Sviluppo di metodi di progettazione per lo studio del danneggiamento a fatica di componenti meccanici

A multidisciplinary approach to mechanical design, able to focus not only on the specific component but on the whole technical system surrounding it, is necessary to successfully deal with the actual complexity of technical innovation and industrial progress. For this purpose, the aim of this work is to deepen some problems of fatigue damage of mechanical components by means of different design methods in order to show the advantages and the inventive step coming from their synergic employ. At first, theoretical methods for fatigue design of mechanical components and welded structures are analysed and compared to the recommendations given by design standards as regards some specific structural problems of welded details. In this way, the advantages of joining different theoretical methods is pointed out by the comparison with some experimental data. Then, the complex problems of fatigue damage of a more complicated mechanical component as a church bell are analysed. A dedicated software for the simulation of the dynamic behaviour of bells is developed in the context of a European research project. In order to deepen the reasons and the influencing parameters in the damage phenomena and to allow a future application of simulations’ results for fatigue life predictions, the experimental fatigue behaviour of bell bronze is analysed. In this context, theoretical models are employed to summarise fatigue test results on both plain and notched specimens. Finally, different theoretical, numerical and experimental approaches to mechanical design are employed for the development of a electromechanical test bench for torsion fatigue tests that has to be seen as a first step forward future implementations of flexible test systems for both material analysis and components testing. Starting from a fatigue damage problem, this activity requires to collect different skills in both mechanical design and electric and control applications. The result of a synergic employ of these skills is the possibility to get both effective scientific improvements through the validation of theoretical models by means of dedicated fatigue test campaigns and a solid cooperation with business companies by providing reliable data on components resistance and useful suggestions to improve design against fatigue.

L’attuale complessità dell’innovazione tecnica e dello sviluppo industriale richiedono sempre più l’adozione di un approccio alla progettazione meccanica di tipo multidisciplinare che consideri non solo il singolo componente ma l’intero sistema tecnico nel quale è inserito. Il presente lavoro di tesi si propone di approfondire ed integrare, applicandoli a varie problematiche, diversi metodi per lo studio del danneggiamento a fatica di componenti meccanici soggetti a carichi di esercizio, illustrando i vantaggi e il potenziale innovativo che deriva dalla sinergia di questi approcci. Il lavoro si sviluppa a partire dall’approfondimento di modelli teorici per la progettazione a fatica di componenti e strutture saldate proposti in letteratura che vengono applicati allo studio di particolari problematiche strutturali e confrontati con i metodi proposti dalle normative di progettazione. In questo modo viene messa in rilievo, sulla base di evidenze sperimentali, la necessità di integrazione di diversi approcci teorici. Lo studio si allarga quindi a considerare le problematiche di danneggiamento a fatica di un componente meccanico complesso quale le campane da chiesa. Questo argomento, nato dalla partecipazione ad un progetto di ricerca europeo, viene affrontato sia dal punto di vista dello sviluppo di un programma per la simulazione del comportamento dinamico delle campane, sia dal punto di vista della caratterizzazione sperimentale del comportamento a fatica del materiale. Questo secondo approccio, che prevede anche l’applicazione di modelli teorici per la sintesi dei risultati, oltre ad approfondire cause e parametri di influenza nei fenomeni di danneggiamento, ha l’obbiettivo di rendere possibile, in futuro, l’applicazione dei risultati delle simulazioni per previsioni di resistenza a fatica delle campane. Infine, l’integrazione e l’effetto sinergico di diversi approcci allo studio di problematiche di danneggiamento a fatica trovano completa concretizzazione nello sviluppo di un banco elettromeccanico per prove a fatica in torsione. Quest’attività, punto di partenza per lo sviluppo di sistemi di prova flessibili per la caratterizzazione di materiali e la prova di componenti, permette di far convergere metodi specifici con competenze trasversali che ampliano i confini della progettazione meccanica in senso stretto, dimostrando di avere grandi potenzialità dal punto di vista dei risvolti applicativi sia per la ricerca che per le collaborazioni con realtà industriali.