare Geometria a goccia
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Comportamento a fatica di giunzioni tubolari saldate per applicazioni ciclistiche
Analisi dei risultati mediante approccio basato su tensioni di hot-spot e su weld stress intesity factor
Miglior razionalizzazione dei dati ottenuti, miglior interpretazione dei fenomeni di danno locale
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Comportamento a frattura in regime oligociclico di collegamenti saldati per strutture in acciaio operanti in zona sismica
Obiettivo del lavoro: definire criteri utili per la progettazione antisismica di collegamenti flangiato-bullonato in considerazione dell’alta vulnerabilità sismica delle connessioni saldate
Caratterizzazione sperimentale
Curva ciclica del materiale de finizione dei parametri del modlelo di Lemaitre Caboche
Prove in piena scala su particolare di collegamenti trave-colonna
Modellazione numerica Simulazione ad elementi finiti del raggiungimento delle condizioni di collasso elastoplastico del giunto a seguito della propagazione di fessure alla radice del cordone di saldatura
Modello coesivo di propagazione
Prove di meccanica della frattura in regime elastoplastico
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Comportamento a frattura in regime oligociclico di collegamenti saldati per strutture in acciaio operanti in zona sismica
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Comportamento a frattura in regime oligociclico di collegamenti saldati per strutture in acciaio operanti in zona sismica
Cicli di isteresi per diversi livelli di ampiezza di deformazione
Curva ciclica e parametri del modello di Lemaitre Caboche
Modello FEM di uno dei giunti studiati
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Giunti saldati: principali pubblicazioni
M. Beghini, L. Bertini, V. Fontanari: “Fatigue life evaluation by weight functions for orthotropic bridge decks” Theoretical and applied fracture mechanics, Vol. 28, 1997, pp. 41-50
L. Bertini, V. Fontanari, G. Straffelini: “Influence of post weld treatments on the fatigue behaviour of Al-alloy welded joints” International journal of fatigue, Vol. 20, 1998, No. 10, pp. 749-755
Benedetti M., Fontanari V., Valenari A., "Fatigue behaviour of Al-alloy bike frames welded joints". A cura di Blom A., EMAS, Vol. 1, p. 405-412. Atti del convegno "Fatigue 2002 (Eighth International Fatigue Congress)", Stockholm (Sweden), 3-7 June, 2002
O. Bursi, F. Ferrario, V. Fontanari: “Numerical analysis of the low-cycle fatigue behaviour of bolted steel connections”, 5th Int. Conference on Computational Structures Technology, 6-9 September 2000, Leuven, Belgium, Civil-Comp Press:Edimburgh, 2000, pp. 385-396
Bursi O. S., Ferrario F., Fontanari V., "Non-linear Analysis of the Low-cycle Fracture Behaviour of Isolated Tee Stub Connections". Computers & structures : an international journal, 2002, v. 80, n. 27-30, p. 2333-2360.
Benedetti M., Fontanari V., Slaghenaufi S., Valenari A., "Modellazione numerica e caratterizzazione a fatica di giunzioni tubolari saldate". Atti del convegno "AIAS 2003", Salerno, 3-6 settembre, 2003
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Effetto della geometria sulla resistenza a taglio di giunti adesivi
Obiettivo del lavoro: definizione di una procedura di prova per caratterizzare a taglio diverse geometrie di incollaggio
Caratterizzazione sperimentale
Messa a punto delle procedure di incollaggio e caratterizzazione delle proprietà dell’adesivo
Prove di resistenza statica a taglio su ‘double lap joints’
INCOMPLETE POLIMERIZATION
COESIVE FRACTURE
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Effetto della geometria sulla resistenza a taglio di giunti adesivi
Modellazione numerica EF del giunto incollato: analisi dello stato tensionale ed interpretazione dei dati sperimentali
1
1,2
1,4
1,6
1,8
2
2,2
2,4
Circular Square "H" Rect.Transv.
Rect. Long.
ma
x/
av
Rapporto tensione di picco / tensione nominale
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Analisi del comportamento a creep di giunti incollati
Obiettivo del lavoro: valutazione della risposta a creep del giunto sulla base di definizione di un modello di risposta viscoelastico lineare dell’adesivo
Sperimentazione in bulk su adesivo
-50 0 50 100 1500
400
800
1200
1600
2000
2400
Conservative (E') and Dissipative (E'') modules
Temperature (°C)
E' (
MP
a)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Freq.
Freq.
