ITMI20111049A1 - INTEGRATED EXPERIMENTAL AND COMPUTATIONAL SYSTEM FOR THE NON-DESTRUCTIVE DETERMINATION OF PARAMETERS THAT QUANTIFY THE MECHANICAL PROPERTIES OF MATERIALS OR THE LOCAL TENSIONAL STATES FOR STRUCTURAL DIAGNOSIS ON THE FIELD OF STRUCTURAL COMPONENTS AND IM - Google Patents
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Description
“SISTEMA INTEGRATO SPERIMENTALE E COMPUTAZIONALE PER LA DETERMINAZIONE NON-DISTRUTTIVA DI PARAMETRI CHE QUANTIFICANO LE PROPRIETA’ MECCANICHE DI MATERIALI O GLI STATI TENSIONALI LOCALI PER LA DIAGNOSI STRUTTURALE IN LOCO DI COMPONENTI STRUTTURALI E IMPIANTISTICHE NELL’INDUSTRIA DEL PETROLIO, DEL GAS E PETROLCHIMICA†⠀ œEXPERIMENTAL AND COMPUTATIONAL INTEGRATED SYSTEM FOR THE NON-DESTRUCTIVE DETERMINATION OF PARAMETERS THAT QUANTIFY THE MECHANICAL PROPERTIES OF MATERIALS OR LOCAL STRESSURE STATES FOR THE STRUCTURAL DIAGNOSIS OF THE STRUCTURAL AND PLANT INDUSTRY PETROCHEMISTRYâ €
Descrizione Description
La presente invenzione riguarda un sistema integrato sperimentale e computazionale per la determinazione non-distruttiva di parametri che quantificano le proprietà meccaniche, elastiche e/o anelastiche, di material i strutturali o degli stati tensionali locali in componenti strutturali e impiantistiche per la diagnosi strutturale in loco fondati su prove nondistruttive e su metodi di analisi inversa. The present invention relates to an experimental and computational integrated system for the non-destructive determination of parameters that quantify the mechanical, elastic and / or inelastic properties, of structural materials or of local stress states in structural and plant components for on-site structural diagnosis. based on nondestructive evidence and reverse analysis methods.
Le prove non-distruttive sono svolte con uno strumento portatile atto ad indentare per la produzione in loco di una impronta, cioà ̈ una deformazione elasto-plast ica localizzata, non-distruttiva, sulla superficie di dette componenti . The non-destructive tests are carried out with a portable instrument designed to indent for the on-site production of an impression, that is, a localized, non-destructive, elastic-plastic deformation on the surface of said components.
L’impronta, intesa come le coordinate di un insieme di punti situati sulla superficie deformata della detta impronta, dopo la rimozione della punta, e sulla superficie adiacente non deformata o con deformazione trascurabile, viene rilevata con strumento atto a misurare dette coordinate. The imprint, understood as the coordinates of a set of points located on the deformed surface of said imprint, after removing the tip, and on the adjacent surface that is not deformed or with negligible deformation, is detected with an instrument suitable for measuring said coordinates.
La caratterizzazione dei material i mediante identificazione di parametri in modelli costitutivi elasto-plast ici à ̈ uti le per il settore industriale del petrolio e del gas e per il petrolchimico, dove esistono tubazioni e l inee di trasporto di liquidi e gas, e anche saldature tra due tratti di una tubazione, unioni a “T†, unioni delle tubazioni a valvole, a reattori o ad altre componenti di un impianto industriale. The characterization of materials by identifying parameters in elasto-plastic constitutive models is useful for the oil and gas industrial sector and for the petrochemical sector, where there are pipelines and lines for transporting liquids and gases, and also welding between two sections of a pipeline, â € œTâ € joints, pipe joints to valves, reactors or other components of an industrial plant.
Viene sviluppato un sistema completo di caratterizzazione “in loco†delle proprietà meccaniche di leghe metalliche e altri materiali per la diagnosi strutturale di tubazioni e altre componenti in impianti industriali e linee di trasporto in esercizio, dove possa essersi verificato un degrado di tali proprietà per invecchiamento o per conduzione accidentale delle l inee o degli impianti fuori dal regime di sicurezza, o laddove si renda necessario verificare le proprietà meccaniche dei materiali costituenti alla fine della vita utile prevista dalla progettazione del componente, o semplicemente per mancanza della documentazione tecnica originale. A complete system for characterizing the mechanical properties of metal alloys and other materials is developed for the structural diagnosis of pipes and other components in industrial plants and transport lines in operation, where a degradation of these properties may have occurred due to aging or accidental conduction of lines or plants outside the safety regime, or where it is necessary to check the mechanical properties of the constituent materials at the end of the useful life foreseen by the design of the component, or simply for lack of the original technical documentation.
Il s istema si applica anche alla determinazione dello stato locale di tensioni; in particolare tensioni residue e/o da azioni esterne che possano essere state generate nelle saldature presenti nelle linee o tubazioni o in altre componenti di impianti industriali . The system is also applied to the determination of the local state of voltages; in particular residual stresses and / or from external actions that may have been generated in the welds present in the lines or pipes or in other components of industrial plants.
Esistono diversi sistemi di caratterizzazione non distrutt iva per detti materiali costituenti le tubazioni e/o le saldature e/o altre componenti di impianti industrial i. There are various non-destructive characterization systems for said materials making up the pipes and / or welds and / or other components of industrial plants.
Nel sistema di caratterizzazione non distruttiva detto ABI (“Automated Ball Indentation†) o SSM (Stress-Strain Microprobe) Systems (US-4852397), si utilizza la curva carico-profondità di un indentatore senza sfruttare la geometria dell’impronta. Inoltre tale metodo ABI effettua le prove tramite una punta dell’indentatore sferica. In the non-destructive characterization system called ABI (â € œAutomated Ball Indentationâ €) or SSM (Stress-Strain Microprobe) Systems (US-4852397), the load-depth curve of an indenter is used without exploiting the geometry of the footprint. Furthermore, this ABI method carries out the tests using a spherical indenter tip.
