MECCANICA DEI MATERIALI
Fatica ad alta temperatura e creep
Gli studi in questo settore si sono concentrati sulla caratterizzazione del fenomeno dell’interazione creep-fatica e sulla qualificazione delle relative tecniche di analisi e modelli di previsione. Per quanto concerne il secondo aspetto, è stata studiata in modo particolare l’influenza di storie di carico complesse e/o di sollecitazioni di tipo multiassiale.
Le attività di ricerca in questo settore sono state condotte in collaborazione con enti di ricerca e comitati scientifici italiani e stranieri (ENEA, EC Working Groups on “Codes and Standard” AG 2 ed AGT 9B)
Fatica in ambiente corrosivo
Il Prof. Bertini ha condotto un’ampia attività teorica e sperimentale concernente il comportamento di acciai strutturali in condizioni di fatica-corrosione. Le ricerche hanno riguardato in particolare la velocità di propagazione di fessure per fatica in ambiente marino (acciai per applicazioni “offshore”) ed in ambienti operativi tipici delle applicazioni geotermiche (acciai per batterie di perforazione).
Fatica in presenza di tensioni medie elevate
Il comportamento di acciai in condizioni di sollecitazione ciclica caratterizzate da elevati livelli di tensione media (R>0.7) è un problema complesso, ad oggi ancora poco caratterizzato, che riveste una grande importanza per la previsione del comportamento a fatica di componenti caratterizzati da elevati precarichi combinati con carichi esterni ciclici (Es. grandi giunzioni filettate). È stata condotta una ampia campagna sperimentale su acciai HSLA per impieghi in compressori, che ha evidenziato la possibilità di complessi fenomeni di “ratcheting” e/o scorrimento sotto sforzo, interagenti con il ciclo di tensione esterno
Meccanica della frattura
In questo campo il lavoro di ricerca si è svolto principalmente nel settore delle “Weight Functions”, per la determinazione delle quali è stato proposto un nuovo approccio basato sull’impiego di una particolare proprietà delle WF stesse, che richiede oneri computazionali sensibilmente ridotti rispetto alle tecniche tradizionali.
Un risultato di rilevante interesse scientifico ed applicativo è stato poi la dimostrazione che la WF consente un’accurata valutazione dello stato di tensione completo (comprensivo anche dei termini non singolari) davanti all’apice del difetto.
Sono state infine sviluppate le WF per alcuni casi di rilevante interesse applicativo, tra cui la fessura semi-ellittica superficiale soggetta a stati di tensione del tutto generali e la fessura superficiale inclinata, dimostrando la loro utilizzabilità anche per la soluzione di problemi non lineari (contatto tra le superfici della frattura).
Infragilimento da idrogeno
Sono stati condotti studi volti a caratterizzare l’influenza di alcuni parametri rilevanti (composizione chimica, trattamento termico, multiassialità dello stato di tensione, presenza di intagli) sulla suscettibilità all’infragilimento da idrogeno di alcune classi di acciai a bassa attivazione proposti per la realizzazione della prima parete dei futuri reattori a fusione. Sono state inoltre sviluppate tecniche di prova innovative, che hanno consentito di condurre “test” in presenza di concentrazioni di idrogeno molto elevate e di alte temperature.
Riporti ceramici
In questo settore è stata condotta un’articolata attività sperimentale, volta alla messa a punto di affidabili tecniche per la misura delle principali proprietà meccaniche (modulo di Young, coefficiente di Poisson, coefficiente di dilatazione termica) di riporti ceramici. Le tecniche di misura sviluppate sono state poi impiegate per la caratterizzazione di rivestimenti a due strati (bond coat + top coat) su substrato di superlega di Nichel destinati ad essere impiegati nel campo delle turbine a gas.
Additive Manufacturing
È stata condotta un’ampia attività per sviluppare una simulazione integrata multilevel analitico-FEM del processo di Additive Manufacturing di metalli, volta a prevedere le proprietà meccaniche, le distorsioni di forma e la distribuzione delle tensioni residue.
Ulteriori studi sono stati dedicati alla caratterizzazione delle proprietà meccaniche dei componenti metallici ottenuti per AM, in particolare per quanto riguarda il comportamento a fatica.
