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Argomenti tesi Costruzione di Macchine 2 Gruppo di lavoro Prof. Beretta

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Argomenti tesi Costruzione di Macchine 2

Gruppo di lavoro Prof. Beretta

Prof. S. Beretta

Modelli per la previsione di durata a fatica di componenti di turbine a gas per impiego aeronautico

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R=0

R=0.8

Hot Critical Parts

Contatti: Mauro Filippini (int. 8220) [email protected]

Prof. S. Beretta

Integrità strutturale e metodologie di progettazione per materiali di nuova generazione per motori aeronautici

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Le leghe intermetalliche a base TiAl sono un materiale competitivo per la progettazione di pale di turbine a gas usate nella costruzione dei motori di nuova generazione, in particolare negli stadi di bassa pressione. Il vantaggio degli intermetallici γ-TiAl sono

• limitata densità (3.9-4.2 g/cm3 in funzione della composizione), • elevata resistenza specifica, • elevata rigidezza specifica, • elevata resistenza all’ossidazione e buone proprietà a creep ad alta temp.

source: GE Aviation

Criticità difetti e flaw tolerance turbine (collaborazione AVIO): •  Sperimentazione HT; •  correlazione tra limite di fatica e proprietà a fatica

(HT e RT) in termini di KIC e ΔKth; •  effetto di scala ?

Prof. S. Beretta

Modelli di previsione della durata in condizioni di creep-fatica per materiali impiegati in impianti di produzione di energia

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Stato dell’arte Prove di creep-fatica

Prova di fatica LCF - continuous cycling

Prova di creep-fatica in controllo di sforzo

214 D.W.A. REES

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Fig. 2. Load or stress controlled responses for (a) monotonic creep, (b) reversed cyclic creep (Ate, = Ate: = constant) and (c)

forward creep (Atc:=constant}---reversed plasticity.

cyclic softening. An obvious effect is that an inelastic strain range does not apply to load control. In Figs 2(b) and (c) variations can arise in the first quarter cycle when they respectively commence with reversed creep and reversed plasticity. Though in practice the cyclic creep dwell periods may well vary in a random manner throughout life, most experiments

with load control have been conducted for a given value of At c.

2.3. Mixed strain and load control Figures 3(a) and {b) are two examples of cycles

that are both load and strain limited. They differ from Figs l(c) and (e) only in that the constant period, Ate:, of forward creep dwell result in ratcheting of the creep strain, Aec:. In Fig. 3(a) fast reversed plasticity is strain limited while in (b) a further constant period, AtR, of stress relaxation occurs at peak reversed strain, - 8 T. The peak reversed stress, - {re, and the relaxed stress, tr R, are again shown to decrease with n for a material that cyclically softens. In general, when a cycle commences with reversed plasticity it should not be assumed that cyclic life remains unaffected.

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Fig. 3. Mixed strain and load controlled responses for (a) forward creep (Ate: =constant)--reversed plasticity and (b) forward creep (Atc:=constant)--reversed plasticity and

relaxation (At R = constant) at peak reversed strain.

2.4. Hysteresis terminology It is appropriate to introduce here two abbreviated

notations that describe the waveforms in Figs 1-3.

Prova di creep-fatica in controllo di deformazione

Life prediction techniques 213

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Fig. 1. Strain controlled responses for (a) low cycle fatigue, (b) reversed cyclic creep, (c) forward creep-reversed plasticity, (d) relaxation at peak forward strain-reversed plasticity and (e) forward creep-reversed plasticity and relaxation (At R variable) at

peak reversed strain.

� Le prove condotte in controllo di sforzo, a pari sforzo di picco,richiedono generalmente meno tempo per giungere a cedimento.

� Prove di creep-fatica isoterme in controllo di deformazione, riferi-mento secondo la norma ASTM E2714-09.

� Il rilassamento degli sforzi introduce una complessità aggiuntiva.

Filippo Dri Creep-fatica negli acciai P91 Milano, 21 Luglio 2010 6 / 19

Materiale: 9Cr1MoV-Nb, mod.9Cr1Mo, P91

Obbiettivi: sviluppare una metodologia per la previsione della durata a creep-fatica, mediante integrazione delle proprietà dei materiali derivate da prove sperimentali in un modello di calcolo adatto per la progettazione dei componenti di centrali di nuova generazione.

Prof. S. Beretta

Progettazione avanzata turbine

Criticità difetti e flaw tolerance turbine (collaborazione ANSALDO En.): •  Analisi FEM; •  Caratterizzazione oligociclica HT; •  Propagazione fratture HT e RT; •  Difetti critici (instabilità- rottura duttile); •  stima effetto difetti su vita operativa.

