Interpretazione dei risultati negli studi di fatica
L'argomento riportato di seguito descrive i diversi risultati che è possibile definire per gli studi di fatica con alcune indicazioni su come interpretare i risultati.
Indicazione di biassialità
L'indicazione di biassialità è un risultato senza quota che mostra la natura multiassiale dello stato di sollecitazione in una posizione durante l'analisi a fatica. Consente di comprendere se il danno da fatica è causato da una sollecitazione principale dominante o da due o più sollecitazioni principali di ampiezza comparabile. Questo risultato aiuta a interpretare altri risultati di fatica, come la vita a fatica, il danno da fatica o il fattore di sicurezza.
L'indicazione di biassialità misura il rapporto tra la sollecitazione principale più piccola e la sollecitazione principale più grande (esclusa la sollecitazione principale più vicina a zero) per determinare la natura dello stato di sollecitazione, aiutando a identificare la validità delle previsioni della vita a fatica (che presuppongono un carico uniassiale).
I valori dell'indicazione di biassialità sono compresi tra -1 e 1 e possono essere interpretati come segue:
• -1 - Un valore pari a -1 indica una tranciatura pura. È comune nei carichi torsionali. È necessario passare dalla sollecitazione equivalente (von Mises) alla tensione tangenziale massima per ottenere una vita a fatica conservativa.
• 0 - Un valore pari a 0 indica un carico uniassiale e significa che le sollecitazioni sono tensioni o compressioni pure. In questo caso, i presupposti dell'analisi a fatica sono più accurati.
• 1 - Un valore pari a 1 indica un carico biassiale puro con uguale tensione o compressione in due direzioni.
Utilizzate questo risultato per verificare se il modello è sottoposto a un carico multiassiale. Se non è uniassiale (0), i risultati della vita a fatica potrebbero richiedere una valutazione più attenta utilizzando criteri di fatica multiassiali.
Sollecitazione alternata equivalente (EAS)
Si tratta di un singolo valore di sollecitazione che rappresenta l'entità del danno del carico per la fatica. Converte il carico di sollecitazione complesso, multiassiale e medio diverso da zero in un'ampiezza di sollecitazione equivalente completamente invertita. Si tratta del valore di sollecitazione utilizzato per leggere la vita a fatica dalla curva S-N.
EAS include le seguenti conversioni:
• Conversione della sollecitazione multiassiale - Combina le sollecitazioni provenienti da direzioni differenti in un'unica sollecitazione equivalente.
• Correzione della sollecitazione media - Utilizza modelli quali Goodman, Gerber o Soderberg (non disponibili al momento, ma previsti in release future) per regolare la resistenza media alla trazione o alla compressione.
• Valore scalare finale - Direttamente confrontato con la curva S-N del materiale.
La figura riportata di seguito mostra la curva S-N e l'EAS. L'asse Y mostra l'ampiezza della sollecitazione (S) e l'asse X indica il numero di cicli fino alla rottura (N).
Curva S-N con sollecitazione alternata equivalente
Il grafico mostra i valori seguenti:
• Linea blu: una tipica curva S-N (ampiezza di sollecitazione/cicli).
• Linea rossa tratteggiata: la sollecitazione alternata equivalente (EAS).
• Linea verde punteggiata + punto rosso: la vita prevista in cui EAS interseca la curva S-N.
Potete leggere il grafico come segue:
• Spostatevi orizzontalmente dal valore EAS fino alla curva S-N, quindi scendete fino all'asse N.
• Il valore N è la vita a fatica prevista (cicli) per il carico corrente.
Danno da fatica (regola di Miner)
Danno = durata di vita del progetto/vita prevista.
Un danno > 1 indica la rottura prima della durata di vita del progetto.
Barra del danno secondo la regola di Miner
Danno D= durata di vita del progetto/vita prevista
La barra del danno mostra quanto segue:
• Area verde: danno < 1 - Sicuro per la durata vita del progetto.
