Local approaches applied to fracture and fatigue problems

Intentionally designed or accidentally caused, notches, cracks or defects are inevitably present in engineering components and can induce high stress gradients when a far field loading is applied. Then, structural strength assessments are often based on the local stress and strain state in the close neighbourhood of the stress raisers. The present PhD thesis is divided into six Chapters corresponding to different research topics, all related to new applications of important and widely employed local approaches to notched or cracked structural components. In the first Chapter, the adopted local approaches, namely the Notch Stress Intensity Factor-based approach (NSIF), the averaged Strain Energy Density (SED) criterion and the Peak Stress Method (PSM), are briefly introduced and described along with their theoretical frameworks. The second Chapter deals with brittle fracture under mixed mode static loading. A wide experimental campaign has been carried out on PMMA as well as on graphite cracked and notched specimens subjected to mixed mode I+II and I+III loading. Then, all experimental results have been reanalysed by means of the SED approach. The third Chapter deals with multiaxial fatigue loadings. First, the fatigue strength of severely notched titanium grade 5 alloy, Ti-6Al-4V, has been investigated. Then, the SED criterion has been applied for the first time to an industrial case study, that is the multiaxial fatigue strength assessment of steel welded rollers produced by Rulmeca S.p.a. Finally, some remarks about the phase angle effect on sharp V-notched components under multiaxial fatigue have been drawn on the basis of a proposed analytical frame. The fourth Chapter addresses the numerical study of 3D effects in notched and cracked components. Initially, the attention has been focused on coupled modes and on the effect of different boundary conditions in 3D cracked discs and plates subjected to nominal mode III or mode II loading. Then, the presence of three-dimensional effects has been investigated both theoretically and numerically in blunt notched components under cyclic plasticity conditions. The fifth Chapter, instead, is related to the comparison between different fracture criteria. The SED approach and that based on the Finite Fracture Mechanics (FFM) have been compared considering sharp V-notches under pure mode I or mode II loading. Finally the sixth Chapter address the link between the SED approach and the Peak Stress Method (PSM). Cracks under in-plane mixed mode I+II and out-of-plane mixed mode I+III loading have been investigated. A method to rapidly evaluate the averaged SED based on the peak stresses at the crack tip has been proposed. On the basis of the derived link, some practical applications related to the fatigue strength assessment of aluminium and steel butt welded joints and of tube-to-flange steel welded joints have been carried out.

Variazioni geometriche, come intagli, cricche o difetti in generale, sono comunemente presenti nella maggior parte dei componenti meccanici e possono indurre elevati gradienti di tensione per effetto dei carichi esterni. La valutazione della resistenza strutturale dei componenti meccanici è perciò generalmente basata sullo stato di tensione e deformazione locale, nelle adiacenze di tali variazioni geometriche. La presente tesi di dottorato è divisa in sei Capitoli corrispondenti a diversi argomenti di ricerca, tutti relativi a nuove applicazioni di importanti e ampiamente diffusi approcci locali a componenti strutturali intagliati o criccati. Nel primo Capitolo, sono brevemente introdotti e descritti gli approcci locali adottati, cioè l’approccio basato sul Notch Stress Intensity Factor (NSIF), il criterio basato sulla densità di energia di deformazione mediata (SED) e il Peak Stress Method (PSM), assieme alle loro basi teorico-analitiche. Il secondo Capitolo si occupa della frattura fragile sotto carichi statici di modo misto. Una campagna sperimentale estesa è stata eseguita su provini intagliati e criccati in PMMA ed in grafite soggetti a carichi di modo misto I+II e I+III. In seguito, tutti i dati sperimentali sono stati rianalizzati per mezzo dell’approccio SED. Il terzo Capitolo tratta il tema della fatica multiassiale. Inizialmente, è stata investigata la resistenza a fatica di una lega di titanio grado 5, Ti-6Al-4V, severamente intagliata. In seguito, il criterio SED è stato applicato per la prima volta ad un caso studio di interesse industriale: la valutazione della resistenza a fatica multiassiale di rulli saldati in acciaio, prodotti da Rulmeca S.p.a. e caratterizzati da cedimenti alla radice del cordone di saldatura. Infine, prendendo in esame componenti indeboliti da intagli a V acuti soggetti a carichi di fatica multiassiale, sono state tratte alcune osservazioni sull’effetto dell’angolo di fase sulla base di un nuovo approccio analitico. Il quarto Capitolo tratta lo studio numerico e teorico degli effetti 3D in componenti intagliati e criccati. Inizialmente, l’attenzione è stata focalizzata sui modi accoppiati e sull’effetto di diverse condizioni al contorno in dischi e piastre criccate, tridimensionali e soggette ad un carico nominale di modo III o modo II. Infine la presenza di effetti 3D è stata investigata sia dal punto di vista teorico che numerico in componenti indeboliti da intagli blandi e in condizioni di plasticità ciclica. Il quinto Capitolo, invece, è relativo al confronto tra diversi criteri di cedimento. Sono stati confrontati l’approccio SED e quello basato sulla teoria della Finite Fracture Mechanics (FFM), considerando intagli a V acuti soggetti a puro modo I o puro modo II. Infine, nel sesto Capitolo è stato investigato un legame tra il criterio SED ed il Peak Stress Method (PSM). Sono stati presi in esame componenti strutturali criccati soggetti a carichi di modo misto nel piano I+II e fuori piano I+III. È stato proposto un metodo per calcolare rapidamente il SED a partire dalle tensioni di picco valutate all’apice di cricca. Il legame ottenuto tra PSM e SED è stato poi impiegato nella stima della resistenza a fatica di giunti saldati testa a testa in acciaio ed alluminio e di giunti saldati tubo-su-flangia in acciaio sottoposti a carichi torsionali.