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‘Life extension’ turbine generazione 6

Life extension turbine (collaborazione ANSALDO En.): •  Modelli di propagazione fratture per LCF; •  Effetto invecchiamento materiale su propagazione fratture; •  Modelli coesivi per implementazione FEM; •  Interazione creep-LCF.

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Damage tolerance assili

Modello di propagazione caletti (collaborazione Lucchini RS): •  resistenza a propagazione in presenza di difetti artificiali ; •  analisi FEM propagazione fratture; •  stima resistenza assili ‘full-scale’ e confronto con prove reali.

Improvements vita assili (progetto MARAXIL): •  effetto trattamenti di rullatura ; •  propagazione fratture in campi di sforzo con R<0; •  calcolo incremento vita e confronto con prove reali ‘full-scale’.

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8 Corrosione - fatica di assili + ET

•  Provini e Assili in scala reale; •  Metodi previsione vita per materiali diversi;

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9 Simulazione e imaging ET

Fatica - corrosione

20 kHz

500 kHz

•  CIVA •  FEM •  Definizione di metodi innovativi di controllo.

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10 Simulazione, imaging e visualizzazione UT

PSA + UT Simulazione

Simulazioni: •  CIVA •  FEM •  EFIT Tecniche UT: tradizionale, phased array, TOFD Casi applicativi: campo ferroviario, tubi e recipienti in pressione, compositi

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Effetto biassialità su propagazione instabile 11

Determinazione del carico di riferimento e dell’integrale J per provini con difetto in stato di sforzo biassiale. Tipologia: analitico-numerica. Strumenti: ABAQUS, Matlab. Note: periodo di 3 mesi presso il BAM a Berlino; richiesta buona conoscenza lingua inglese. Relatori: S. Beretta, M. Madia, U. Zerbst (BAM).

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Burst tests 12

Influenza degli sforzi residui sulla pressione di scoppio di cilindri in pressione. Tipologia: analitico-numerica. Strumenti: ABAQUS, Matlab. Note: svolta in collaborazione con TENARIS/DALMINE. Relatori: S. Beretta, M. Madia.

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Influenza forma difetti 13

Influenza della forma del difetto sulla vita a fatica di cilindri in pressione. Tipologia: analitico-numerica. Strumenti: ABAQUS, Matlab. Note: svolta in collaborazione con TENARIS/DALMINE. Relatori: S. Beretta, M. Madia.

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Modelli di propagazione statica di fratture in giunzioni incollate

Modellazione della frattura in giunzioni adesive con: -  VCCT (Virtual Crack Closure Technique)

-  Elementi coesivi

Confornto tra modelli e prove sperimentali già condotte

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Basic Equations

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Modelli di propagazione a fatica della frattura in giunzioni incollate

Analisi del tipo di mesh: •  Elementi solidi 2D •  Elementi shell •  Elementi shell continui Modellazione della propagazione con tecnica VCCT Confronto dell’efficienza numerica Possibile confronto con dati sperimentali

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Lo sforzo massimo non varia: a variare è il gradiente

Polimeri rinforzati con fibre corte: effetto d’intaglio (prove di fatica, simulazione stampaggio, FEM, analisi orientamento fibre)

Tipo: Tesi Disponibilità: da settembre In collaborazione con Radici Plastics Riferimento: ing. Bernasconi

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Tesi con stage estero/aziende

•  Stage presso BAM (Federal Institute of Testing, Berlin, Germany) per analisi effetto biassialità su frattura instabile;

•  Stage presso TENARIS (Dalmine, BG) per effetto biassialità e simulazione prove di burst tubi;

•  Stage presso TENARIS (Dalmine, BG) per danneggiamento a fatica rulli di laminazione

•  Stage presso DB (Minden, Germany) per calcolo danneggiamento multiassiale di assili sotto l’azione carichi di servizio

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Gruppo di lavoro 18

Prof. Stefano Beretta – affidabilità strutturale, assili; Ing. A. Bernasconi – materiali compositi, incollaggi; Ing. M. Carboni – Controlli NDT, damage tolerance assili; Ing. M. Filippini – Integrità strutturale HT; Ing. S. Foletti – LCF, fatica multiassiale, life extension; Ing. A. Lo Conte – Creep crack growth, corrosione fatica; Ing. M. Madia – Modelli computazionali, frattura elasto-plastica.

Studenti PhD G. Tarantino – propagazione fratture per RCF; D. Regazzi – Metodi per la stima di vita residua assili; D. Arafah – Tenacità HT; A. Jamil – Propagaz. Incollaggi; A. Altamura – modelli probabilistici.