Non utilizzando metodi di Analisi Inversa, il metodo ABI deve introdurre nelle equazioni delle costanti empiriche e dati sperimentali misurati precedentemente nel laboratorio, ottenuti su leghe della famiglia della lega che si intende caratterizzare “in loco†; inoltre non fornisce alcuna informazione relativa alla possibile anisotropia del materiale, né può fornire stime del tensore di tensioni residue. Not using Reverse Analysis methods, the ABI method must introduce in the equations of the empirical constants and experimental data previously measured in the laboratory, obtained on alloys of the family of the alloy that is to be characterized â € œin locoâ €; furthermore, it does not provide any information regarding the possible anisotropy of the material, nor can it provide estimates of the residual stress tensor.
Una seconda metodologia di caratterizzazione non distruttiva fa uso della sola curva carico-profondità ricavata tramite un indentatore e del Metodo di Analisi Inversa per la determinazione delle proprietà meccaniche, senza sfruttare la geometria dell’impronta. La metodologia à ̈ applicata frequentemente allo studio della risposta meccanica di “film†sottili o “coatings†(Vedere ad esempio; T. Nakamura, Y. Gu, Identification of elastic–plastic anisotropic parameters using instrumented indentation and inverse analysis. Mechanics of Materials, vol . 39, pp. 340-356, 2007; A. E. Giannakopoulos, Determination of elastoplastic propert ies by instrumented sharp indentation. Scripta Materialia, vol. 40, pp. 1191-1198, 1999). A second non-destructive characterization methodology makes use of the load-depth curve only obtained through an indenter and the Inverse Analysis Method for the determination of the mechanical properties, without exploiting the geometry of the footprint. The methodology is frequently applied to the study of the mechanical response of thin "films" or "coatings" (See for example; T. Nakamura, Y. Gu, Identification of elastic "plastic anisotropic parameters using instrumented indentation and inverse analysis. Mechanics of Materials, vol. 39, pp. 340-356, 2007; A. E. Giannakopoulos, Determination of elastoplastic propert ies by instrumented sharp indentation. Scripta Materialia, vol. 40, pp. 1191-1198, 1999).
Una metodologia alternativa classificata come “virtualmente non distruttiva†à ̈ quella detta “Small Punch†(“Code of practice on Small Punch technique for Metallic Materials†, documento CEN emanato da CEN WS21, coordinato da V. Bicego, CESI, 2006). Richiede l’estrazione “in loco†di un provino sott ile dalla superficie esterna della tubazione, la preparazione di campioni piatt i a partire dalla lamiera ed una prova di punzonatura nel laboratorio. La metodologia utilizza solo la curva caricospostamento del punzone e richiede, per ogni proprietà meccanica, la confezione di una “curva maestra†con misure effettuate preliminarmente su leghe della famiglia della lega che si intende caratterizzare. Non impiega simulazioni computazionali della prova né analisi inverse. Non può essere effettuata in situ. An alternative methodology classified as â € œvirtually non-destructiveâ € is that called â € œSmall Punchâ € (â € œCode of practice on Small Punch technique for Metallic Materialsâ €, CEN document issued by CEN WS21, coordinated by V. Bicego, CESI, 2006). It requires the â € œin locoâ € extraction of a sub-surface specimen from the external surface of the pipeline, the preparation of flat samples from the sheet metal and a punching test in the laboratory. The methodology uses only the load-displacement curve of the punch and requires, for each mechanical property, the manufacture of a â € œmain curveâ € with preliminary measurements carried out on alloys of the alloy family to be characterized. It does not employ computational simulations of the test or inverse analyzes. It cannot be done in situ.
E’ stato ora trovato un sistema integrato sperimentale e computazionale ed il relativo metodo per la caratterizzazione meccanica di materiali e per la determinazione di stati tensionali allo scopo di diagnosi strutturali in loco. Il sistema e i l metodo sono fondati su prove non-distruttive e su metodi di analisi inversa, che sono in grado di risalire dalla sola geometria dell’impronta alle proprietà meccaniche o alle tensioni o anche tramite l’impiego simultaneo, nella simulazione e nei calcoli , della geometria dell’indentazione e dei dati sperimentali generati dagli strumenti portat ili associati all’indentatore (denominato in tal caso “indentatore strumentato†), cioà ̈ la curva digitalizzata carico-profondità di penetrazione dell’indentatore. An experimental and computational integrated system and the relative method for the mechanical characterization of materials and for the determination of stress states for the purpose of structural diagnosis on site have now been found. The system and the method are based on non-destructive tests and on inverse analysis methods, which are able to trace the mechanical properties or stresses from the geometry of the footprint alone or even through simultaneous use, in simulation and calculations, the geometry of the indentation and the experimental data generated by the portable instruments associated with the indenter (called in this case â € œinstrumented indentatorâ €), ie the digitized load-depth curve of the indenter.
Il sistema completo della presente invenzione non ha bisogno di costanti empiriche, misure precedenti alla prova d’indentazione o banche di dati sulle proprietà meccaniche. The complete system of the present invention does not need empirical constants, measurements prior to the indentation test or databases on mechanical properties.
Il sistema della presente invenzione può gestire qualsiasi geometria dell’impronta o cavità prodotta dalla punta di indentatori o durometri, o di qualsiasi strumento in grado di produrla. The system of the present invention can manage any geometry of the impression or cavity produced by the tip of indenters or durometers, or of any instrument capable of producing it.
