Numerical simulation of static and dynamic indentation test for the safety assessment of metal structures

World widely, aging of the pipeline infrastructure networks stands out as a challenging issue. Hence, to structurally mitigate the risk, these extensive infrastructure systems are demanded to be monitored carefully and properly maintained. The level of aging and corrosion can be assessed by material characterization of the industrial components in the networks. The central theme of the present study is the problem of identification of elastic-plastic parameters of constitutive law that describes the sample mechanical behaviour. The research has applied numerical analysis to simulate the mechanical behavior of metals in dynamic and static indentation test. In static model, the indenter has a conical shape based on the Rockwell test framework and it exerts load till a specific magnitude and then leaves the surface. In the dynamic test, the spherical tip targets the material with a priori known magnitude of initial velocity and rebounds from the sample. The thesis probes the differences between mechanisms involved in the dynamic test and the static test. There is argument among scientist about whether the dynamic test simulates more precisely the impact phenomenon on the material or the static test. The experiment is modeled as a two-dimensional axisymmetric model, with the mesh containing infinite elements developed through the Abaqus code. The analysis is based on the assumptions of large deformations and large displacements. The computational model of the static test is verified as it correctly reproduced the experimental results. The dynamic model also works properly since it is apt to obtain same results as the previous thesis on this subject. Achievement of a model which simulates the phenomenon properly, allows to carry out the sensitivity study and the inverse analysis (a methodology to extract the sample properties from the test results). Sensitivity study which is a forward analysis provides a guidance for the inverse analysis. It makes it possible to investigate the simulation results and observe the effect of infinitesimal change in each material properties.

Questo lavoro di tesi introduce dei modelli per la simulazione di prove di indentazione statica e dinamica, parzialmente validati sulla base di precedenti risultanze sperimentali ed impiegati per l’identificazione dei parametri costitutivi di alcuni materiali metallici. I test non distruttivi considerati in questa tesi possono essere infatti impiegati per valutare l'integrità strutturale durante tutto il loro ciclo di vita dei sistemi di condotte sparse per il mondo che vengono utilizzate per il trasporto di idrocarburi. Queste vaste infrastrutture distribuiscono enormi quantitativi di petrolio e gas naturale ogni giorno. Per questo, questi sistemi devono essere monitorati attentamente e ben manutenuti in modo da rispettare gli standard di sicurezza, ottimizzando la gestione del rischio e dei suoi fattori, considerando che le conseguenze del loro invecchiamento costituiscono aspetti di non facile controllo. Parte di questa tesi esplora le differenze tra i risultati delle prove dinamiche e delle prove statiche sui materiali, valutando in particolare l’effetto della velocità di deformazione. La validità della prova dinamica, rispetto a quella statica, come strumento efficace per la caratterizzazione di un materiale metallico è infatti ancora oggetto di discussione nella comunità scientifica. Tutti gli esperimenti sono stati simulati attraverso un modello assial-simmetrico bidimensionale in elementi finiti implementato nel codice Abaqus. Le analisi sono state condotte sulla base delle ipotesi di grandi deformazioni e grandi spostamenti.