Pillole Di FEM #16 - Collegamenti Saldati – Tecniche di modellazione che non ti aspetti.

In questo articolo analizziamo le diverse tecniche con cui si possono modellare e verificare le unioni o i collegamenti saldati nella progettazione meccanica 3D.

Partiamo dal presupposto che le unioni saldate sono, secondo me, una scienza aleatoria, in quanto ognuno dice la sua e tutti pretendono di avere ragione.

Ovviamente questa è solo una provocazione, ma è per dire che esistono diverse modalità di verifica e analisi.

Ma perché le saldature sono complicate? Questa tipologia di unione è complicata perchè la tenuta deve essere assicurata da diversi fattori:

• Interfaccia tra cordone e materiale perfetta;

• geometria del cordone;

• saldatura e piena penetrazione o parziale penetrazione;

• tenuta del cordone;

• resistenza della piastra;

• presenza di una zona termica alterata.

Questi aspetti sopra indicati si tramutano nei dettagli di simulazione che andremo ad implementare, a seconda della complessità che vogliamo simulare.

TECNICHE DI MODELLAZIONE FEM

Possiamo ipotizzare, in prima battuta, diversi modi di modellazione, a seconda del livello di dettaglio che vogliamo dare al nostro collegamento. Identifichiamo perciò X modi base con cui schematizzarlo i quali dipenderanno inoltre dalla schematizzazione delle piastre che abbiamo eseguito sulla struttura. Queste tecniche sono:

1. Se ho due elementi shell a contatto.

2. Se ho due elementi solidi a contatto.

   1. Non rappresento il cordone

   2. Rappresento il cordone

1. ELEMENTI SHELL A CONTATTO

Figura 1: Modellazione tramite elementi shell

Questa modalità di simulazione è quella più semplice che possiamo effettuare. Lo scopo, in questo caso, è il calcolo delle forze di contatto per poter effettuare un analisi in post-processing.

Il problema di questa tecnica è che rende il postprocessing molto lungo e si rischia di saltare qualche zona di interesse.

Solitamente è quella tecnica che si utilizza su modelli shell-shell o shell-beam con modelli fem di grandi dimensioni, dove andare a rappresentare tutti i cordoni di saldatura renderebbe il calcolo proibitivo.

Può portare a dei valori molto distanti dalla realtà ed è molto conservativo come metodo.

Questo metodo è ottimo per il design, ma si sconsiglia per la verifica.

2. COLLEGAMENTO TRA ELEMENTI SOLIDI SENZA CORDONE

Figura 2: Modellazione con elementi solidi senza cordone

Avendo a che fare con modellazioni solide, è una tecnica che si può utilizzare o per assiemi di pochi componenti, oppure in fase di submodelling.

Con questa tecnica, nel caso di cordone a piena penetrazione con cordone dello stesso

materiale, stiamo calcolando proprio lo sforzo sulla saldatura.

Se invece il cordone è esterno, questa modellazione può portare a degli errori e quello che dobbiamo fare è seguire la stessa procedura per la modellazione Shell-Shell, ossia estrapolazione della forza per il dimensionamento del cordone. Poichè è una tecnica analitica, il dimensionamento del cordone è molto rapido.

Questo metodo è ottimo per il design nel caso di cordone interno, ma si sconsiglia per la verifica nel caso del cordone esterno.

3. COLLEGAMENTO TRA DUE ELEMENTI SOLIDI CON CORDONE

Figura 3: Modellazione con elementi solidi e con cordone (e piccolo gap tra le due piastre)

Figura 4: piccolo gap presente tra le due piastre

Questa tecnica di modellazione è forse la più complessa. Per poterla effettuare è necessario creare un modello ad hoc.

In questa tecnica, a mio avviso, è importante tenere considerare uno spazio tra i due elementi e ipotizzando la tenuta solamente per mezzo dei cordoni. Infatti, nella realtà, le due parti non sono collegate tra di loro e la tenuta è effettuata solamente dai cordoni di saldatura.

Sicuramente è il modello che più si avvicina alla realtà.

Il problema di questo metodo è che richiede una mesh molto fitta per ogni cordone.

Da utilizzare solamente in fase di submodelling oppure come verifica stand alone una volta estrapolate le forze.

COSA DICE LA NORMATIVA

Adesso che sappiamo come si possono modellare, cosa facciamo?

Per capire quali sono i dati da utilizzare in fase di post-processing, è necessario ricondursi ad una normativa di riferimento.

In questo articolo si prende a spunto la normativa EUROCODICE3, con riferimento al capitolo dei giunti saldati. Si anticipa che questo articolo non vuole assolutamente essere un corso sulla progettazione tramite eurocodice3 e che qualsiasi informazione che da qui si possa ricavare è solo a titolo informativo e si rimanda sempre a consultare i testi ufficiali e aggiornati.