Ai fini della determinazione di tensioni residue in saldature, il sistema si applica anche subito dopo l’esecuzione in opera in assenza di fenomeni di degrado. For the purpose of determining residual stresses in welds, the system is also applied immediately after execution on site in the absence of degradation phenomena.
Il sistema opera “in loco†su tubazioni, linee e componenti in esercizio e può anche operare successivamente nel laboratorio su campioni rappresentativi prelevati in campo. The system operates â € œin locoâ € on pipes, lines and components in operation and can also subsequently operate in the laboratory on representative samples taken in the field.
Le proprietà meccaniche determinate riguardano il campo elastico, anelastico e, principalmente, il comportamento plastico dei materiali da caratterizzare. Fra i parametri che possono essere identificati con il sistema rivendicato nella presente invenzione citiamo i seguenti: moduli elastici, tensioni massime di resistenza alla rottura, tensioni di snervamento, parametri della curva d’incrudimento. The mechanical properties determined concern the elastic, inelastic range and, mainly, the plastic behavior of the materials to be characterized. Among the parameters that can be identified with the system claimed in the present invention, we mention the following: elastic modulus, maximum tensile stresses, yield stresses, parameters of the hardening curve.
Il sistema sperimentale e computazionale, oggetto della presente invenzione, per la determinazione non-distruttiva di parametri che quantificano le proprietà meccaniche,elastiche e/o anelastiche, di materiali strutturali o stati tensionali locali , comprende: The experimental and computational system, object of the present invention, for the non-destructive determination of parameters that quantify the mechanical, elastic and / or inelastic properties, of structural materials or local stress states, includes:
• un sotto-sistema sperimentale contenente: â € ¢ an experimental subsystem containing:
- uno strumento portatile atto ad indentare con una punta di qualsiasi geometria, preferibilmente conica, sferica, piramidale o cilindrica, più preferibilmente conica, la superficie di dette componenti per la produzione in loco di una impronta, cioà ̈ una deformazione elastoplastica localizzata, non-distrutt iva, sulla superficie della componente strutturale o impiantistica; - a portable instrument able to indent with a tip of any geometry, preferably conical, spherical, pyramidal or cylindrical, more preferably conical, the surface of said components for the on-site production of an impression, i.e. a localized elastoplastic deformation, not destructive, on the surface of the structural or plant component;
- un rugosimetro portatile atto a rilevare sia la rugosità della superficie sia la geometria dell’impronta intesa come l’insieme di coordinate di punti situati sulla superficie deformata di detta impronta, dopo la rimozione della punta, e sulla superficie adiacente non deformata o con deformazione trascurabile; - a portable roughness tester capable of detecting both the roughness of the surface and the geometry of the impression understood as the set of coordinates of points located on the deformed surface of said impression, after the removal of the tip, and on the adjacent non-deformed surface or with negligible deformation;
• un sotto-sistema computazionale comprendente un software atto a generare delle funzioni (superfici e/o profili) che meglio rappresentino l’insieme di punti rilevati col rugosimetro, un software per la simulazione dei fenomeni meccanici coinvolti nella produzione della detta impronta, e un software per l’applicazione di metodi di analisi inversa ai dati sperimentali e di un software ausiliario con strumenti matematici atti a velocizzare le operazioni di analisi inversa, ai fini di consentire l’utilizzo del software per l’esecuzione di tutti i calcoli “in loco†con un computer portati le. â € ¢ a computational sub-system including software capable of generating functions (surfaces and / or profiles) that best represent the set of points detected with the roughness tester, a software for simulating the mechanical phenomena involved in the production of the said impression , and a software for the application of inverse analysis methods to experimental data and an auxiliary software with mathematical tools designed to speed up the inverse analysis operations, in order to allow the use of the software for the execution of all calculations â € œin locoâ € with a computer brought to you.
Lo strumento adatto alla produzione in loco di una deformazione elastoplastica, non distruttiva per esiguità di dimensioni, sulla superficie delle componenti strutturali o impiantist iche può essere preferibilmente scelto fra un indentatore portatile strumentato (cioà ̈ atto a fornire lo spostamento di penetrazione in funzione della forza applicata), un indentatore portatile non strumentato, un durometro portatile non strumentato, un durometro portati le con una molla per la generazione di un’impronta mediante impatto dinamico. The instrument suitable for the on-site production of an elastoplastic deformation, non-destructive due to small size, on the surface of the structural or plant components which can preferably be chosen from a portable instrumented indenter (i.e. suitable to provide the penetration displacement as a function of the force applied), a portable non-instrumented indenter, a portable non-instrumented durometer, a durometer carried with a spring for the generation of an impression by dynamic impact.
La punta preferi ta di detto strumento portatile atto ad indentare à ̈ conica. Lo strumento utilizza un piano di movimentazione X-Y manuale o automatico per rilevare in loco la geometria completa dell’impronta, generando una mappa digitalizzata costituita da una matrice di punti o “nodi†nel piano X-Y e di quote nell’asse Z. The preferred tip of said portable indenting instrument is conical. The instrument uses a manual or automatic X-Y movement plane to survey the complete geometry of the footprint on site, generating a digitized map consisting of a matrix of points or â € œnodesâ € in the X-Y plane and of heights in the Z axis.
Il sotto-sistema computazionale può essere preferibilmente costituito da un software per la simulazione dei fenomeni coinvolti nella prova d’indentazione e da un software con vari moduli originali per l’applicazione di opportuni metodi di analisi inversa. The computational sub-system can preferably be made up of software for simulating the phenomena involved in the indentation test and software with various original modules for the application of suitable inverse analysis methods.
