Development and application of new criteria for multiaxial fatigue assessment of structural components made of alloys steel and aluminium alloys

La presente Tesi ha per oggetto lo sviluppo e la validazione di nuovi criteri per la verifica a fatica multiassiale di componenti strutturali metallici . In particolare, i nuovi criteri formulati risultano applicabili a componenti metallici, soggetti ad un’ampia gamma di configurazioni di carico: carichi multiassiali variabili nel tempo, in modo ciclico e random, per alto e basso/medio numero di cicli di carico. Tali criteri costituiscono un utile strumento nell’ambito della valutazione della resistenza/vita a fatica di elementi strutturali metallici, essendo di semplice implementazione, e richiedendo tempi di calcolo piuttosto modesti. Nel primo Capitolo vengono presentate le problematiche relative alla fatica multiassiale, introducendo alcuni aspetti teorici utili a descrivere il meccanismo di danneggiamento a fatica (propagazione della fessura e frattura finale) di componenti strutturali metallici soggetti a carichi variabili nel tempo. Vengono poi presentati i diversi approcci disponibili in letteratura per la verifica a fatica multiassiale di tali componenti, con particolare attenzione all'approccio del piano critico. Infine, vengono definite le grandezze ingegneristiche correlate al piano critico, utilizzate nella progettazione a fatica in presenza di carichi multiassiali ciclici per alto e basso/medio numero di cicli di carico. Il secondo Capitolo è dedicato allo sviluppo di un nuovo criterio per la valutazione della resistenza a fatica di elementi strutturali metallici soggetti a carichi multiassiali ciclici e alto numero di cicli. Il criterio risulta basato sull'approccio del piano critico ed è formulato in termini di tensioni. Lo sviluppo del criterio viene affrontato intervenendo in modo significativo su una precedente formulazione proposta da Carpinteri e collaboratori nel 2011. In particolare, il primo intervento riguarda la determinazione della giacitura del piano critico: nuove espressioni dell'angolo che lega la giacitura del piano critico a quella del piano di frattura vengono implementate nell'algoritmo del criterio. Il secondo intervento è relativo alla definizione dell'ampiezza della tensione tangenziale e un nuovo metodo, noto come Prismatic Hull (PH) method (di Araújo e collaboratori), viene implementato nell'algoritmo. L'affidabilità del criterio viene poi verificata impiegando numerosi dati di prove sperimentali disponibili in letteratura. Nel terzo Capitolo viene proposto un criterio di nuova formulazione per la valutazione della vita a fatica di elementi strutturali metallici soggetti a carichi multiassiali ciclici e basso/medio numero di cicli. Il criterio risulta basato sull'approccio del piano critico, ed è formulato in termini di deformazioni. In particolare, la formulazione proposta trae spunto, come impostazione generale, dal criterio di fatica multiassiale in regime di alto numero di cicli discusso nel secondo Capitolo. Poiché in presenza di deformazioni plastiche significative (come quelle caratterizzanti la fatica per basso/medio numero di cicli di carico) è necessario conoscere il valore del coefficiente efficace di Poisson del materiale, vengono impiegate tre differenti strategie. In particolare, tale coefficiente viene calcolato sia per via analitica, che per via numerica, che impiegando un valore costante frequentemente adottato in letteratura. Successivamente, per validarne l'affidabilità vengono impiegati numerosi dati di prove sperimentali disponibili in letteratura; i risultati numerici sono ottenuti al variare del valore del coefficiente efficace di Poisson. Inoltre, al fine di considerare i significativi gradienti tensionali che si verificano in presenza di discontinuità geometriche, come gli intagli, il criterio viene anche esteso al caso dei componenti strutturali intagliati. Il criterio, riformulato implementando il concetto del volume di controllo proposto da Lazzarin e collaboratori, viene utilizzato per stimare la vita a fatica di provini con un severo intaglio a V, realizzati in lega di titanio grado 5. Il quarto Capitolo è rivolto allo sviluppo di un nuovo criterio per la valutazione del danno a fatica di elementi strutturali metallici soggetti a carichi multiassiali random e alto numero di cicli. Il criterio risulta basato sull'approccio del piano critico ed è formulato nel dominio della frequenza. Lo sviluppo del criterio viene affrontato intervenendo in modo significativo su una precedente formulazione proposta da Carpinteri e collaboratori nel 2014. In particolare, l’intervento riguarda la determinazione della giacitura del piano critico, e nuove espressioni dell'angolo che lega la giacitura del piano critico con quella del piano di frattura vengono implementate nell'algoritmo del criterio. Infine, l’affidabilità del criterio viene verificata impiegando numerosi dati di prove sperimentali disponibili in letteratura.The present Ph.D. Thesis deals with the development and validation of new criteria for multiaxial fatigue assessment of metallic structural components subjected to multiaxial variable (cyclic or random) loadings, under either high-cycle fatigue (HCF) or low/medium-cycle fatigue (LCF). Since the above criteria are easy to implement and do not require long computational times, they represent an useful tool in the assessment of fatigue strength/life. Chapter 1 summarises the main issues concerning multiaxial fatigue, by introducing some theoretical aspects useful for describing the fatigue damage mechanisms (crack propagation and final fracture) related to metallic structural components subjected to variable loadings. Then, the different methods available in the literature to assess multiaxial fatigue are examined, with particular attention to the critical plane approach. Finally, the engineering quantities related to the above approach and employed in fatigue design for high and low/medium number of loading cycles are defined. A new criterion for fatigue strength evaluation of metallic structural components subjected to multiaxial constant-amplitude cyclic loadings with high number of cycles is presented in Chapter 2. Such a criterion is based on the critical plane approach, and is developed in terms of stresses by modifying a previous formulation proposed by Carpinteri and co-workers in 2011. In particular, the first modification concerns the implementation of different relationships (available in the literature) related to the critical plane orientation. The second modification is related to the definition of the shear stress amplitude and, in particular, the Prismatic Hull (PH) method proposed by Araújo and co-workers is implemented in the present criterion. Then, the effectiveness of the new formulations is analysed by employing some experimental data found in the literature. A new criterion for fatigue life evaluation of metallic structural components subjected to multiaxial constant-amplitude cyclic loadings with low/medium number of cycles is proposed in Chapter 3. This criterion is based on the critical plane approach, and is developed in terms of strains. In particular, the proposed formulation is inspired by the high-cycle multiaxial fatigue criterion discussed in Chapter 2. Since the effective Poisson ratio of the material has to be known when significant plastic deformations occur (such as in low/medium-cycle fatigue regime), three different methods are employed to determine this parameter: (i) analytical approach, (ii) non-linear finite element analysis, (iii) assumption of a constant value (often used in the literature). Then, the effectiveness of the criterion is analysed by comparing experimental data available in the literature with numerical results computed for different values of the effective Poisson ratio. Moreover, in order to take into account the influence of significant stress gradients which occur in presence of geometrical discontinuities (such as notches), the criterion is extended to the case of notched structural components. The criterion, reformulated by implementing the concept of the control volume proposed by Lazzarin and co-workers, is employed for fatigue life estimation of V-notched specimens made of grade 5 titanium alloy. Finally, a new criterion for fatigue strength evaluation of metallic structural components subjected to multiaxial random loadings with high number of cycles is presented in Chapter 4. Such a criterion is based on the critical plane approach, and is developed in the frequency-domain by modifying a previous formulation proposed by Carpinteri and co-workers in 2014. In particular different relationships (available in the literature) related to the critical plane orientation are implemented in the present criterion. Finally, the effectiveness of the new formulation is analysed by employing some experimental data found in the literature