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Thesis etd-10252021-122902


Thesis type
Tesi di dottorato di ricerca
Author
CHIOCCA, ANDREA
URN
etd-10252021-122902
Thesis title
Influence of residual stresses on the fatigue life of welded joints
Academic discipline
ING-IND/14
Course of study
INGEGNERIA INDUSTRIALE
Supervisors
tutor Prof. Frendo, Francesco
Keywords
  • fatigue
  • finite element analysis
  • residual stresses
  • welding
Graduation session start date
03/11/2021
Availability
Withheld
Release date
03/11/2024
Summary
SOMMARIO
Per ottenere elevati standard di qualità e sicurezza in un componente strutturale, occorre una notevole familiarità con il processo di produzione. Di fatto, i processi di produzione tendono a generare difetti quali tensioni residue, imperfezioni interne e superficiali, e considerando anche le variazioni geometriche intrinseche, come intagli, cricche o difetti in generale, è spesso complesso caratterizzare con precisione la resistenza strutturale di tali parti. In questo contesto, le tensioni residue giocano un ruolo importante, specialmente nelle strutture saldate. La stima delle tensioni residue è tipicamente effettuata tramite metodi sperimentali e numerici. Entrambi presentano punti di forza e svantaggi che ne richiedono l'uso combinato in modo da ottenere una valutazione coerente e significativa delle tensioni residue. La presente tesi di dottorato si inserisce in tale ambito. Il lavoro presentato nel seguito propone uno studio sulla generazione delle autotensioni e analizza il loro effetto sulla vita a fatica di giunti saldati tubo-piastra caricati in torsione e in flessione. Nella prima parte, viene valutata la capacità di diversi metodi termici nel riprodurre la distribuzione della temperatura intorno al cordone di saldatura, utilizzando simulazioni agli elementi finiti. I risultati delle simulazioni sono stati successivamente confrontati con misure sperimentali della temperatura superficiale calcolata in prossimità al cordone di saldatura. I modelli termici considerati presentano diversi livelli di complessità, partendo da quello base, che implementa una temperatura iniziale costante degli elementi appartenenti al cordone di saldatura, al più completo e diffuso modello a doppia ellissoide di Goldak. Lo studio mostra come i diversi metodi termici impiegati, presentino comportamenti termici simili in prossimità del cordone di saldatura. In secondo luogo è stato ottenuto un buon accordo tra le misure sperimentali e quelle numeriche utilizzando un metodo semplificato (cioè che richiede l'impostazione di un solo parametro). Il seguente modello può essere utilizzato per riprodurre efficacemente la storia termica durante un processo di saldatura. Nella seconda parte, viene presentato lo studio sulle autotensioni per un giunto saldato tubo-piastra in acciaio al carbonio S355JR. Per ottenere una conoscenza più ad ampio raggio sono state utilizzate sia simulazioni numeriche che prove sperimentali. Il software Ansys è stato utilizzato per effettuare simulazioni termo-strutturali disaccoppiate e valutare così le sollecitazioni, deformazioni e la temperatura in ogni nodo del modello. Per simulare correttamente il processo di saldatura agli elementi finiti sono state implementate proprietà del materiale elasto-plastiche e dipendenti dalla temperatura mentre, per riprodurre il processo di solidificazione del cordone, sono stati analizzati due diversi approcci numerici. I risultati ottenuti sono stati discussi e confrontati con dati sperimentali di deformazioni radiali rilassate misurate vicino al cordone di saldatura e ottenute tramite una tecnica di foratura incrementale. Nella terza parte del lavoro è stata studiata l'influenza delle autotensioni sulla vita a fatica dei giunti saldati. Nell'analisi sono stati considerati fattori critici quali discontinuità geometriche e la microstruttura eterogenea del materiale. Sono state eseguite prove sperimentali sui giunti saldati in condizioni as-welded e rilassati, sottoposti a carichi di torsione e flessione. I risultati sperimentali hanno mostrato come le tensioni residue abbiano un'influenza principalmente sui componenti caricati in torsione. In questo contesto il modello termo-strutturale presentato nei capitoli precedenti è stato usato per valutare il campo completo delle sollecitazioni residue all'interno del provino, così da poterle mappare e includerle come condizioni iniziali nei modelli numerici destinati al calcolo dei fattori di danno a fatica. Infine, l'efficacia dei modelli numerici nel descrivere il danneggiamento a fatica è stata valutata tramite confronto con risultati sperimentali. Nell'ultima parte di questo lavoro viene presentato uno studio numerico preliminare su un provino con intaglio acuto. Il lavoro si pone lo scopo di riprodurre nel provino intagliato condizioni di stress residuo paragonabili a quelle riscontrate sulla sezione critica del giunto saldato. Infatti, è possibile ottenere un gradiente di stress simile a quello ottenuto dopo il processo di saldatura variando il raggio e l'angolo di apertura dell'intaglio. L'uso di una geometria semplificata permette un'analisi più accessibile e migliora la comprensione dei processi che avvengono all'interno del materiale in presenza di autotensioni e carichi affaticanti.