Eventualmente uno degli strumenti per la produzione dell’impronta e lo strumento per la rilevazione della geometria dell’impronta possono essere assemblati in un unico strumento portati le completo per consentire, tramite una movimentazione manuale o automatica, le due operazioni in successione, assicurando il posizionamento dei due strumenti nello stesso asse perpendicolare alla superficie del componente strutturale o impiantistico (per es. tubazione, pipeline, etc.) da caratterizzare. Eventually one of the tools for the production of the impression and the tool for the detection of the geometry of the impression can be assembled in a single instrument carried complete to allow, through a manual or automatic movement, the two operations in succession, ensuring the positioning of the two instruments in the same axis perpendicular to the surface of the structural or plant component (e.g. pipe, pipeline, etc.) to be characterized.
Le funzioni dello strumento per la produzione dell’impronta e le funzioni dello strumento per la rilevazione della geometria dell’impronta possono essere eseguite da un unico strumento multifunzionale. The functions of the tool for making the impression and the functions of the tool for taking the geometry of the impression can be performed from a single multifunctional tool.
Gli strumenti per la produzione quasi-statica dell’impronta e per la rilevazione della geometria dell’impronta, o i due strumenti assemblati in un unico strumento completo, o lo strumento unico, possono fissarsi alla tubazione o alla pipeline in qualsiasi posizione lungo la sua circonferenza tramite magneti , fasce metalliche o polimeriche o altri afferraggi per assicurare la rigidità necessaria alla prova. The instruments for the quasi-static production of the impression and for the detection of the geometry of the impression, or the two instruments assembled in a single complete instrument, or the single instrument, can be fixed to the pipe or pipeline in any position along the its circumference by means of magnets, metal or polymeric bands or other grips to ensure the rigidity necessary for the test.
Lo strumento utilizzato nel sottosistema sperimentale per la rilevazione della geometria dell’impronta dà luogo ad alcuni miglioramenti rispetto a strumenti citati nella letteratura specifica del settore prove non distruttive. Tra le peculiarità il suo peso à ̈ inferiore o molto inferiore. Inoltre à ̈ l’unico strumento o lo strumento più adatto per controllare, tramite il parametro rugosità , il fenomeno di attri to tra punta dell’indentatore e substrato metallico per assicurare la riproducibilità del test e verificare lo stato della punta dell’indentatore. The instrument used in the experimental subsystem for the detection of the geometry of the imprint gives rise to some improvements compared to the instruments mentioned in the specific literature of the non-destructive testing sector. Among the peculiarities its weight is lower or much lower. Furthermore, it is the only instrument or the most suitable instrument to check, through the roughness parameter, the phenomenon of attraction between the indenter tip and the metal substrate to ensure the reproducibility of the test and check the state of the tip of the indenter. indenter.
Di seguito sono elencate altre migliorie constatate dal confronto sperimentale tra il rugosimetro e altri strumenti citati nella letteratura per il rilevamento della geometria dell’impronta. Nella letteratura si dichiara in alcuni casi che detti strumenti sono stati impiegati effett ivamente per effettuare delle misure, in altri casi il loro utilizzo à ̈ solo ipotizzato. Below are other improvements noted by the experimental comparison between the roughness tester and other tools cited in the literature for detecting the geometry of the impression. In the literature it is stated in some cases that these instruments were actually used to carry out measurements, in other cases their use is only hypothesized.
La pubblicazione “Mechanical Characterization of Materials by Micro-Indentation and AFM Scanning†(G. Bolzon, M. Bocciarell i , E. J . Chiarullo, apparsa nella raccolta Applied Scanning Probe Methods XII, B. Bhushan e H. Fuchs (Eds), Springer, 2009) considera l’uso dell’Atomic Force Microscope (AFM) sulla microscala e ipotizza l’uso dello Scanning Force Microscope su scala maggiore. Il rugosimetro proposto negli esempi della presente invenzione consente la documentazione della geometria di cavità tra 10-800µ m di profondità (valori tipici di profondità dell’impronta sono compresi ad esempio tra 100-350µ m, un ordine di grandezza superiore alla dimensione media dei grani cristallini). Mentre la microscopia sopraccitata à ̈ in grado solo di esplorare un intervallo molto più ristretto di valori di profondità che non sono in grado di coinvolgere volumi rappresentativi delle proprietà meccaniche del materiale. The publication â € œMechanical Characterization of Materials by Micro-Indentation and AFM Scanningâ € (G. Bolzon, M. Bocciarell i, E. J. Chiarullo, appeared in the collection Applied Scanning Probe Methods XII, B. Bhushan and H. Fuchs (Eds ), Springer, 2009) considers the use of the Atomic Force Microscope (AFM) on the microscale and hypothesizes the use of the Scanning Force Microscope on a larger scale. The roughness tester proposed in the examples of the present invention allows the documentation of the geometry of cavities between 10-800µm of depth (typical values of imprint depth are included, for example, between 100-350µm, an order of magnitude higher than the average size of the crystalline grains). While the aforementioned microscopy is only able to explore a much narrower range of depth values which are unable to involve volumes representative of the mechanical properties of the material.
Nella pubblicazione “Proper Orthogonal Decomposition and Radial Basis Functions in Material Characterization Based on Instrumented Indentation†(V. Buljak, G. Maier, Engineering Structures, in corso di stampa) sono citati il profilometro a contatto da laboratorio e il profilometro laser. Il peso e l’ingombro del profilometro a contatto da laboratorio non consentono il suo utilizzo in campo. Per quel che riguarda il profilometro laser, lo strumento non consente la corretta mappatura di superfici con pendenza elevata. Il rugosimetro non presenta questi svantaggi. The laboratory contact profilometer and laser profilometer are mentioned in the publication â € œProper Orthogonal Decomposition and Radial Basis Functions in Material Characterization Based on Instrumented Indentationâ € (V. Buljak, G. Maier, Engineering Structures, in press). The weight and size of the laboratory contact profilometer do not allow its use in the field. As for the laser profilometer, the instrument does not allow the correct mapping of surfaces with a high slope. The roughness tester does not have these disadvantages.