Una prima suddivisione per verificare la resistenza delle saldature si basa sulla loro tipologia, ossia:

• a piena penetrazione: si valuta la resistenza dell'elemento più debole del giunto;
  

• cordone d'angolo: si verifica la del cordone.

Secondo Eurocodice3, esistono 2 principali metodi per la verifica del cordone. Questi sono:

• Metodo Semplificato: si prende a riferimento il valore della forza per unità di lunghezza trasmessa dal cordone. Tale forza deve rispettare le seguenti condizioni:
  

I termini presenti all'interno dell'espressione sono a sinistra la forza sul cordone mentre a destra abbiamo il carico ultimo del materiale (fu), un fattore correttivo (beta), un fattore di sicurezza (gamma) e la dimensione del cordone (a).

• Metodo Direzionale: si considerano gli sforzi presenti all'interno del cordone. Le tensioni convenzionali devono essere calcolate con riferimento al piano effettivo della sezione di gola (non ribaltata). Le tensioni calcolate devono soddisfare entrambe le relazioni qui sotto:
  

Attenzione perché gli stress considerati non sono gli stress ricavati nelle direzioni principali ma sono quelli nel sistema di riferimento locale del cordone di saldatura.

COME COMBINO LE VARIE TECNICHE?

Vedendo le diverse schematizzazioni tramite elementi finiti e le diverse modalità con cui la normativa presa a riferimento dice di effettuare le verifiche, si possono cogliere i seguenti collegamenti.

Per le saldature a cordone d'angolo:

• La modellazione tramite elementi shell è perfetta per la verifica tramite metodo semplificato. In fase di post processing è sufficiente estrarre i valori di forza in quel particolare punto, dividerlo per la lunghezza del giunto e successivamente verificarlo tramite le formule sopra esposte. Qui sotto un esempio del file excel per il post processing.

Figura 5: foglio excel per la verifica della saldatura tramite metodo semplificato

• La modellazione tramite elementi 3D in cui si modella il cordone d'angolo invece è adatta per la verifica tramite metodo direzionale. Avendo il cordone modellato siamo in grado di scegliere il corretto piano di riferimento per la modellazione della saldatura. Inoltre, essendo una verifica puntuale, possiamo verificare il valore dei punti che ci risultano critici. Attenzione perchè è possibile la presenza di peak stress che potrebbero alterare il risultato. Qui sotto un esempio di quanto scritto riportato su un foglio di calcolo excel:

Figura 6: foglio excel per la verifica della saldatura tramite metodo direzionale

• Per le saldature a completa penetrazione, invece, è sufficiente verificare tramite contour plot del fem, il valore di stress equivalente presente nel post processing. Qui sotto si riporta il valore di stress ottenuto su due piastre saldate. Considerando la zona saldata, si può facilmente vedere quale sarà il punto in cui cederà la saldatura.

Figura 7: verifica di un cordone a piena penetrazione

CONSIDERAZIONI PERSONALI

Abbiamo visto le diverse metodologie con cui si possono modellare le saldature, ed abbiamo visto anche i diversi casi di analisi. La domanda che ora tutti ci facciamo è :

"Quando uso rispetto ad un altra?"

Io ritengo che l'utilizzo dipenda fortemente dai casi. Io ne individuo due:

• Progettazione / Dimensionamento: se dovete dimensionare il giunto, sicuramente in prima battuta conviene utilizzare il metodo semplificato dove la dimensione del cordone compare come parametro e si può aumentare il valore della gola fino ad ottenere il livello di sicurezza desiderato. Modellare con elementi 3D il cordone, anche con l'utilizzo di un software CAD parametrico, può portare via parecchio tempo.
  

• Verifica: se dovete analizzare un cordone esistente o dovete fare un analisi di fino, allora conviene modellare il cordone il giunto tramite elementi 3D ed andare a fare tutte le considerazioni del caso, a prescindere che la saldatura sia a cordone oppure a completa penetrazione.

E' scontato che le ipotesi alla base di queste tecniche di modellazione siano che l'interfaccia tra cordone e componente sia perfetta. Con queste tecniche non siamo in grado di analizzare il distacco del cordone dovuto ad una mancata fusione o adesione.

N.B: abbiamo parlato di picchi di stress che possono inficiare il calcolo. Per toglierli di mezzo e utilizzare valori "reali" si deve utilizzare il metodo dell'Hotspot, che però sarà trattato in un altro articolo delle #pillolediFEM

Ing. Francesco Grispo

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