RESISTENZA A FATICA DI GIUNTI SALDATI
Sono state condotte, in collaborazione con le industrie del settore, rilevanti studi teorici e sperimentali sul comportamento a fatica di giunti saldati in diverse condizioni (leghe leggere o acciai, bassa o alta temperatura). Il principale scopo di questi studi è stato lo sviluppo/qualificazione di tecniche per la previsione della vita a fatica di giunzioni saldate presenti in componenti meccanici (es. braccio sospensione automobilistica) tenendo conto delle possibilità offerte dai moderni strumenti di analisi ad Elementi Finiti.
Sono stati inoltre recentemente condotti studi concernenti il comportamento di giunti saldati “full-scale” del tipo “pipe-to-plate” in presenza di sollecitazioni contemporanee di flessione e torsione agenti con diversi sfasamenti tra loro, al fine di determinare l’evoluzione combinata del danneggiamento a fatica.
METODI SPERIMENTALI
Tensioni residue
Per quanto riguarda le tensioni residue, le attività di ricerca sono state orientate alla messa a punto di nuove tecniche di misura ed all’analisi degli effetti sulla propagazione di fessure per fatica.
E’ stata messa a punto una tecnica distruttiva ibrida, basata su rilievi estensimetrici e su coefficienti di influenza ottenuti tramite modelli ad Elementi Finiti (EF), che consente una stima completa dei campi di autotensioni presenti all’interno di componenti meccanici, anche di grandi dimensioni.
Sono stati inoltre sviluppate due importanti estensioni della tecnica semi-distruttiva detta “del foro (cieco o passante)”, che consentono la misura di tensioni residue aventi valore molto elevato (fino al 90% della tensione di snervamento) o variabili nello spessore.
E’ stata infine sviluppata una metodologia di analisi dell’effetto delle tensioni residue sull’avanzamento di fratture per fatica, basata sulla tecnica delle “Weight Functions” (WF).
Analisi Modale
E’ stata messa a punto una stazione robotizzata per l’analisi modale completamente automatica di strutture e componenti.
Nel Computer di Controllo viene inserito il modello solido CAD del componente da analizzare e viene definita la griglia di punti nei quali effettuare la misura.
Successivamente, mentre il componente oggettio del test viene eccitato tramite uno shaker, un braccio robotico provvede a posizionare un velocimetro laser ad effetto doppler, in successione, sulla griglia di punti di misura precedentemente definita.
Come risultato, si ha la determinazione automatica dei modi propri della struttura e delle relative forme modali..
COMPORTAMENTO DI BATTERIE DI PEFORAZIONE PETROLIFERA
Il Prof. Bertini è stato responsabile di una serie di attività di ricerca, in collaborazione con ENI, volte a determinare e migliorare la resistenza a fatica di componenti in piena scala di batterie di perforazione petrolifera (aste pesanti o “Drill Collar” ed aste leggere o “Drill Pipes”).
In questo ambito sono state sviluppate macchine a risonanza in grado di sottoporre a test di fatica a flessione rotante o alterna elementi di batteria in piena scala e sono state condotte campagne di prova sia su componenti in acciaio che in alluminio.
Sono stati inoltre condotti studi teorico-progettuali finalizzati a migliorare le prestazioni delle batterie di perforazione, sia attraverso il miglioramento della distribuzione di tensioni nelle giunzioni filettate, sia attraverso l’introduzione di nuovi concetti realizzativi finalizzati principalmente all’incremento della distanza raggiungibile con perforazioni orizzontali (“extended reach drilling”).
ANALISI DI STRUTTURE E COMPONENTI
Il Prof. Bertini, ha svolto alcune attività di ricerca sull’applicazione di tecniche affidabilistiche alle valutazioni di integrità di strutture, occupandosi in particolare della messa a punto di una metodologia per la previsione della probabilità di rottura delle batterie di perforazione per pozzi geotermici.
Il Prof. Bertini ha condotto un ampio studio orientato alla messa a punto di un modello matematico per la previsione del rendimento in esercizio di cambi continui a cinghia trapezoidale e pulegge espansibili (“Continuously Variable Transmissions o CVT) per uso veicolistico.