Nella già citata pubblicazione “Assessment of Elastic-Plastic Material Parameters Comparatively by Three Procedures Based on Indentation Test and Inverse Analysis†(G. Bolzon, V. Buljak, G. Maier, B. Miller, Inverse Problems in Science & Engineering, in corso di stampa) si elencano i vantaggi della profilometria in modo generico. Strumenti atti al rilievo dell’impronta basati sulla microscopia ottica generano inevitabilmente picchi anomali di segnali (“artefatt i†), che non si manifestano oppure si presentano in modo poco accentuato nella rugosimetria. In the aforementioned publication â € œAssessment of Elastic-Plastic Material Parameters Comparatively by Three Procedures Based on Indentation Test and Inverse Analysisâ € (G. Bolzon, V. Buljak, G. Maier, B. Miller, Inverse Problems in Science & Engineering, in printing course) the advantages of profilometry are listed in a generic way. Instruments suitable for taking the impression based on optical microscopy inevitably generate anomalous signal peaks (â € œ artefact iâ €), which do not manifest themselves or appear in a little accentuated way in the roughness measurement.
Un’alternativa al rugosimetro da utilizzare nel sotto-sistema sperimentale può essere costituita da uno strumento portatile ottico di rilevazione topografica della superficie basato sul principio della variazione focale come metodo atto a produrre, tramite un numero elevato di “pixels†, una rappresentazione completa tridimensionale delle superfici ottenuta misurando la profondità corrispondente all’immagine più nitida di ogni “pixel†. Il rilievo della geometria dell’impronta può essere eseguito in un'unica acquisizione nel caso di un campo visivo tale da rappresentare l’intera geometria dell’impronta o mediante la sovrapposizione di più acquisizioni nel caso di un campo visivo tale da rappresentare zone parziali della geometria dell’impronta stessa. An alternative to the roughness tester to be used in the experimental sub-system can be constituted by a portable optical instrument for the topographic survey of the surface based on the principle of focal variation as a method capable of producing, through a large number of â € œpixelsâ €, a representation complete three-dimensional surface obtained by measuring the depth corresponding to the sharpest image of each â € œpixelâ €. The survey of the geometry of the imprint can be performed in a single acquisition in the case of a visual field such as to represent the entire geometry of the imprint or by overlapping several acquisitions in the case of a visual field such as to represent partial areas of the geometry of the footprint itself.
Il metodo per la determinazione non-distruttiva di proprietà meccaniche, elastiche e/o anelastiche, di materiali e/o di stati tensionali locali in componenti strutturali e impiantistiche, comprende la simulazione computazionale mediante adatto software dei fenomeni coinvolti dalle prove di indentazione, il confronto dei risultati tra simulazione ed esperimento al fine di ottenere l’insieme di parametri cercati mediante metodi di analisi inversa. Tale metodo utilizza dati sperimentali concernenti la geometria di una impronta ottenuta dopo dette prove di indentazione. The method for the non-destructive determination of mechanical, elastic and / or inelastic properties, of materials and / or local stress states in structural and plant components, includes the computational simulation by means of suitable software of the phenomena involved in the indentation tests, the comparison of the results between simulation and experiment in order to obtain the set of parameters sought by means of inverse analysis methods. This method uses experimental data concerning the geometry of an impression obtained after said indentation tests.
Il metodo comprende i seguenti stadi: The method includes the following stages:
• la produzione in loco sulla superficie del materiale da caratterizzare di una impronta o deformazione elasto-plastica non-distruttiva mediante adatto strumento; â € ¢ on-site production on the surface of the material to be characterized of a non-destructive elastic-plastic imprint or deformation using a suitable tool;
• il rilevamento in loco di profili o della geometria completa dell’impronta mediante un rugosimetro per generare una mappa e definirla in forma digitalizzata mediante le coordinate e le quote di punti situati sulla superficie dell’impronta e sulla superficie non deformata adiacente; • il confronto dei risultati tra simulazione ed esperimento al fine di ottenere l’insieme di parametri cercati mediante metodi di analisi inversa. A monte delle caratterizzazioni di detto metodo può essere preferibilmente effettuato uno stadio preliminare consistente in opportuno trattamento tribologico (“pulitura†o “lappatura†) della superficie da indentare. â € ¢ on-site detection of profiles or of the complete geometry of the footprint by means of a roughness tester to generate a map and define it in digitized form using the coordinates and elevations of points located on the surface of the footprint and on the adjacent non-deformed surface ; â € ¢ the comparison of the results between simulation and experiment in order to obtain the set of parameters sought by means of inverse analysis methods. Upstream of the characterizations of this method, a preliminary stage consisting of an appropriate tribological treatment (â € œcleaningâ € or â € œlappingâ €) of the surface to be indented can be preferably carried out.
Il metodo da noi rivendicato può prevedere che la simulazione dei fenomeni meccanici e il metodo di analisi inversa permettano di risalire dai profili o dalla geometria dell’impronta e dalla relazione carico-profondità di penetrazione, fornita da un indentatore strumentato, alle proprietà meccaniche elasto-plastiche del materiale sottoposto alla prova. The method we claim can provide that the simulation of mechanical phenomena and the inverse analysis method allow to trace the elastic mechanical properties from the profiles or geometry of the footprint and from the load-depth of penetration relationship, provided by an instrumented indenter. -plastics of the material subjected to the test.
L’indentatore può essere statico o dinamico (quale il durometro ad impatto). The indenter can be static or dynamic (such as the impact durometer).
