Analisi a fatica con uso degli elementi finiti

Salve a tutti,

Sto cercando di impostare un analisi a fatica, sui perni saldati sul cilindro riportato in figura, utilizzando l'analisi FEM con l'ausilio del software Altair, volevo sapere se esiste un "modulo" per risolvere questo tipo di analisi o se una volta ottenuti i risultati dall'analisi statica devo procedere per via teorica rifacendomi alle varie formule disponibili in letteratura.
Spero di essere stato sufficientemente chiaro, ringrazio anticipatamente chiunque possa fornirmi aiuto o indicazioni al riguardo.
PS:Su questo caso specifico un altro dubbio che mi sorge è se la verifica a fatica dei perni sia legata a quella delle saldature, ovvero mi chiedo se sia giusto affermare " verificate le saldature a fatica il numero di cicli di vita delle saldature e dei perni sono coincidenti poichè le saldature giungendo a rottura si rompono in corrispondenza del materiale base e non di quello da apporto"
PPS: qualsiasi aiuto su come impostare un analisi a fatica generica con un software FEM è ben accetto

Ciao Matticip,

Ad un primo sguardo al percorso tensionale, mi sbaglierò, ma secondo me lo hai modellato male.
Ci mandi un'immagine della mesh all'interfaccia tra boccole saldate e cilindro?

Passando nello specifico, Hyperworks ha al suo interno il modulo per la fatica oligociclica ed ad alto numero di cicli. Potresti anche tracciarti un diagramma di Haigh e vedere qual'è il fattore di sicurezza con il quale stai lavorando (è una approssimazione ma ti da dei numeri di partenza).

Altri programmi ancora più specifici per la valutazione della vita a fatica sono FEMFAT ed nCode (usati in automotive e non solo) ma ne esistono anche molti altri.

Purtroppo non riesco a darti una risposta più dettagliata della tua domanda (è un limite fisico).

Dacci più informazioni e ti sapremo dire di più.

Hope ha detto:

Ciao Matticip,

Ad un primo sguardo al percorso tensionale, mi sbaglierò, ma secondo me lo hai modellato male.
Ci mandi un'immagine della mesh all'interfaccia tra boccole saldate e cilindro?

Passando nello specifico, Hyperworks ha al suo interno il modulo per la fatica oligociclica ed ad alto numero di cicli. Potresti anche tracciarti un diagramma di Haigh e vedere qual'è il fattore di sicurezza con il quale stai lavorando (è una approssimazione ma ti da dei numeri di partenza).

Altri programmi ancora più specifici per la valutazione della vita a fatica sono FEMFAT ed nCode (usati in automotive e non solo) ma ne esistono anche molti altri.

Purtroppo non riesco a darti una risposta più dettagliata della tua domanda (è un limite fisico).

Dacci più informazioni e ti sapremo dire di più.

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Ciao Hope e grazie per la risposta, mi scuso per la mancanza di dati proverò ad essere completo.
In allegato metto il dettaglio delle mesh da te richieste ( nel fare le catture mi sono accorto di una differenza evidente tra i due perni che credo sia legata al modello CAD e non alla mesh).

Cerco di spiegare la situazione che si vuole simulare con tale modello perchè l'errore potrebbe essere proprio nell'impostazione essendo queste le mie prime analisi:

Si vuole valutare la vita a fatica dei perni saldati su un cilindro di un attuatore lineare della lunghezza di 2000 mm (di cui solo 500 usati nel modello agli elementi finiti) che lavora a una pnominale di 340 bar, la fase simulata è quella di rientro (p in camera anteriore, di cui allego uno schizzo scheatico);
nell'impostare il modello ho bloccato i nodi dell'area A in tutte le direzioni e in tutte le rotazione, mentre i nodi nell'area B sono bloccati solo nelle rotazioni, la pressione di 340 bar è applicata sulla corona con verso uscente lungo la direzione assiale (come nello schema a mano) e anche in direzione radiale uscente su tutta la superficie interna del cilindro.

Entrando nello specifico nell'analisi a fatica:
L'attuatore lavora 3 volte in 1 giorno per un totale di 365 g/anno e deve movimentare un payload di 14KN durante i suoi cicli

Spero di non aver tralasciato nuovamente informazioni importanti

Ciao Matticip,

Non entrerei per il momento nel discorso fatica perchè sulle saldature è una cosa abbastanza complessa e che è sempre a cavallo tra il teorico e lo sperimentale. Stai risolvendo questo esercizio per un esame universitario?