Frequency 0.3 Hz 1 Hz 3 Hz 10 Hz 30 Hz
E''
(MP
a)
Furnace
Basement
Vibrophore
Transducer
Moving device Drive
Specimen
Analisi dinamo-meccanica (DMTA) -12-10-8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 1012 141618 2022
0
500
1000
1500
2000
2500
log(frequency) Hz
E' (M
Pa)
E'
0
50
100
150
E'' (M
Pa)
E''
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Analisi del comportamento a creep di giunti incollati
E(t)
0
300
600
900
1200
1500
1.E-17 1.E-14 1.E-11 1.E-08 1.E-05 1.E-02 1.E+01 1.E+04 1.E+07
TIme (s)
E (
MP
a)
D(t)
0
0.005
0.01
0.015
0.02
0.025
0.03
0.035
1.E-17 1.E-14 1.E-11 1.E-08 1.E-05 1.E-02 1.E+01 1.E+04 1.E+07
Time (s)
D (
1/M
Pa)
Principio di sovrapposizione tempo temperatura: curve maestre del modulo di rilassamento E(t) e della cedevolezza a creep D(t)’
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
0.08
0.09
0.1
0 2000 4000 6000 8000 10000
time (s)
e (m
m/m
m)
Shear double lap joint
Previsione della risposta a creep del giunto
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Analisi termo-meccanica di giunti tubolari incollati per applicazioni in circuiti frigoriferi
Analisi FEM: Distribuzione della temperatura e tensione in uno dei giunti
Obiettivo del lavoro: identificazione di nuove formulazioni di adesivi in grado di garantire la tenuta dell’incollaggio negli intervalli di temperatura previsti nel circuito
Analisi sperimentali: prove di tenuta sui giunti in opera e rilevazioni estensimetriche durante il ciclo termico
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Giunti incollati: altre attività
Partecipazione ad un round robin in ambito ESIS TC4 per definizione procedura di prova su double cantilever e tapered double cantilever beam finalizzati all’ottenimento della curva Gc vs crack length
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Giunti incollati: principali pubblicazioni
L. Bertini, V. Fontanari, P. Mauri Influenza della forma sulla resistenza a taglio di giunti incollati XXIX Convegno AIAS, Lucca , 2000
V. Fontanari, A. Pegoretti, M. Tassan: Relazione tra proprietà viscoelatiche dell'adesivo e comportamento a creep di giunti incollati XXX Convegno AIAS, Alghero, 2001
M. Tassan, V. Fontanari, P. Mauri: Viscoelastic properties and creep of adhesive joints European Coatings, 78(14), 2002, pp. 53-61
Giunti incollati: altre attività
Gc versus Crack length
0.00
200.00
400.00
600.00
800.00
1000.00
1200.00
40.0 50.0 60.0 70.0 80.0 90.0 100.0 110.0 120.0
Crack length (mm)
Gc
(J/m
2̂)
Eqn. [4] G SBT [J /m2]
Eqn. [5b] G CBT [J /m2]
Eqn. [9b] G ECM [J /m2]
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Attrezzature disponibili
• Instron 8516 servoidraulica 100 kN con camera climatica per prove ad alta temperatura (fino
1000 °C)
• MTS bionic servoidraulica 25 kN con camera climatica per prove in temperatura su materiali
polimerici
• Instron 4502 servomeccanica 10 kN con camera climatica ed estensimetro per grandi
deformazioni
• Vibroforo Rumul Mikroton 20 kN per prove di fatica ad elevata frequenza
• Wolpert Pendolo strumentato 300 J
• Microscopio ESEM
• DSC Differential scanning calorimeter Mettler DSC 30/TC15 TA
• DMTA macchina per analisi termo-dinamo-meccanica
• Diffrattometri per misure XRD (tensioni residue)
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Attività in prospettiva
Attualmente siamo coinvolti con i colleghi di tecnica della costruzioni (prof. Bursi, ing. Zonta) e macchine (Prof. Battisti) in un progetto finanziato dalla Provincia Autonoma di Trento per la messa a punto di un sistema di monitoraggio del danneggiamento a fatica dei giunti flangiati delle torri eoliche
Recentemente è stata anche ripresa, mediante una tesi di laurea, l’attività di analisi del comportamento a creep dei giunti incollati
- Caratterizzazione meccanica e microstrutturale, nonché modellazione numerica dei giunti saldati
- Caratterizzazione meccanica dei giunti incollati e studio microstrutturale dell’adesivo
Intendiamo contribuire alle attività del neocostituito gruppo di lavoro AIAS puntando sulle competenze finora acquisite:
Completa disponibilità ad affrontare nuovi argomenti di ricerca: partecipare ad altri progetti che dovessero essere avviati