Strumenti e Metodologie di Progettazione a Fatica per Strutture in Ghisa Sferoidale a Grosso Spessore

In this thesis, models and methodologies for probabilistic fatigue assessment are developed and presented. The thesis consists of an introductory overview and 8 research papers. The primary objective was to derive a protocol for computed aided engineering, specifically for structures made of heavy-walled ductile cast iron (DCI). Some aspects of major relevance were identified and were object of testing and development of interpreting models and dedicated tools: 1. Multiaxiality: following testing results a specific criteria and a computational strategy were defined; 2. Metallurgical variability: the review of a large database allowed distinguishing the origins of the variability of material characteristics. Local fatigue strength prediction laws based on the results of a casting simulation have been estimated on the basis of a test campaign; 3. Fatigue strength distribution: the necessity of working on the tails of probabilities and allowing freedom on conducting the fatigue tests guided the drafting of a model and a fitting strategy for fatigue testing complete with estimation of confidence intervals; 4. Scale effect: a mix of experimental and virtual tests highlighted the limitations and opportunities of reliability models based on implicit and explicit modeling of defects; The primary result is the drafting of a Weakest-link criterion that considers the spatial variability of the (probabilistic) distribution of fatigue strength in the component, obtained from the local results of the casting simulation. This approach allows us to consider resistance as an explicit variable by opening a different perspective in the design process. The application of an automatic optimization procedure designed and implemented for this integrated approach has demonstrated the importance and effectiveness of such approach.

In questa tesi sono sviluppati e presentati modelli e metodologie per la progettazione a fatica probabilistica. La tesi consiste in una panoramica organica e 8 articoli di ricerca. L’obiettivo primario e’ stato definire un protocollo di progettazione assistita al calcolatore (CAE) dedicato alle strutture in ghisa sferoidale a grosso spessore. In questo contesto si sono individuati alcuni aspetti di particolare rilevanza su cui si e’ fatta sperimentazione, si sono scritti modelli interpretativi e sviluppati strumenti dedicati: 1. Multiassialita’: a seguito di evidenze sperimentali si e’ definito un criterio dedicato a questo materiale e una metodologia di calcolo esplicita legata all’applicazione; 2. Variabilita’ metallurgica: l’analisi di un’estesa banca dati ha permesso di distinguere le origini della variabilita’ di caratteristiche del materiale. Le leggi di previsione della resistenza a fatica locale sulla base dei risultati di una simulazione di colata sono state stimate sulla base di un’importante campagna di prove; 3. Stima della distribuzione di resistenza: la necessita’ di lavorare su code di probabilita’ e permettere liberta’ di conduzione delle prove ha guidato la stesura di un modello e una strategia di fitting per test di fatica completo di stima degli intervalli di confidenza; 4. Effetto scala: un mix di prove sperimentali e virtuali ha evidenziato i limiti e le opportunita’ di modelli affidabilistici basati su una modellazione implicita e esplicita dei difetti; A sintesi di questi il risultato primario e’ la stesura di un criterio Weakest-link che considera la variabilita’ spaziale della distribuzione (probabilistica) di resistenza a fatica nel componente, ricavata dai risultati locali della simulazione di colata. Questo approccio permette di considerare la resistenza come variabile esplicita aprendo una prospettiva diversa nel processo di progettazione. L’applicazione di una procedura di ottimizzazione automatica pensata e implementata per questo approccio integrato ne ha dimostrato l’importanza e l’efficacia.