Il metodo da noi rivendicato può inoltre preferibilmente prevedere che la simulazione e il metodo di analisi inversa valutino quantitativamente la perdita di assialsimmetria dell’impronta, prodotta da un indentatore con punta assialsimmetrica, perdita generata da tensioni residue e/o dall’eventuale anisotropia del materiale per risalire al valore delle tensioni locali (residue e/o globali) e/o a differenze nelle proprietà meccaniche direzionali causate dall’anisotropia. Pertanto il metodo rivendicato, attraverso l’analisi della geometria dell’impronta, consente la determinazione delle tensioni residue in saldature di componenti o tubazioni in impianti industriali o in saldature in linee di trasporto di liquidi e gas, e/o consente di determinare come variano le proprietà meccaniche del materiale in funzione della direzione nel caso di anisotropia. The method claimed by us can also preferably provide that the simulation and the inverse analysis method quantitatively evaluate the loss of axisymmetry of the impression, produced by an indenter with an axisymmetric tip, loss generated by residual stresses and / or by any anisotropy of the material to trace the value of local stresses (residual and / or global) and / or differences in directional mechanical properties caused by anisotropy. Therefore, the claimed method, through the analysis of the geometry of the footprint, allows the determination of residual stresses in welds of components or pipes in industrial plants or in welds in liquid and gas transport lines, and / or allows to determine how the mechanical properties of the material vary as a function of direction in the case of anisotropy.
Le operazioni di analisi inversa da condurre per risalire all’insieme dei parametri cercati a partire dalle informazioni sperimentali suddette sono descritte ad esempio in: G. Bolzon, G. Maier, M. Panico, International Journal of Solids and Structures, Vol. 41, pp. 2957-2975, 2004; M. Bocciarelli , G. Bolzon, G. Maier, Mechanics of Materials, Vol. 37, pp. The inverse analysis operations to be carried out in order to trace the set of parameters sought starting from the aforementioned experimental information are described for example in: G. Bolzon, G. Maier, M. Panico, International Journal of Solids and Structures, Vol. 41 , pp. 2957-2975, 2004; M. Bocciarelli, G. Bolzon, G. Maier, Mechanics of Materials, Vol. 37, pp.
855-868, 2005; M. Bocciarelli , G. Maier, Computational Materials Science, Vol. 39, pp. 381–392, 2007. 855-868, 2005; M. Bocciarelli, G. Maier, Computational Materials Science, Vol. 39, pp. 381â € “392, 2007.
Gli articoli su riviste scientifiche sopra citati sono il risultato degli studi teorici preliminari finalizzati allo sviluppo della metodologia di analisi inversa sopra descri t ta, utilizzando dati “pseudo-sperimentali†generati per ottimizzare le operazioni computazionali . The articles in scientific journals cited above are the result of preliminary theoretical studies aimed at developing the inverse analysis methodology described above, using â € œpseudo-experimentalâ € data generated to optimize computational operations.
L’analisi inversa fondata su dati sperimentali può essere eseguita preferibilmente con un software ausil iario con moduli originali, che utilizzano strumenti matematici quali Proper Orthogonal Decomposition (POD) e Radial Basis Functions (RBF) o altri, associati a ret i neurali artificiali o ad algoritmi genetici o a metodi classici di ottimizzazione, al fine di velocizzare le operazioni computazionali in modo da consentire l’esecuzione di tutti i calcoli “in situ†con un computer portatile, come illustrato ad esempio in G. Bolzon, V. Buljak, G. Maier, B. Miller, Inverse Problems in Science & Engineering, in corso di stampa. The inverse analysis based on experimental data can preferably be performed with an auxiliary software with original modules, which use mathematical tools such as Proper Orthogonal Decomposition (POD) and Radial Basis Functions (RBF) or others, associated with artificial neural networks or to genetic algorithms or classical optimization methods, in order to speed up computational operations in order to allow the execution of all the calculations â € œin situâ € with a laptop, as illustrated for example in G. Bolzon, V. Buljak , G. Maier, B. Miller, Inverse Problems in Science & Engineering, forthcoming.
La stessa velocizzazione consente di adottare approcci stocastici anziché deterministici qualora la problematica ingegneristica lo richieda: metodi Montecarlo, di Bayes e filtri di Kalman atti a fornire stime di parametri e loro incertezze (cioà ̈ matrice di covarianza) richiedono ancora più ampie sequenze di simulazioni dei procedimenti di analisi inversa sopra citati. Nella metodologia proposta, tali sviluppi da laboratorio numerico sono richiesti “una tantum†, come parte della preparazione della attrezzatura sperimentale, e vanno accumulati in un calcolatore di modeste capacità , come un portatile. Queste informazioni vengono successivamente sfruttate facendo ricorso a metodi di riduzione delle informazioni, ad esempio basati su “Proper Orthogonal Decomposition†(POD), e a tecniche di interpolazione, preferibilmente mediante “Radial Basis Functions†(RBF) opportunamente scelte. La combinazione POD più RBF permette di ottenere in tempi reali la risposta ad una ipotetica prova condotta su di ogni materiale di caratteristiche comprese nel range indagato nella fase preparatoria. The same speeding up allows to adopt stochastic rather than deterministic approaches if the engineering problem requires it: Monte Carlo methods, Bayes' methods and Kalman filters designed to provide parameter estimates and their uncertainties (i.e. covariance matrix) require even more extensive simulation sequences of the reverse analysis procedures mentioned above. In the proposed methodology, such numerical laboratory developments are required â € œone timeâ €, as part of the preparation of the experimental equipment, and must be accumulated in a computer of modest capacity, such as a laptop. This information is subsequently exploited by resorting to information reduction methods, for example based on â € œProper Orthogonal Decompositionâ € (POD), and interpolation techniques, preferably through appropriately chosen â € œRadial Basis Functionsâ € (RBF). The combination of POD and RBF allows to obtain in real time the response to a hypothetical test carried out on each material having characteristics included in the range investigated in the preparatory phase.
