Studio della durata a fatica ad alto numero di cicli di giunzioni saldate a punto: sviluppo metodologico in Optistruct e Abaqus = Study of High-Cycle Fatigue Life of Spot-Welded Joints: Methodological Development in OptiStruct and Abaqus

La saldatura a resistenza per punti costituisce una delle tecnologie di giunzione più diffuse nel settore automotive, impiegata per l’unione di lamiere sottili grazie alla sua alta capacità produttiva, ripetibilità e adeguata resistenza meccanica. La presente tesi ha l’obiettivo di sviluppare una metodologia numerica per la previsione della durata a fatica in regime ad alto numero di cicli (High-Cycle Fatigue, HCF) delle giunzioni saldate a punto e di ottenere una correlazione coerente tra i risultati forniti dai solutori agli elementi finiti Optistruct e Abaqus, mediante un’adeguata modellazione dell’elemento di saldatura. Sulla base della campagna sperimentale condotta su provini Lap-Shear e Coach-Peel, mediante prove a fatica ad alto numero di cicli, è stato possibile ricavare il numero di cicli a rottura e analizzare le modalità di cedimento. La valutazione della durata a fatica risulta particolarmente complessa in quanto la saldatura si comporta come un intaglio strutturale, caratterizzato da una microstruttura eterogenea nella zona fusa e l’intensificazione delle tensioni favorisce l’innesco e la propagazione di cricche. Tale complessità può essere affrontata attraverso diversi approcci teorici, tra cui la Meccanica della Frattura Elastica Lineare (MFLE), la teoria dell’intaglio e il modello strutturale di Rupp. In questo lavoro, si è scelto di adottare proprio quest’ultimo, in quanto maggiormente coerente con la metodologia numerica sviluppata e direttamente applicabile alle configurazioni considerate. Il modello numerico è stato realizzato con elementi di tipo shell per i provini in entrambe le configurazioni e la saldatura è stata modellata con elemento 1D CWELD in Optistruct e Fastener con differenti Section Card (Beam, Cartesian+Cardan, Bushing) in Abaqus. A partire dalle tensioni calcolate, combinate con i dati sperimentali sulla vita a fatica, sono state ricavate le curve S–N per entrambe le configurazioni considerate. I risultati ottenuti, in termini di danno cumulativo e vita a fatica, hanno evidenziato una buona capacità predittiva del modello nel regime ad alto numero di cicli (HCF). Tuttavia, è stata evidenziata una limitazione dell’approccio lineare nel caso di carichi elevati, in cui la presenza di deformazioni plastiche altera significativamente la distribuzione delle sollecitazioni e compromette l’affidabilità della stima numerica.