Ci puoi far vedere la sezione della mesh sulla boccola saldata? Su hypermesh puoi usare F5>mask elementi. Quelle boccole di solito vengono saldate in maschera e non devono avere nodi coincidenti con il cilindro (immagine allegata), invece sospetto tu abbia meshato il blocco.

Sto procedendo per step.

Mi hai detto come hai vincolato il componente ma non riesco a dirti se è giusto o sbagliato perchè il fem è solo una modellazione della realtà e se non mi dici qual'è è la realtà non so dirti se è stata approssimata bene.

Son sicuro che, in ogni caso, c'è qualcosa di sbagliato almeno a livello teorico nei vincoli che hai utilizzato poichè negli elementi solidi i nodi non hanno gradi di libertà di rotazione.

Aggiungo inoltre che, ci sono degli standard da seguire per verificare le saldature statiche ed a fatica Eurocodice 3 etc. Utenti del forum più esperti interverranno sicuramente.

Qui c'è una riflessione interessante fatta da meccanicamg: https://www.cad3d.it/forum1/threads/verifica-saldature-eurocodice-3-hot-spot-sress.52443/

Se cerchi nel forum trovi molto su questo argomento.

Ciao Hope,

Cercherò di chiarire il contesto così spero risulti tutto più chiaro :Il problema è a livello didattico per un esame universitario (costruzione di macchine), l'attuatore è il più piccolo di quelli che si occupano della movimentazione degli sfili del braccio telescopico di una gru per autocarro( la gru è la macchina che stiamo progettando e questo dell'attuatore è uno dei problemi che io e il mio gruppo stiamo affrontando attualmente); le condizioni che ho elencato precedentemente sono state ottenute nelle precedenti fasi di schematizzazione/ progettazione della macchina.

Ritornando alla problematica della modellazione:Il perno penetra effettivamente nel cilindro non lasciando quello spazio che si vede nella figura che hai allegato (allego sezione del cad del mio modello).

Inizialmente si era lasciato uno "spazio" tra il perno ed il cilindro ma il professore ha detto che non era propriamente corretto perchè la saldatura va comunque a creare continuità tra i due materiali di base (o meglio questo è quello che il mio gruppo ha capito, potremmo aver frainteso le parole del professore); quello spazio viene prescritto dalla normativa o è prassi comune lasciarlo?( mi chiedo quindi se sia un obbligo o un accortezza da parte dell'analista lasciarlo per ottenere un'analisi più corretta)

Per quanto riguarda la fatica:
-Per questo specifico caso ci rifaremo alle normative che mi hai indicato e alla guida dell IIW(international Institute of Welding); questo implica quindi che la fatica sui perni non è necessario studiarla poichè basta quella sulla saldatura?(ovvero se c'è un cedimento a fatica avviene per la saldatura prima ancora che sul perno?)
-Hai qualche link di riferimento per la sezione di Altair dedicata all'analisi a fatica per un generico componente (non per forza con le saldature) perchè ho cercato su internet ma non ho trovato guide di sorta, mi sarebbe quindi davvero molto utile per lo studio dei successivi componenti del progetto

ti ringrazio ancora per la disponibilità

Io continuo a non vedere una rappresentazione chiara delle condizioni di carico e vincolo su questo componente. Come ti ha già detto Hope l'analisi a fatica di saldature è un tipo di studio ancora un po' semi-empirico. Volere da un software addirittura una analisi FEM a fatica di una saldatura mi sembra un po' troppo. Se si rompe prima il perno o la saldatura ? Ovviamente la risposta é: dipende.
Ma non c'è verso di schematizzare questo componente e provare a tirar fuori due numeri a mano ?

Stan9411 ha detto:

Io continuo a non vedere una rappresentazione chiara delle condizioni di carico e vincolo su questo componente. Come ti ha già detto Hope l'analisi a fatica di saldature è un tipo di studio ancora un po' semi-empirico. Volere da un software addirittura una analisi FEM a fatica di una saldatura mi sembra un po' troppo. Se si rompe prima il perno o la saldatura ? Ovviamente la risposta é: dipende.
Ma non c'è verso di schematizzare questo componente e provare a tirar fuori due numeri a mano ?

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"Io continuo a non vedere una rappresentazione chiara delle condizioni di carico e vincolo su questo componente" non ho capito se non sono chiaro io nello spiegare la situazione operativa del componente o se ti riferisci a come è impostato il modello, riporto quanto già detto in precedenza per cercare di spiegare entrambe:
"Si vuole valutare la vita a fatica dei perni saldati su un cilindro di un attuatore lineare della lunghezza di 2000 mm (di cui solo 500 usati nel modello agli elementi finiti) che lavora a una pnominale di 340 bar, la fase simulata è quella di rientro (p in camera anteriore, di cui allego uno schizzo scheatico);
nell'impostare il modello ho bloccato i nodi dell'area A in tutte le direzioni e in tutte le rotazione, mentre i nodi nell'area B sono bloccati solo nelle rotazioni, la pressione di 340 bar è applicata sulla corona con verso uscente lungo la direzione assiale (come nello schema a mano) e anche in direzione radiale uscente su tutta la superficie interna del cilindro."

