Applicazione di patch in composito a rinforzo di strutture navali: innovazione tecnica e validazione virtuale

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1 COMPOTEC 2012 Virtual shipbuilding & composites forum Applicazione di patch in composito a rinforzo di strutture navali: innovazione tecnica e validazione virtuale Matteo Codda (CETENA SpA)

2 Chi ècetena Società di servizi controllata da FINCANTIERI che sviluppa: ricerca applicata e innovazione consulenza ingegneria e progettazione studi integrati Formazione e trasferimento di tecnologia per costruttori e fornitori navali, operatori marittimi, armatori. Trieste Genova Riva T. Castellammare Palermo ELSAG 2,6% MARIOTTI 10% SEAF 15% INSEAN 1,3% FINCANTIERI 71,1%

3 Composite patch repair for marine and civil engineering infrastructure applications EU - FP7 Durata: 1/1/ /12/2012 Partners: NATIONAL TECHNICAL UNIVERSITY OF ATHENS Istituto della Saldatura Portoghese e Inglese (TWI) CARDAMA (Spagna), ENP (Portogallo), UMOE (Svezia) CETENA Bureau Veritas, Hellenic Register of Shipping Univ. Trondheim, Surrey Riparazione per danni da: fatica corrosione QUALI VANTAGGI Non richiedono lavorazioni a caldo Possono essere applicate in situ su struttura sotto carico Riduzione tempi e costi di riparazione ASPETTO CRITICO Prestazioni a lungo termine Upgrade di strutture esistenti per: sopportare nuovi carichi ovviare a carenze progettuali

4 Case histories in campo navale FPSO (Floating Production Storage and Offloading) Soggette a carichi ciclici più severi di una nave tradizionale a causa dei vincoli problematiche di FATICA Riparazioni con saldatura molto onerose Due paratie fra zona riparata e carichi incendiabili svuotamento molte cisterne con riduzione della capacità produttiva dell impianto Fregata UK Tipo 21 Riparazione su ponte coperta Caccia UK Tipo 42 Riparazione in trunk montacarichi Fregata RAN Classe Adelaide Riparazione su ponte di coperta

5 La pezza in composito come sistema complesso Meccanismi di rottura studiati nel progetto: Rottura all interno dello strato adesivo Rottura all interfaccia adesivo/metallo Rottura all interfaccia adesivo/composito Rottura per propagazione di cricca nel metallo

6 Piastra corrosa con pezza Area corrosa: 100 x 80 mm Steel plate: L a = 400 mm B a = 100 mm T a = 5 mm Composite patch: L t = 285 mm L e = 200 mm T e = 6.24 mm SR = E E p S t t p S = 0.62

7 Piastra corrosa con pezza: alcuni risultati Forza vs. Deformazione Tecniche di modellazione e criteri di rottura dell adesivo utilizzati: Delamination option Glue contact Cohesive elements

8 Piastra corrosa con pezza: alcuni risultati Spostamento verticale Unpatched plate Delamination option Glue contact

9 Piastra criccata con e senza pezza Steel L a = 400 mm W = 200 mm t = 5 mm Composite L t = 300 mm L e = 200 mm T e = 4.68 mm

10 Simulazione della propagazione di cricca nella piastra metallica Carico ciclico di trazione σ n = 100 MPa stress nominale R = σ min / σ max = 0 load ratio (pulsante) Approccio LEFM (linear elastic fracture mechanism) Vita a fatica stimata con la formula di Paris Erdogan J integral o VCCT Calcolo di G (energy release rate) Calcolo di K (stress intensity factor) G = K E 2 Calcolo vita a fatica da dn = C ( K ) m Per la piastra senza pezza si può stimare K anche con formule analitiche: Feddersen Irwin

11 J integral method: Elementi esaedrici (20 nodes) Quarter point technique Tecniche per la simulazione della propagazione di cricca nella piastra metallica J calcolato per diverse lunghezze di cricca Several FE models with different crack length are developed VCCT method Elementi esaedrici (8 nodes) Non sono richieste tecniche particolari di modellazione G calcolato per diverse lunghezze di cricca Fu G = 2 a

12 Calcolo della vita a fatica UNPATCHED Validazione incrociata del calcolo della velocità di propagazione della cricca

13 K max Kt/2 Velocità di propagazione della cricca non costante sullo spessore a causa dell asimmetria: Quale valore utilizzare? Calcolo della vita a fatica PATCHED K al centro K medio max K K average

14 Calcolo della vita a fatica PATCHED Un approccio ingegneristico UNPATCHED K MAX PATCHED K t/2 K av LA PATCH RALLENTA LA PROPAGAZIONE DELLA CRICCA!!!

15 Dettaglio navale n 1 madiere Cricca passante Struttura riparata con pezza in fibra di carbonio e resina vinilestere prodotta per infusione a vuoto 2 forme alternative di pezza valutate Analisi parametrica: 3 spessori 4 orientazioni fibre

16 Dettaglio navale n 2 passo d uomo Cricca inferiore Cricca superiore Riparazione con pezza in fibra di carbonio e resina vinilestere laminata con procedimento hand lay-up Analisi parametrica: 5 forme di pezza (3 per la cricca superiore, 2 per quella inferiore) 3 spessori 4 orientazioni fibre

17 Dettaglio navale n 2 progettazione pezza

18 Criteri di progettazione pezza per cricca madiere Incremento di rigidezza Rallentamento propagazione cricca Cosa resta da fare? Taratura e validazione modelli su dati sperimentali Certificazione della procedura di progettazione e applicazione

19 Acknowledgment The author of this presentation acknowledges the support of the CO- PATCH research project that is co-funded by the European Commission under the contract FP7-SST-2008-RTD-1

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