Fracture assessment of cracked components under biaxial loading

The present PhD thesis is devoted to the thorough investigation of the effect of biaxial loading on the fracture assessment of cracked components. In particular, the research aims to address unsolved issues in the assessment of pressurized components. The analyses have been carried out onto different levels, starting from the failure analysis on the tested cracked specimens, the analytical assessment based on current standards, up to the higher level represented by the numerical investigations by means of finite elements. In the analytical and numerical assessment particular care is dedicated to the estimation of the crack driving force, in terms of J-integral, and the variation of the local constraint along the crack front. A major effect of the biaxial loading on these two quantities is observed. The following main results are achieved in this work: 1) Extension of reference stress method to biaxial loading through the development of reference yield stress solutions for plates with semi-elliptical surface cracks subjected to biaxial tensile loading. 2) Importance of carrying out fracture toughness tests on dedicated specimens, which are able to reproduce nearly the same constraint condition of the component under investigation. 3) Development of an analytical assessment methodology for fracture instability analysis of pressurized components with longitudinal external surface cracks. 4) Application of cohesive zone modeling to simulate the ductile tearing in thick-walled components.

La presente tesi di dottorato è dedicata allo studio dettagliato dell'effetto di biassialità nella valutazione dell'integrità strutturale di componenti dotati di difetti. In particolare questa ricerca si prefigge di affrontare le problematiche irrisolte nella verifica di componenti in pressione. Le analisi sono state condotte su diversi livelli, a cominciare dalla verifica di cedimento di provini con cricche, la valutazione analitica basata sulle normative vigenti, fino a un livello superiore che prevede analisi numeriche condotte mediante elementi finiti. Durante la valutazione numerica e analitica, particolare attenzione è stata posta alla stima della 'crack driving force', in termini di integrale J e alla variazione del 'local constraint' lungo il fronte di cricca. In questo ambito è stato riscontrato un effetto maggiore causato dalla biassialità. In questo lavoro sono stati conseguiti i seguenti risultati: 1) Estensione del 'reference stress method' al caso biassiale mediante lo sviluppo di nuove soluzioni per la detterminazione del 'reference yield stress' nel caso di piastre dotate di difetti dalla morfologia semi-ellittica soggette a carico biassiale di trazione. 2) L'importanza di condurre test di tenacità a frattura su provini dedicati che sono in grado di riprodurre una condizione di 'constraint' molto simile a quella del componente analizzato. 3) Lo sviluppo di un metodo analitico per la verifica dell'instabilità della frattura di componenti in pressione dotati di cricche longitudinali lungo la superficie esterna. 4) L'applicazione di un modello a elementi coesivi al fine di simulare la propagazione stabile su componenti di grosso spessore.