• Linea arancione tratteggiata in corrispondenza del danno = 1 - Soglia.
• Area rossa: danno >1 - Rottura prima della durata di vita del progetto.
• Esempio mostrato: D = 1.67 - Non sicuro (la durata viene consumata più rapidamente del consentito).
È possibile interpretare la barra del danno come segue:
• Se la barra si arresta prima della linea di soglia, la durata di vita del progetto è rispettata.
• Se supera il limite, è prevedibile una rottura prima della durata di vita prevista, a meno che non riduciate i carichi o non ripetiate la progettazione.
Vita a fatica
Questo risultato è il numero previsto di cicli che il modello può sopportare con il carico specificato.
Può essere interpretato come segue:
Per un carico di ampiezza costante - Il valore della vita a fatica è il numero di cicli fino alla rottura.
Per un carico variabile o a blocchi - Il valore della vita a fatica rappresenta il numero di blocchi di carico (o cicli equivalenti) fino alla rottura.
Una durata di vita maggiore implica migliori prestazioni di fatica.
Fattore di sicurezza
È una misura che indica la vicinanza del componente alla rottura a fatica. Indica di quanto il carico può essere moltiplicato prima che si verifichi la rottura a fatica.
Fattore di sicurezza = resistenza alla fatica consentita/sollecitazione ciclica applicata
Fattore di sicurezza FS
L'indicatore del fattore di sicurezza mostra quanto segue:
• Rosso: FS < 1 - Non sicuro.
• Giallo: 1 ≤ FS < 2 - Marginale.
• Verde: FS ≥ 2 - Margine confortevole.
• Indicatore blu: FS di esempio = 1.6 - Da monitorare; considerate miglioramenti se il requisito è ≥ 2.
È possibile interpretare l'indicatore del fattore di sicurezza come segue:
• FS < 1 - Aumento della resistenza o riduzione della sollecitazione ciclica.
• FS ≈ 1 - Il componente soddisfa l'obiettivo di durata di vita del progetto con un margine molto ridotto.
• FS ≫ 1 - Il margine superiore indica che il componente è sicuro.
 | Creo Ansys Simulation limita il fattore di sicurezza massimo visualizzato a 15 (molto sicuro). |
Riepilogo - Riferimento rapido per i risultati di fatica
Quantità dei risultati | Cosa rappresenta | Come interpretare il risultato |
|---|---|---|
Sollecitazione alternata equivalente (EAS) | Ampiezza della sollecitazione finale utilizzata per la ricerca sulla curva S-N; include effetti di sollecitazione multiassiale + media | EAS superiore = Vita a fatica inferiore Valore estremamente elevato = La sollecitazione media ha superato i limiti |
Danno da fatica | Frazione di durata di vita consumata | Danno > 1 = Rottura prima della durata di vita del progetto |
Vita a fatica | Numero previsto di cicli (o blocchi) fino alla rottura | Durata di vita superiore = Migliore durata |
Fattore di sicurezza | Margine contro la rottura a fatica |
Scelta della correzione della sollecitazione media più appropriata nella progettazione a fatica
In fase di definizione del comportamento a fatica per il tipo di carico "zero" o "rapporto", è possibile scegliere la teoria della sollecitazione media da utilizzare. La selezione della corretta correzione della sollecitazione media è fondamentale perché modelli diversi offrono livelli di conservatività differenti. Questa guida aiuta a scegliere la teoria della sollecitazione media corretta a seconda del comportamento del materiale, dell'accettazione del rischio e del tipo di applicazione.
Diagramma di Goodman + Gerber con regioni sicure e non sicure
La figura riportata di seguito mostra in che modo i criteri di Goodman e Gerber applicano una correzione della sollecitazione media basata sui valori di sollecitazione alternata e sollecitazione media.
Il diagramma contiene quanto segue:
• La linea blu rappresenta la linea di Goodman (σₐ/Se + σₘ/Sut = 1).
