Per valutare la criticità della saldatura dei pannelli sono state eseguite alcune analisi tensionali agli elementi finiti confrontando tra di loro diverse soluzioni costruttive per la realizzazione dei giunti di collegamento tra i pannelli. Le soluzioni previste sono le seguenti (Figura 3-3):
identificativo Tipo di giunto
A saldatura diretta delle pelli (2 cordoni testa a testa);
B saldatura con inserto interno ad I (2 cordoni testa a testa con appoggio);
C saldatura con pezzo di transizione rettangolare (4 cordoni testa a testa con appoggio);
D saldatura con pezzo di transizione a X (4 cordoni testa a testa con appoggio);
E saldatura con inserto esterno a doppia T (4 cordoni d'angolo).
Tabella 33-1: Tipologie di giunzione analizzate
A
B
C
=
In tutti i modelli si è ipotizzata la presenza di cordoni di saldatura molto stretti, dell’ordine di 2-3 millimetri, tipica delle tecnologie ad alta densità di energia (HDE). Il modello è stato realizzato con elementi piani quadrilateri a 8 nodi con l'opzione di integrazione ridotta. Il tipo di analisi è lineare e pertanto i materiali sono definiti solo dai rispettivi moduli elastici e coefficienti di Poisson.
In questo studio preliminare sono state prese in considerazione geometria, carichi e proprietà del materiale realistici ma non necessariamente coincidenti con i dati effettivi successivamente utilizzati nella sperimentazione, poiché lo scopo è quello di operare un confronto a parità di condizioni al contorno.
Il pannello scelto ha spessore delle pelli 2 mm e del core 28 mm; le dimensioni scelte rientrano tra quelle disponibili commercialmente. I modelli simulano l'unione di due pannelli con dimensione complessiva 100 mm; sfruttando la simmetria il modello è ridotto a metà. Il modello simula convenzionalmente il comportamento di un pannello di profondità unitaria (1 mm)
I materiali sono:
pelli, inserti: lega di Al, E=70000 MPa, =0,3;
core: schiuma di Al, E=5000 MPa, =0,3.
Per ognuno dei dettagli simulati sono state applicate due condizioni di carico:
flessione (Figura 3-4): le pelli sono caricate ad una estremità con due trazioni di 100 N/mm2 (momento 6000 Nmm). Nell'altra estremità è applicato un vincolo di simmetria.
flessione e taglio (Figura 3-5): in aggiunta al carico precedente è applicato uno sforzo tangenziale di 3,75 N/mm2 che dà luogo, nel vincolo, a un momento opposto; pertanto la zona di saldatura è principalmente interessata da taglio. Il vincolo è di anti-simmetria.
Figura 3-4: schema di carico a flessione
Figura 3-5: schema di carico a taglio
di carico scelte: la scala di rappresentazione della σeq è tale che le zone con valori maggiori di 100 MPa sono indicate in grigio, consentendo una valutazione visiva della posizione e dimensione delle parti sovra-sollecitate.
Nella configurazione in cui si saldano solo le pelli del pannello si può vedere, dalla Figura 3-6 (tensioni equivalenti dalla sollecitazione di flessione), come la distribuzione delle tensioni, prima diminuisce distribuendosi su tutta la sezione (in questo partecipa parzialmente anche il core in schiuma metallica), poi aumenta di nuovo fino alla saldatura sulla pelle, creando un punto critico. Dall’analisi invece delle tensioni equivalenti dovute alla sollecitazione di taglio, Figura 3-7, si vede come in corrispondenza della saldatura (lato destro della figura) si hanno due effetti sovrapposti, uno di sovraccarico delle lamiere che devono trasmettere al vincolo tutto il taglio applicato (120 N) e l’altro del core in cui si creano due zone a sforzo relativamente alto. Ispezionando i diagrammi della
y si riscontra l’esistenza di sforzi di trazione al confine tra core e pelle nell’angolo a destra in basso che vanno approfonditi per eventuale pericolo di distacco core-pelle.
Figura 3-7: saldatura delle pelli, tensione equivalente nella sollecitazione di taglio
Confrontando il giunto A con i giunti B e C (Tabella 33-1) si evince che a flessione il pannello si comporta più o meno nella medesima maniera, le cose invece cambiano molto quando i pannelli sono sollecitati a taglio. Infatti nelle soluzioni B e C si ha un effetto negativo in seguito alla deformabilità dell’inserto che a sua volta è sottoposto a sollecitazioni eccessive.
Figura 3-8: saldatura con inserto ad I, tensione equivalente nella sollecitazione a flessione
La soluzione D, con inserto ad X (Figura 3-12, Figura 3-13), sembra essere la migliore dal punto di vista delle tensioni in entrambe le sollecitazioni considerate. Infatti nella sollecitazione di flessione l’andamento delle tensioni risulta essere abbastanza regolare, mentre nella sollecitazione di taglio le forze si scaricano facilmente lungo le diagonali dell’inserto stesso (il ramo superiore risulta teso e quello inferiore compresso, entrambi con una sollecitazione di circa 80 N). bisogna comunque prestare una particolare attenzione al cordone di saldatura, in corrispondenza dell’interfaccia pelle-inserto, poiché il sovraccarico esistente può essere causa di un innesco di frattura.
Figura 3-13: saldatura con inserto a X, tensione equivalente nella sollecitazione di taglio
Nell’ultimo caso analizzato (giunto E, Figura 3-14 e Figura 3-15) il diagramma relativo alla sollecitazione di flessione mostra un notevole peggioramento rispetto alle altre soluzioni, sicuramente dovuto alla deviazione delle linee di tensione, dalle pelli alle ali dell’inserto, che causano un incremento di sollecitazione proprio in corrispondenza del cordone di saldatura. Dall’analisi della distribuzione delle tensioni y dovute al taglio, si nota invece (Figura 3-16) un miglioramento dovuto alla mancanza della sollecitazione di distacco tra il core e le pelli.
Figura 3-14: saldatura con inserto esterno a T, tensione equivalente nella sollecitazione di flessione
Figura 3-16: sollecitazione di taglio, confronto andamento y nel core con i giunti tipo E e tipo C
Concludendo possiamo affermare che da un punto di vista della resistenza alle sollecitazioni di taglio e flessione la soluzione con l’inserto ad X sembra la migliore, mentre da un punto di vista tecnologico di fattibilità e realizzazione del giunto, la soluzione migliore sembrerebbe quella con inserto esterno a doppia T. La soluzione che dà maggiori garanzie dal punto di vista delle sollecitazioni e allo stesso tempo presenta vantaggi tecnologici di facilità di esecuzione è quella con inserto ad “I”.