Universit degli Studi di Salerno Dipartimento di Ingegneria Meccanica

2. Lavoro svolto nei 2 anni di dottorato Sviluppo di un software in Labview per il monitoraggio della propagazione di una cricca in un materiale metallico mediante l�acquisizione di segnali estensimetrici e per la registrazione su disco dei dati sperimentali; Scrittura di procedure per l�acquisizione estensimetrica nell�ambito dello stage del MASTER MQM (Master in Quality Management); Corsi di Probabilit� e Statistica, Progettazione Assistita di Strutture Meccaniche, Storia dell�Ingegneria, Metodi Multigrid, Leadership Relazionale, Attuatori per l�Automazione a Fluido, Sistemi meccanici; Corso in �Mechanical Behaviour of Materials� presso il Poiltecnico di Milano; Collaborazione agli esami di Costruzione di Macchine 1, Attuatori per l�Automazione a Fluido, Sistemi Meccanici, collaborazione al corso di Attuatori per l�Automazione a Fluido; Modellazione 2D e 3D con il Beasy (software basato sul metodo agli elementi di contorno) per la simulazione di propagazione di cricche; Sviluppo di un software in Labview per l�acquisizione di un segnale accelerometrico e per la registrazione su disco dei dati sperimentali;

3. Acquisizione estensimetrica Ponte di Weatstone Il ponte di Wheatstone � un dispositivo elettrico che permette di misurare in modo preciso il valore di una resistenza elettrica. Strain Gauge Un estensimetro (Fig. 2) consente di effettuare una misura della deformazione a partire dalla variazione della resistenza di un conduttore quando sottoposto a sforzo. Esso �, quindi, costituito da un supporto in resina su cui � depositata una resistenza elettrica. Configurazioni del Bridge Poich� la variazione di resistenza dello Strain Gauge � estremamente ridotta, per la sua misura si ricorre al ponte di Wheatstone, in grado di amplificare fisicamente questa variazione. Di questa struttura elettrica si possono utilizzare tre configurazioni diverse (Fig. 1).

4. Strumenti HW e SW per l�acquisizione estensimetrica Centralina SCXI-1000DC (alimenta il circuito con una corrente continua, Fig. 3) Modulo SCXI-1121 (fornisce la tensione di eccitazione del circuito e consente il condizionamento dei segnali, Fig. 4) Terminal Block SCXI-1321 (consente la configurazione del Bridge, Fig. 4) Strain Gauge Provino Labview 8.0.1

5. Norme utilizzate UNI EN ISO 10012:2004 �Requisiti per i processi e le apparecchiature di misurazione� UNI CEI ISO/IEC 12207:2003 �Processi del ciclo di vita del software� UNI EN ISO 9001:2000 �Sistemi di gestione per la qualit�� ASTM E647 �American Society for Testing and Materials�

6. Software per l�acquisizione estensimetrica L�algoritmo � costituito da un loop nel quale sono presenti una subroutine per l�acquisizione dei segnali estensimetrici, una per la conversione delle tensioni in deformazioni usando la formula relativa al bridge utilizzato, una per il calcolo della lunghezza della cricca.

7. Acquisizione estensimetrica

8. Procedura per l�acquisizione estensimetrica La norma ISO 9001:2000 promuove l�adozione di un approccio per processi attraverso l�utilizzo del modello di Deming: PLAN,DO,CHECK,ACT (PDCA). PLAN: stabilire gli obiettivi e i processi; DO: dare attuazione ai processi; CHECK: monitorare e misurare i processi; ACT: adottare azioni per il miglioramento continuo dei processi

9. Indice della procedura per l�acquisizione estensimetrica Scopo Campo di applicazione Riferimenti Termini e definizioni Struttura del Gruppo Costruzione di Macchine Responsabilit� del Capo Gruppo Competenze dell�Operatore Strumenti per l�acquisizione estensimetrica Controllo qualit� dei provini Gestione della documentazione Modalit� operative Criteri e strumenti utilizzati per la verifica di efficacia Azioni correttive e preventive

10. Mappa del Processo La procedura si applica al processo, descritto in figura, di acquisizione di segnali estensimetrici (rispetto ad uno di riferimento), a partire dall�innesco di una cricca in un provino (INPUT) fino all�ottenimento delle informazioni dedotte dal trattamento, su base statistica, dei dati sperimentali acquisiti (OUTPUT). VINCOLI e RISORSE del processo sono riportati, analogamente ai dati di INPUT ed OUTPUT, nella figura sottostante.

11. Modalit� operative (Diagramma di Flusso)

12. Provino e macchinario di prova

13. Geometria del modello

14. Materiali dei componenti, geometria e specifiche PROPAGAZIONE SPERIMENTALE Non si � osservato alcun danneggiamento durante la prova di fatica (76000 cicli) cos� si � deciso di creare un danneggiamento artificiale: � stato realizzato sullo skin un intaglio di 1.25 mm di lunghezza. Sono stati effettuati altri 19000 cicli senza il manifestarsi di un inizio di propagazione; � stato, quindi, effettuato un intaglio anche sul doubler di alluminio; in seguito si � osservata la propagazione di due cricche, una sullo skin e una sul doubler, per i successivi 26000 cicli di fatica. E� stato applicato un carico affaticante con stress ratio R=0.1: questo carico, dopo un test statico, � stato aggiustato al valore di F=405000 N, per poter raggiungere i 169 MPa (peak longitudinal stress) nella mezzeria del tratto curvilineo.