Il “modus operandi†sopra descritto, operante su pre-calcolate “risposte†, va confrontato con la tradizionale simulazione per elementi finiti . Vari esercizi comparativi di validazione numerica dimostrano, per esempio, che tipici rapporti di tempi di calcolo raggiungono vari ordini di grandezza a favore del nuovo metodo, con divari non superiori ai millesimi in termini di tensioni e di spostamenti risultanti. Tali risultanze sono cruciali ai presenti fini pratici. The â € œmodus operandiâ € described above, operating on pre-calculated â € œresponsesâ €, must be compared with the traditional simulation for finite elements. Various comparative numerical validation exercises show, for example, that typical computation time ratios reach various orders of magnitude in favor of the new method, with differences of no more than one thousandth in terms of resulting stresses and displacements. These findings are crucial for present practical purposes.
Vengono ora forniti alcuni esempi in accordo all’invenzione, che non devono essere considerati una limitazione della portata dell’invenzione stessa. Some examples according to the invention are now given, which should not be considered a limitation of the scope of the invention itself.
Esempio 1 Example 1
Determinazione delle proprietà meccaniche di un metallo o lega metallica in base alla sola geometria dell’impronta residua. Determination of the mechanical properties of a metal or metal alloy based only on the geometry of the residual impression.
Il sistema sperimentale-computazionale à ̈ stato adoperato per identificare i parametri caratteristici del comportamento di un metallo (rame elettrolitico, in campioni ottenuti a partire da una billetta di rame estrusa) sulla base delle informazioni sperimentali relative alla sola geometria dell’impronta residua generata sul campione da una prova di durezza Rockwell HRC, con carico massimo 1500 N. The experimental-computational system was used to identify the characteristic parameters of the behavior of a metal (electrolytic copper, in samples obtained from an extruded copper billet) on the basis of the experimental information relating only to the geometry of the residual imprint generated on the sample from a Rockwell HRC hardness test, with a maximum load of 1500 N.
Le impronte sono state rilevate con un rugosimetro portati le Mitutoyo SJ-400 con tastatore sferico di raggio 0.002 mm e con un profi lometro Zeiss-TSK Surfcom 1800D da laboratorio con punta di raggio 0.025 mm non portati le utilizzato come riferimento per tarare le funzioni ottenute tramite software a partire dai punti rilevati col rugosimetro. The impressions were taken with a roughness tester carried the Mitutoyo SJ-400 with a spherical probe with a radius of 0.002 mm and with a Zeiss-TSK Surfcom 1800D laboratory profi lometer with a tip with a radius of 0.025 mm not carried and used as a reference to calibrate the functions obtained. through software starting from the points detected with the roughness tester.
Le informazioni raccolte durante l’esperimento sono rappresentate nell’impronta sperimentale (Profondità [µm]in funzione del Raggio [µm]) riportata in figura 1: si tratta della media di 8 profili , lungo raggi a 45° l’uno dall’altro a partire dall’asse di indentazione. The information collected during the experiment is represented in the experimental footprint (Depth [µm] as a function of the Radius [µm]) shown in figure 1: this is the average of 8 profiles, along radii at 45 ° each on the other starting from the indentation axis.
Questi dati sono stati impiegati al fine di individuare i parametri che caratterizzano il comportamento meccanico del materiale sottoposto a prova. L’applicazione di metodi di analisi inversa, una volta fissato il modulo elastico al valore di E=80 GPa, restituisce i seguenti parametri caratteristici del materiale: These data were used in order to identify the parameters that characterize the mechanical behavior of the material under test. The application of inverse analysis methods, once the elastic modulus is fixed at the value of E = 80 GPa, returns the following characteristic parameters of the material:
- limite di snervamento: 273 MPa - yield point: 273 MPa
- esponente di incrudimento: 0.011 - hardening exponent: 0.011
Ai suddetti parametri corrisponde la curva “identificata†di comportamento uni-assiale (Tensione[MPa] in funzione della Deformazione [ε]) riportata in figura 2, confrontata con la curva “sperimentale†risultante da prova di trazione standard per lo stesso materiale ed eseguita come riferimento. The above parameters correspond to the â € œidentifiedâ € curve of uni-axial behavior (Tension [MPa] as a function of Deformation [ε]) shown in figure 2, compared with the â € œexperimentalâ € curve resulting from a standard tensile test for the same material and performed for reference.
Nel confronto à ̈ opportuno notare che i risultati delle prove di trazione sono dati in termini di tensioni e deformazioni nominali , mentre il risultato ottenuto dalle procedure di analisi inversa descritte nelle sezioni precedenti si basa su modellazione dell’esperimento in termini di tensioni e deformazioni †̃vere’ cioà ̈ per “grandi†deformazioni. La distinzione diviene praticamente rilevante in prove monoassiali soltanto nella fase ultima di strizione localizzata, fase non raggiunta nella prova di cui in Figura 1. In the comparison it should be noted that the results of the tensile tests are given in terms of nominal stresses and deformations, while the result obtained from the inverse analysis procedures described in the previous sections is based on modeling of the experiment in terms of stresses and deformations “to have” that is for “large” deformations. The distinction becomes practically relevant in uniaxial tests only in the last phase of localized pinching, a phase not reached in the test shown in Figure 1.
Esempio 2 Example 2
Determinazione delle proprietà meccaniche di una tubazione in acciaio per il trasporto di gas a partire dalla geometria dell’impronta prodotta da indentazione. Determination of the mechanical properties of a steel pipe for gas transport starting from the geometry of the indentation indentation.