Ciò detto non sto chiedendo al software di farmi un analisi a fatica sulle saldature( per quelle già sapevamo di doverci rifare alle norme vigenti) sto chiedendo se esiste nel software una sezione per analisi a fatica su un generi componente e privo di saldature, ho più volte sottolineato dal primo messaggio che il mio problema era su componenti generici e non saldati.

Come mi suggerisci di trattare a mano un componente tozzo( e non trattabile con la teoria della trave) come il perno in questione?

Nel post 3 hai detto che hai bloccato completamente i nodi di una certa area A e bloccato le rotazioni di una certa area B. Non è chiaro il perché. Non è chiaro quali sono i vincoli reali: quel perno, nell’estremita opposta al cilindro è incernierato? saldato a qualcos’altro? È un’informazione importante, ma non è ben chiara. Anche Hope te lo ha chiesto.

Non prenderla sul personale.

La maggior parte dei software hanno moduli per l’analisi a fatica con i metodi già implementati. Su Altair non so dirti, avevo fatto qualcosa con
Ansys.

Esistono anche i modelli per le travi tozze sulla letteratura. In ogni caso la differenza se non ricordo male la differenza rispetto alla trave snella sta nel calcolo della freccia che dipende sia da momento che da taglio, ma le equazioni cardinali della statica e quindi l’andamento delle azioni interne e degli sforzi, vale comunque.

ok ora ho capito cosa intendevate con mancanza di dati; i perni sono incernierati in una flangia (allego screen del CAD).

Per quanto riguarda la teoria ricontrolleremo bene in letteratura ma non ricordo, nè io nè gli altri, una parte dedicata alle travi tozze, lo stesso professore ci ha spinto a svolgere un'analisi agli elementi finiti per tali elementi (abbiamo per scrupolo applicato lo stesso procedimento delle travi snelle ma escono risultati evidentemente sbagliati, potrebbe essere una nostra mancanza ovviamente)

cerco di fornirvi i dati che richiedete con le immagini in allegato, ora essendo un modello messo su velocemente per darvi questa risposta presenterà diversi errori e delle mancanze di elementi fondamentali (quali pattini per il moto relativo) quindi non fateci caso, metto solo in evidenza che i bloccaggi per i perni dell'attuatore saranno ovviamente ad occhio e quindi abbracceranno il perno e non squadrati come qui rappresentato, spero che era questo il tassello mancante nei dati (il rettangolo rosso con la scritta PL è il payload che è attaccato a quello sfilo e la cui movimentazione è a carico dell'attuatore in analisi, i valori numerici sono sempre quelli forniti precedentemente)

all'altra estremità l'attuatore è ovviamente lasciato libero, gli unici vincoli sono le cerniere qui raffigurate

Non è affatto banale modellare quel tipo di vincolo. non sono sicuro ma quell’andamento di sforzi che hai postato nel primo post potrebbe anche essere giusto. Attendiamo il parere di qualcun altro. Appena ho tempo faccio un tentativo.

Stan9411 ha detto:

Non è affatto banale modellare quel tipo di vincolo. non sono sicuro ma quell’andamento di sforzi che hai postato nel primo post potrebbe anche essere giusto. Attendiamo il parere di qualcun altro. Appena ho tempo faccio un tentativo.

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Ti ringrazio per la disponibilità aspetterò eventuali aggiornamenti se hai modo e tempo di fare un tentativo, grazie ancora per l'intervento

Provo a darti più informazioni ma è difficile rispondere in modo conciso.

Se stai studiando la saldatura e modelli tutto come se la boccola fosse in completa penetrazione (quando non lo è), allora non ha senso studiare la saldatura.

In molti casi, per aumentare la sezione resistente, le boccole vengono cianfrinate (smussate) ma difficilmente (al contrario delle piastre) sono in completa penetrazione. Nel caso di saldature in completa penetrazione la saldatura non viene modellata ma si tiene conto del differente materiale d'apporto e della zona termicamente alterata riducendo i coefficienti di sicurezza locali ottenuti.

