La presente dissertazione viene proposta come la naturale prosecuzione e conclusione di precedenti lavori di tesi svolti a ideare un metodo di progettazione per l’integrità strutturale del componente Trailer [59] [56]. In questo paragrafo verrà riassunto parte del lavoro svolto dai colleghi, riguardante principalmente la scelta di
35 una determinata geometria dei provini testati. Si rimanda il lettore, qualora volesse approfondire alcuni argomenti, alle tesi precedentemente riportate.
Le prime fasi della progettazione hanno riguardato l’acquisizione dei carichi vigenti nel componente meccanico e che in particolare sollecitano la zona critica di saldatura [59], Fig. 1.48.
Fig. 1.48: Disegno costruttivo del trailer e relativi supporti con indicazione del punto critico oggetto dell’analisi [59].
Ritendendo trascurabili in prima approssimazione le componenti secondarie, si sono tenuti in considerazione esclusivamente i contributi dati da momento flettente e momento torcente, sollecitazioni queste che agiscono in fase, cercando quindi di determinare il grado di influenza di ciascun contributo all’interno della sollecitazione multiassiale cui è sottoposta la saldatura. La conoscenza dei singoli contributi delle sollecitazioni risulta fondamentale nella realizzazione di un provino che riesca a riprodurre il più fedelmente possibile le condizioni reali presenti nel giunto Trailer. A questo scopo un parametro che può caratterizzare gli stati di sollecitazione multiassiale è il rapporto di biassialità λbiassiale, definito come:
Questo parametro, dunque, rappresenta il rapporto tra la tensione massima generata dal momento flettente e quella massima generata dal momento torcente, entrambe calcolate nella zona d’interesse. Nel lavoro svolto da Sabbadin [59] si è trovato per via numerica tramite software Adams® un valore pari a λbiassiale = 1.25, indicando una maggiore gravosità della sollecitazione flessionale rispetto a quella torsionale. Tale valore è stato confermato dalle prove estensimetriche effettuate direttamente sul Trailer, le quali hanno dato un valore del rapporto di biassialità pari a λbiassiale = 1.33, con un errore di circa 7 punti percentuali, tenendo dunque valido per il dimensionamento il rapporto dato dal software.
Trovato il rapporto di biassialità, la seconda fase di progettazione ha riguardato l’ideazione e il dimensionamento di provini che potessero non solo garantire tale rapporto λbiassiale, ma che permettessero la realizzazione di una prova a fatica multiassiale (sollecitazioni flesso-torsionali in fase) tramite un macchinario per prove a fatica uniassiali. Dopo svariate prove e modifiche, la geometria finale è risultata in due tipologie di provini, i quali sono composti da un tubolare collegato mediante giunzioni saldate rispettivamente a 3 piastre forate o 5 piastre forate, come rappresentato nella seguente figura:
λ𝑏𝑖𝑎𝑠𝑠𝑖𝑎𝑙𝑒 =𝜎𝑓𝑙𝑒𝑠𝑠𝑖𝑜𝑛𝑒
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Fig. 1.49: Rappresentazione 3D della geometria definitiva di a) provino a 3 piastre e b) provino a 5 piastre.
Il materiale di cui sono composti i provini è l’S355, un acciaio da costruzione molto utilizzato, con elevate caratteristiche meccaniche e buona saldabilità, Tab. 1.3.
Laminato a caldo (∅ del provino in mm) ≤ 3 3 < ∅ ≤ 16 16 < ∅ ≤ 40 40 < ∅ ≤ 63 63 < ∅ ≤ 80 80 < ∅ ≤ 100 100 < ∅ ≤ 150 150 < ∅ ≤ 200 200 < ∅ ≤ 250 Limite di snervamento [MPa] 355 355 345 335 325 315 295 285 275 Resistenza a trazione [MPa] min. 510 470 470 470 470 470 450 450 450 max. 680 630 630 630 630 630 600 600 600 Allungamento A (%) min. 22 22 22 21 20 20 18 17 17 Resilienza Kv +20°C (J) min. 27 27 27 27 27 27 27 27 27
Tab. 1.3: Caratteristiche meccaniche dell’acciaio S355.
I disegni tecnici costruttivi utilizzati per la realizzazione dei provini e l’elenco dei relativi componenti [56] vengono proposti in specifico nell’APPENDICE A. Per quanto riguarda il processo di collegamento, è stata eseguita una saldatura MIG (ad arco con metallo sotto protezione di gas).Le saldature delle piastre centrali sono a piena penetrazione, eseguite con una preparazione a ½V (cianfrino da un solo lato) per il cui riempimento sono state necessarie 5 passate. Le saldature relative alle piastre laterali, invece, sono state eseguite con due passate “a vista” oltre alla prima in zona radice.
Dunque, la particolare geometria dei provini permette di accoppiarli tra di loro, grazie alle rispettive piastre laterali, mentre le piastre centrali (collocate nella mezzeria del tubolare con foro avente anello di rinforzo) hanno lo scopo di trasmettere i carichi del macchinario grazie al sistema di perni e afferraggi, come mostrato in Fig. 1.50.
Fig. 1.50: Assieme dei provini montato sul banco prova: in nero gli afferraggi che trasmettono i carichi alle piastre centrali, in grigio scuro i perni che permettono tale trasmissione e l’accoppiamento tra i due provini.
a b
F
37 Questa tipologia di accoppiamento permette di fatto la medesima sollecitazione biassiale presente nella saldatura del Trailer in corrispondenza della saldatura della piastra centrale con il tubolare. I perni sulle piastre laterali, infatti, fungono da appoggio per il tubolare, creando la stessa configurazione di trave in appoggio, mentre la piastra centrale acquisisce il carico uniassiale dato dalla forza della macchina di prova e lo trasforma in un momento flettente e torcente per mezzo della giunzione, scaricando le tensioni sul tubolare, Fig. 1.51.
Fig. 1.51: Rappresentazione teorica dei diagrammi di momento flettente e momento torcente agente sui provini. Nell’immagine L raffigura la distanza tra le piastre laterali (più interne se provino a 5 piastre), mentre S coincide con
metà della distanza tra gli interassi dei due tubolari dei provini accoppiati (vedi Fig. 1.52) [56].
Per poter tuttavia generare una sollecitazione simile a quella reale, ossia con lo stesso rapporto di biassialità λbiassiale = 1.25 nella sezione di interesse, occorre controllare e ottimizzare le dimensioni dei componenti dei provini. Mentre il diametro e lo spessore del tubolare provengono da componenti a catalogo, la lunghezza di questo e le dimensioni delle piastre sono state definite in modo da rispettare il rapporto λbiassiale, sapendo che il momento flettente dipende dalla semi-lunghezza del tubolare, mentre il momento torcente dalla proiezione S della lunghezza della piastra centrale, quindi da dimensioni piastra e relativo angolo di rotazione, Fig. 1.52.
Fig. 1.52: Rappresentazione geometrica dei principali parametri responsabili del rapporto di biassialità [56].
Come accennato a inizio paragrafo, sono stati chiariti solamente i motivi principali che hanno portato alla geometria finale proposta in Fig. 1.49 escludendo dalla descrizione tutto il processo di modifiche e fasi intermedie di sperimentazione delle varie geometrie susseguitesi prima dei modelli definitivi, ampiamente discusse nelle tesi di Sabbadin [59] e Menegalli [56].
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