• Linea parabolica tratteggiata: linea di Gerber σₐ = Se (1−(Sut/σₘ)2))
• Punto rosso: stato di sollecitazione applicato (sollecitazione media σₘ, sollecitazione alternata σₐ).
• Freccia verde + punto verde in corrispondenza di σₘ=0: ampiezza equivalente completamente invertita (σₐ,eq) utilizzata per la ricerca S-N
È possibile interpretare il diagramma come segue:
• Una sollecitazione media più elevata (σₘ) riduce la sollecitazione alternata ammissibile.
• La sollecitazione alternata equivalente (σₐ,eq) è quella confrontata con la curva di resistenza S-N.
La tabella seguente mostra un confronto tra le teorie della sollecitazione media di Goodman e Gerber.
Teoria della sollecitazione media | Criterio di Goodman | Criterio di Gerber |
|---|---|---|
Descrizione | Conservatività moderata Ampiamente utilizzato nel settore. Utilizzate Goodman se desiderate un equilibrio tra sicurezza ed economia e un carico ben caratterizzato (comune negli elementi di macchine). | Meno conservativo Migliore corrispondenza con il comportamento degli acciai duttili. Utilizzate Gerber quando il materiale è acciaio duttile con un buon controllo della qualità e desiderate progetti più leggeri e ottimizzati sotto elevata sollecitazione media di trazione. |
Equazione |  dove: σa è la sollecitazione alternata σm è la sollecitazione media Se è il limite di resistenza Sut e la massima resistenza alla trazione |  dove: σa è la sollecitazione alternata σm è la sollecitazione media Se è il limite di resistenza Sut e la massima resistenza alla trazione |
Applicazioni tipiche | • Alberi rotanti • Denti di ingranaggi • Componenti saldati • Elementi di macchine in generale • Strutture automobilistiche | • Componenti automobilistici ottimizzati per peso • Macchine rotanti progettate per prestazioni elevate • Parti in acciaio con dati di affidabilità solidi • Macchinari per utenti finali non critici per la sicurezza |
Pro | Semplice Ragionevolmente conservativo Funziona bene per la maggior parte dei metalli. | Best fit per le curve di fatica sperimentali degli acciai duttili Sollecitazioni ammissibili più realistiche Spesso utilizzato in progetti di ottimizzazione/leggeri |
Contro | Approssimazione lineare (potrebbe essere troppo conservativo per gli acciai duttili) Non rappresenta il comportamento reale di rottura degli acciai duttili come Gerber | Non appropriato per materiali fragili Non adatto quando le conseguenze di rottura sono gravi Non accettato in molti codici di progettazione critici per la sicurezza |
Tabella decisionale rapida
Scenario/Requisito | Metodo consigliato | Motivazione |
|---|---|---|
Elevata sicurezza/rischio per le persone | Soderberg | Impedisce lo snervamento; molto conservativo |
Progettazione meccanica generica | Goodman | Equilibrato, ampiamente accettato |
Parti metalliche leggere ottimizzate | Gerber | Best fit per il comportamento a fatica degli acciai duttili |
Carichi altamente incerti | Soderberg | Il margine di errore è più sicuro |
Sollecitazioni medie di trazione note | Gerber | La curva parabolica corrisponde al comportamento dell'acciaio |
Approvazione normativa necessaria | Goodman o Soderberg | Definiti nella maggior parte degli standard |
Materiali fragili | Goodman | Gerber non è valido per un comportamento fragile |
| | Anche se la teoria della sollecitazione media di Soderberg non è ancora disponibile, lo sarà in una release futura e quindi è stata inclusa in questa tabella per motivi di confronto. |
Regole assolute da non trasgredire
• Non utilizzate Gerber per materiali fragili (ghisa, ceramica).
• Non utilizzate Soderberg per componenti che devono essere ottimizzati per peso (può vincolare eccessivamente il progetto).
• Non date per scontato che tutti i criteri producano risultati simili; possono differire in maniera significativa in prossimità di sollecitazioni medie elevate.