15. Modello numerico DBEM Il rivetto si schematizza come tre cerchi nel modello DBEM, ognuno dei quali � connesso agli altri con delle internal springs le cui rigidezze corrispondono a quelle taglianti del rivetto. Il modello DBEM � bi-dimensionale cosicch� ogni componente � rappresentato nel piano medio. Nell�area critica sono modellati tre differenti strati, tre zone DBEM separate, aventi diverso spessore e propriet� del materiale, rappresentative rispettivamente dello skin, del doubler in alluminio e del doubler in titanio. Per raggiungere i 169 MPa (peak longitudinal stress nella mezzeria del tratto curvilineo), � stato applicato, nella simulazione numerica, un carico pari a F=405000N. Le tre zone interagiscono con i numerosi rivetti che garantiscono il collegamento fra le tre differenti piastre. Ogni rivetto � suddiviso come in figura.

16. Modello 2D del provino Nella zona centrale del modello si distinguono, in particolare: Internal Spring (in giallo); Elementi GAP (in rosso); Gli elementi GAP sono stati posizionati su due sole file di rivetti. E� risultato non necessario estendere ad altri rivetti l�utilizzo di questi elementi poich� il crack path e i tempi di propagazione non cambiano in modo significativo. L�impiego di questi elementi � causa di un forte innalzamento dei tempi di calcolo. Pertanto, essi si inseriscono laddove si ritiene che possano influire maggiormente sul percorso e sui tempi di propagazione (area di influenza del crack path).

17. Propagazione senza GAP

18. Propagazione con GAP 2257 elementi quadratici Contatto foro-rivetto con elementi GAP (non lineare) La cricca risente della presenza del foro e ne viene attratta.

19. Risultati Numerici (DBEM) e Sperimentali per un�analisi non lineare (for crack length shorter than 9.5 mm a 3d analysis is better suited)

20. Modello 3D La correlazione tra i tempi di propagazione numerici e sperimentali migliora a partire da una lunghezza di cricca pari a 5.25 mm. Questo comportamento si pu� spiegare considerando che, con una lunghezza di cricca iniziale pari a 3.25mm (cricca corta), il materiale risente degli effetti prodotti dalla lavorazione meccanica dell�intaglio. E� stato realizzato un modello 3D del provino Alenia a partire dal corrispondente 2D, ritagliando quella porzione che contiene l�intero percorso della cricca. Le condizioni al contorno inserite nel modello 3D sono state ottenute dai risultati dell�analisi numerica del corrispondente modello 2D; Nell�intervallo compreso tra i 3.25mm iniziali e i 5.25mm richiesti, tali condizioni al contorno variano poco (errore contenuto nel 1%). Sono stati inseriti nel modello 3D gli elementi GAP (analisi non lineare) sulle superfici esterne dei rivetti ma si � poi verificato che, applicando semplicemente degli SLIDER (analisi lineare), il risultato non cambia. Come condizioni al contorno, sono state inoltre inserite, tra le superfici di separazione delle 3 piastre, degli SLIDER che ne consentono solo lo spostamento relativo in direzione tangenziale, ad eccezione delle superfici impattate dalle cricche dove sono stati inseriti i GAP.

21. APPROCCIO 3D: SOTTOMODELLO

26. Crack path sullo skin (3� step) con visualizzazione dei max principal stress

27. Analisi di sensibilit� delle condizioni al contorno sulla superficie di taglio del modello 2d al variare della lunghezza di cricca (lunghezza cricca di riferimento a=3 mm)

28. Analisi di sensibilit� delle condizioni al contorno sulla superficie di taglio del modello 2d al variare della lunghezza di cricca (lunghezza cricca di riferimento a=2.4 mm)

31. Propagazione di cricche corte in scenario 3D e 2D

32. CONCLUSIONI La simulazione della propagazione, realizzata con accoppiamento foro-rivetto caratterizzato da condizioni di continuit� su spostamenti e trazioni (analisi di tipo lineare), ha evidenziato una diversit� dei percorsi e dei tempi di propagazione reale e simulato per cui si � proceduto ad affinare il modello introducendo delle non linearit�, nell�accoppiamento foro-rivetto, con gli elementi Gap . I risultati dell�analisi numerica hanno evidenziato, in quest�ultimo caso, un miglioramento dei tempi di propagazione ma non del percorso della cricca rispetto a quello sperimentale. In particolare, l�introduzione nel modello 2D degli elementi Gap ha evidenziato un comportamento della cricca pi� vicino a quello reale. Si � visto anche che i tempi di propagazione migliorano a partire da una lunghezza di cricca pari a 5.25mm. Questo comportamento si pu� spiegare considerando che, con una lunghezza di cricca iniziale pari a 3.25mm (cricca corta), il materiale risente degli effetti prodotti dalla lavorazione meccanica dell�intaglio. Il modello 3D � stato realizzato nel tentativo di riprodurre il persorso di cricca sperimentale. Si � voluto verificare l�influenza del secondary bending in un intervallo di propagazione, compreso tra 3.25mm e 5.25mm, nel quale le condizioni al contorno variano poco (errore contenuto nel 1%). Sono state effettuate due simulazioni numeriche corrispondenti a due diverse lunghezze di cricca. Nel primo caso la lunghezza � risultata pari ad askin=3mm, nel secondo ad askin=5.25mm. In entrambi i casi i percorsi di cricca non mostrano sostanziali miglioramenti. I valori dei KII sono molto bassi o nulli. L�analisi dei risultati della simulazione con askin=5.25, evidenzia che i tempi di propagazione migliorano rispetto ai corrispondenti dati della simulazione 2D e, di conseguenza, approssimano in modo ancora maggiore quelli sperimentali.