Progettazione a fatica di giunzioni saldate in lega leggera soggette a carichi multiassiali ad ampiezza variabile mediante applicazione del Peak Stress Method.

The use of aluminum alloy welded components joined together using arc welding represents a simple and effective way to create lightweight and strong structures. Unfortunately, welded structures are sensitive to fatigue failure and an accurate prediction of their structural durability under operating conditions, for example when subjected to variable amplitude (VA) multiaxial loads, is a matter of great interest for research and industry. The aim of this thesis, carried out in collaboration with the company Zamperla S.p.A., is to contribute to the development of the Peak Stress Method (PSM), an engineering approach based on linear elastic finite element analysis that allows for the rapid assessment of the fatigue strength of welded joints. More specifically the PSM suggests modeling both the weld toe and root as sharp V-notches and correlating their fatigue strength with the intensity of the local asymptotic stress fields described by the Notch Stress Intensity Factor (NSIF). The theoretical formulation of the PSM for assessing the fatigue strength of welded joints subjected to VA loads was recently proposed by combining its Constant Amplitude (CA) formulation with the Palmgren-Miner rule. An experimental validation exercise, carried out in a previous work on double stiffener joints inclined respect to the load direction of 45°, demonstrated that the proposed method significantly underestimates the durability of these joints, providing excessively conservative estimates. For this reason, this work aims to analyze and understand the reasons for this discrepancy, mainly attributable to the prolonged propagation phase in the considered joints.

L’impiego di componenti in lega di alluminio uniti tra loro mediante saldatura ad arco, rappresenta un modo semplice ed efficacie per realizzare strutture leggere e resistenti. Sfortunatamente, le strutture saldate sono sensibili al cedimento per fatica e una previsione accurata della loro durabilità strutturale in condizioni di esercizio, i.e. quando soggette a carichi multiassiali ad ampiezza variabile (VA), è un aspetto di grande interesse sia per la ricerca che per l’industria. In luce di questo, il presente lavoro di tesi, svolto in collaborazione con l’azienda Zamperla S.p.A, ha come obiettivo quello di contribuire allo sviluppo del Metodo della Tensione di Picco (Peak Stress Method – PSM), un approccio ingegneristico basato su analisi agli elementi finiti lineari elastiche che permette di valutare rapidamente la resistenza a fatica dei giunti saldati. Più in dettaglio, il PSM suggerisce di modellare sia il piede sia la radice della saldatura come intagli a V acuti e di correlare la loro resistenza a fatica con l'intensità dei campi di tensione locali asintotici descritta dal Notch Stress Intensity Factor (NSIF). La formulazione teorica del PSM per la valutazione della resistenza a fatica dei giunti saldati soggetti a carichi VA è stata recentemente proposta combinando la sua formulazione a Ampiezza Costante (CA) con la legge di Palmgren-Miner. Un esercizio di validazione sperimentale, effettuato in un lavoro precedente, su giunti con doppio irrigiditore inclinato di 45° rispetto alla direzione del carico, ha permesso di dimostrare come il metodo proposto sottostimi significativamente la durabilità di questi giunti, fornendo delle stime eccessivamente in favore di sicurezza. Per tale motivo, in questo lavoro si è cercato di analizzare e comprendere le ragioni di questa discrepanza attribuibile principalmente alla prolungata fase di propagazione nelle giunzioni considerate.