Se vuoi studiare il comportamento globale del tuo pezzo sono d'accordo con il tuo prof, non serve modellare l'interfaccia cilindro-boccole e tantomeno le saldature. Ma se le saldature sono l'oggetto dello studio, allora non puoi considerare tutto come se fosse un corpo unico.
La luce non è da norma o standard, e potrebbe anche non esserci ma in ogni caso non puoi avere i nodi della mesh coincidenti all'interfaccia.

Adesso che vedo le immagini relative al montaggio capisco di più. L'immagine purtroppo è tagliata e l'attuatore non è completo ma c'è qualcosa che non mi torna. Siete proprio sicuri che ci sarà una reazione sulle boccole? I cilindri idraulici teoricamente lavorano bene con carichi assiali.

Poi, se mi sbaglio e la reazione c'è veramente (ma non credo), in hypermesh puoi modellare il contatto con il contact manager. Tools> auto-contact e attivando la card NLPARAM

Per la fatica in Hypermesh/optistruct puoi guardare la guida Stress-life (S-N) approach e Strain-life (E-N) approach.

Sotto Tools> fatigue process> create new (se hai l'installazione in inglese) puoi creare il processo.

Fammi sapere se hai bisogno di aiuto con Hypermesh.

Matticip ha detto:

all'altra estremità l'attuatore è ovviamente lasciato libero, gli unici vincoli sono le cerniere qui raffigurate

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Scusa, ho riletto bene quanto hai scritto. Io modellerei quella zona con un contatto, così tieni anche in considerazione la cedevolezza dell'occhiello. Alternativamente per estrarre i carichi da applicare teoricamente alla saldatura puoi usare il free body diagram (non so se funziona con la licenza student). Potresti fare anche un'analisi comparativa tra i risultati che ottieni dal fem e quelli che ricavi dagli standard.

Hope ha detto:

Provo a darti più informazioni ma è difficile rispondere in modo conciso.

Se stai studiando la saldatura e modelli tutto come se la boccola fosse in completa penetrazione (quando non lo è), allora non ha senso studiare la saldatura.

In molti casi, per aumentare la sezione resistente, le boccole vengono cianfrinate (smussate) ma difficilmente (al contrario delle piastre) sono in completa penetrazione. Nel caso di saldature in completa penetrazione la saldatura non viene modellata ma si tiene conto del differente materiale d'apporto e della zona termicamente alterata riducendo i coefficienti di sicurezza locali ottenuti.

Se vuoi studiare il comportamento globale del tuo pezzo sono d'accordo con il tuo prof, non serve modellare l'interfaccia cilindro-boccole e tantomeno le saldature. Ma se le saldature sono l'oggetto dello studio, allora non puoi considerare tutto come se fosse un corpo unico.
La luce non è da norma o standard, e potrebbe anche non esserci ma in ogni caso non puoi avere i nodi della mesh coincidenti all'interfaccia.

Adesso che vedo le immagini relative al montaggio capisco di più. L'immagine purtroppo è tagliata e l'attuatore non è completo ma c'è qualcosa che non mi torna. Siete proprio sicuri che ci sarà una reazione sulle boccole? I cilindri idraulici teoricamente lavorano bene con carichi assiali.

Poi, se mi sbaglio e la reazione c'è veramente (ma non credo), in hypermesh puoi modellare il contatto con il contact manager. Tools> auto-contact e attivando la card NLPARAM

Per la fatica in Hypermesh/optistruct puoi guardare la guida Stress-life (S-N) approach e Strain-life (E-N) approach.

Sotto Tools> fatigue process> create new (se hai l'installazione in inglese) puoi creare il processo.

Fammi sapere se hai bisogno di aiuto con Hypermesh.

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La saldatura è l'ogetto dello studio, la boccola è stata modellata in completa penetrazione perché ci sembrava un approccio fattibile teoricamente e non avevamo altri riscontri reali sui quali basarci, ora proveremo a rimodellarla in modo più attinente alla realtà in base a quanto ci hai sugerito.

Ti ringrazio inoltre per i vari consigli sull'utilizzo di hypermesh, purtroppo lo uso da troppo poco per poter dire che mi è tutto chiaro( causa mia mancanza nella conoscenza del software ovviamente) appena avrò il pc sotto mano provo a seguire le tue indicazioni e riscriverò qui di seguito in caso di necessità.

Ti ringrazio davvero molto per la pazienza e la chiarezza nelle risposte, vi terrò aggiornati sul risultato finale

se può essere utile allego un pdf con le dimensioni dei lembi di saldatura. purtroppo non mi ricordo da dove l'ho ricavata

MassiVonWeizen ha detto:

se può essere utile allego un pdf con le dimensioni dei lembi di saldatura. purtroppo non mi ricordo da dove l'ho ricavata

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Ti ringrazio ci tornerà sicuramente utile