ABSTRACT
A deep knowledge of the production process is needed, in order to achieve quality and safety requirements in a structural component. As a matter of fact, manufacturing processes can introduce defects such as residual stresses, internal and superficial imperfections. Together with the inherent geometric variations, such as notches, cracks or defects in general, it is often difficult to precisely characterise the structural strength of such parts. In this context, residual stresses play an important role, especially in welded structures. The evaluation of residual stresses is typically performed using both experimental and numerical methods. Both present strengths and drawbacks which demand their combined usage to achieve a consistent and meaningful evaluation of the residual stresses. Within this scope, this PhD thesis presents an evaluation of residual stresses in a pipe-to-plate welded joint and studied their influence on the fatigue life of torsionally and bending loaded components. In the first part, the finite element method was used to assess the capability of different thermal methods used to simulate a single pass of the gas metal arc welding process in reproducing the temperature distribution around the weld bead. Results of the simulations were compared to experimental measurements of the surface temperature close to the weld region. The considered thermal techniques adopted different levels of complexity, from the basic implementation of a constant initial temperature assigned to a given material volume, to the more comprehensive and widespread Goldak's double-ellipsoid model. The study shows that, close to the weld seam, very similar thermal behaviours can be achieved by employing each one of the analysed methods. Secondly, considering the constant initial temperature method, the comparison between experimental measurements and numerical simulations showed a fairly good agreement, suggesting that a relatively simple method (i.e., requiring the setting of only one parameter) can be used to efficiently reproduce the thermal history of a welding process. In the second part, the study of residual stresses for a S355JR carbon steel pipe-to-plate welded joint is presented. Numerical simulations and experimental tests were both employed in order to gain wide-ranging knowledge. Numerical simulations were performed with the software Ansys through uncoupled thermal-structural simulations in order to evaluate the stresses, strains and temperature at each node of the finite element model for each phase of the simulation. Temperature-dependent elastic-plastic material properties were adopted in combination with the \textit{element birth \& death} method to simulate the welding process. Two different numerical approaches were implemented for reproducing the weld seam solidification process. The obtained results were discussed and compared with experimental data, in terms of relaxed radial strains measured nearby the seam weld, due to a material removal procedure. The third part investigates the influence of residual stresses on the fatigue life of the welded joints. Influencing factors such as geometric discontinuities and the material heterogeneous microstructure were considered. Experimental tests on as-welded and stress relieved specimens with fully reversed torsion and bending loading conditions were carried out. Experimental results showed how residual stresses exhibited an influence mainly on torsionally loaded components. Numerically, the uncoupled thermal-structural finite element simulation presented in the chapters before was used to assess the complete residual stress field within the specimens. Secondly, residual stresses were mapped and included as initial condition in numerical models intended for fatigue damage factors calculation. Finally, experimental results were then used to corroborate numerical models and verify their efficacy in assessing fatigue endurance. In the last part of this work, a preliminary numerical study of a notched specimen geometry is presented. The work attempts to reproduce residual stress conditions comparable to those found on the welded joint critical notch section on notched specimens thus in order to explain the results observed on welded specimens. Indeed, by varying notch radius and opening angle of a cylindrical specimen, it is possible to obtain a stress gradient similar to that obtained after the welding process at the weld notches. The use of simplified geometry allows easier analysis and a possible improved understanding of the processes taking place within the material.
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