Il sistema sperimentale-computazionale posto in situ sulla tubazione, à ̈ stato adoperato per identificare i parametri caratteristici del comportamento di un acciaio da condotta a partire dalle informazioni sperimentali relative alla sola geometria dell’impronta, visualizzata in Fig. 3, generata direttamente sul componente mediante una prova di indentazione strumentata, condotta con carico massimo 2000 N. Per l’indentazione il sistema uti lizza un indentatore portatile AFFRI SR-HU09-P. La rappresentazione completa tridimensionale delle superficie, tramite le coordinate di un numero elevato di “pixels†à ̈ stata ottenuta utilizzando uno strumento portat ile ottico di rilevazione topografica della superficie (Portable Alicona Infinite Focus). The experimental-computational system placed in situ on the pipeline was used to identify the characteristic parameters of the behavior of a pipeline steel starting from the experimental information relating only to the geometry of the footprint, displayed in Fig. 3, generated directly on the component by means of an instrumented indentation test, conducted with a maximum load of 2000 N. For indentation, the system uses an AFFRI SR-HU09-P portable indentator. The complete three-dimensional representation of the surfaces, using the coordinates of a large number of â € œpixelsâ € was obtained using a portable optical instrument for topographic survey of the surface (Portable Alicona Infinite Focus).
L’applicazione di metodi di analisi inversa a partire dai dati relativi alla sola geometria dell’impronta fornisce, una volta fissato il modulo elastico ad un valore caratteristico 205 GPa, i seguenti parametri nominali del materiale: The application of inverse analysis methods starting from the data relating to the geometry of the footprint alone provides, once the elastic modulus has been set at a characteristic value of 205 GPa, the following nominal parameters of the material:
- limite di snervamento: 394 MPa - yield point: 394 MPa
- tensione massima alla rottura: 597 MPa - maximum breaking stress: 597 MPa
- esponente di incrudimento iniziale: 21 - initial hardening exponent: 21
Ai suddetti parametri corrisponde la curva di comportamento uni-assiale (Tensione[MPa] in funzione della Deformazione [ε]) riportata in figura 4, confrontata con quella risultante dalla prova di trazione standard per lo stesso materiale. The uni-axial behavior curve (Tension [MPa] as a function of Deformation [ε]) shown in figure 4 corresponds to the above parameters, compared with that resulting from the standard tensile test for the same material.
In figura 5 sono confrontati il profilo dell’impronta sperimentale (Profondità [µm] in funzione del Raggio [µm]) e quello ricalcolato con i parametri identificati. Figure 5 compares the profile of the experimental footprint (Depth [µm] as a function of the Radius [µm]) and the one recalculated with the identified parameters.
Infine, in figura 6 Ã ̈ riportato il confronto tra la curva di indentazione ricalcolata e quella ottenuta sperimentalmente (Affondamento [µm], Forza [N]). Questi dati sperimentali sono stat i utilizzati solo come controllo a posteriori e non sono stati impiegati per individuare i parametri. Finally, figure 6 shows the comparison between the recalculated indentation curve and the one obtained experimentally (Sinking [µm], Force [N]). These experimental data were used only as a post control and were not used to identify the parameters.
Il confronto tra le diverse curve sperimentali e le curve calcolate con il sistema sperimentale-computazionale oggetto di questo brevetto (Figure 4, 5 e 6) dimostra un buon accordo. In particolare, dalle curve sperimentali di trazione mono-assial i standard util izzate come riferimento si determinano i seguenti parametri caratteristici: The comparison between the different experimental curves and the curves calculated with the experimental-computational system object of this patent (Figures 4, 5 and 6) shows a good agreement. In particular, the following characteristic parameters are determined from the experimental mono-axial traction curves the standards used as reference:
- limite di snervamento: 401 MPa - yield point: 401 MPa
- tensione massima: 594 MPa - maximum voltage: 594 MPa
I valori calcolati coincidono con questi valori di riferimento entro l’1.7% per il limite di snervamento ed entro lo 0.5% per la tensione massima (cioà ̈ per la resistenza alla rottura). The calculated values coincide with these reference values within 1.7% for the yield point and within 0.5% for the maximum stress (ie for the breaking strength).
Esempio 3 Example 3
Determinazione delle proprietà meccaniche di una tubazione in acciaio per il trasporto di gas utilizzando le informazioni relative sia alla curva caricoprofondità di penetrazione che alla geometria dell’impronta prodotta da indentazione. Determination of the mechanical properties of a steel pipe for gas transport using the information relating to both the load-depth curve of penetration and the geometry of the indentation indentation.
Il sistema sperimentale-computazionale posto in si tu sulla tubazione, à ̈ stato adoperato come nell’Esempio 2 per identificare i parametri caratteristici del comportamento di un acciaio. The experimental-computational system installed on the pipe was used as in Example 2 to identify the characteristic parameters of the behavior of a steel.
-L’applicazione di metodi di analisi inversa fornisce, una volta fissato il modulo elastico ad un valore caratteristico 205 GPa, i seguenti parametri nominali del materiale: -The application of inverse analysis methods provides, once the elastic modulus has been fixed at a characteristic value of 205 GPa, the following nominal parameters of the material:
- limite di snervamento: 395 MPa - yield point: 395 MPa
- tensione massima alla rottura: 595 MPa - maximum breaking tension: 595 MPa
I valori calcolati coincidono con i valori di riferimento entro l’1.3% per il limite di snervamento ed entro lo 0.13% per la tensione massima (cioà ̈ per la resistenza alla rottura). The calculated values coincide with the reference values within 1.3% for the yield point and within 0.13% for the maximum stress (ie for the breaking strength).
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2012168404A1 (en) | 2012-12-13 |
| BR112013031222A2 (en) | 2017-01-31 |
| AP2013007290A0 (en) | 2013-12-31 |
| AP3466A (en) | 2015-11-30 |
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