Come calcolare la vita a fatica dei conduttori in rame con diversi gradi di compattezza in modalità tensione-tensione

Il comportamento a fatica dei conduttori in rame, in particolare quelli utilizzati nei cavi elettrici, è di fondamentale importanza per la progettazione e la durata dei sistemi di alimentazione. Questo capitolo si concentra sulla valutazione della vita a fatica dei conduttori di rame intrecciati, tenendo conto dei diversi gradi di compattezza, utilizzando un metodo semplificato basato sul fattore di concentrazione dello stress (SCF) e sulla formulazione della curva S-N.

Il metodo proposto per il calcolo della vita a fatica dei conduttori intrecciati con vari gradi di compattezza si articola in due fasi principali. In primo luogo, si calcola il valore di SCF per ogni conduttore utilizzando l'equazione (26.8), che dipende dal parametro di compattezza η. Successivamente, si calcola la variazione dello stress (Δσ) utilizzando l'equazione (26.2), che fornisce il valore di stress associato al range di deformazione per ciascun conduttore. Infine, la vita a fatica prevista viene calcolata utilizzando la curva S-N, che è una relazione empirica che lega il numero di cicli alla fatica (N) alla variazione dello stress (Δσ). Per garantire una progettazione conservativa, si selezionano i parametri corrispondenti al limite inferiore dei dati di fatica.

Tuttavia, questo metodo è valido solo per la configurazione specifica di conduttori testata, che è costituita da un intreccio 1+6+12 con un diametro del filo di 2,88 mm e un rapporto di avvolgimento di 16. Per altre configurazioni di conduttori, sarà necessario seguire lo stesso procedimento di calcolo per ottenere una banda di dispersione normalizzata simile e una formulazione polinomiale.

In generale, il capitolo propone una procedura di calcolo generale per la vita a fatica dei conduttori intrecciati in rame in modalità tensione-tensione. Questo approccio si basa su un'accurata simulazione delle condizioni di stress e permette di prevedere la durata a fatica in modo efficiente, tenendo conto della variabilità dovuta alla compattezza del conduttore. Il metodo è supportato da test di fatica che hanno mostrato una buona correlazione tra i modelli di compattazione e i conduttori reali, confermando la validità del modello agli elementi finiti (FE).

Come Calcolare la Vita a Fatica dei Cavi Dinamici di Potenza: Modelli Globali e Analisi dei Danni

L'analisi della fatica è un aspetto cruciale per valutare la durata operativa dei cavi dinamici di potenza, che vengono utilizzati in ambienti marini profondi. La fatica del materiale è influenzata da numerosi fattori, tra cui le caratteristiche dinamiche del cavo, le condizioni ambientali e le sollecitazioni meccaniche cicliche a cui il cavo è sottoposto. In questo contesto, un'analisi globale è essenziale per comprendere come il cavo reagisce ai carichi variabili nel tempo e per determinare la sua durata residua.

Il modello globale descritto in questo studio si basa sull'utilizzo di un cavo di potenza dinamico installato a 70 metri di profondità in una configurazione "lazy-wave". I parametri meccanici del cavo sono stati inseriti in un software idrodinamico, OrcaFlex, che simula la dinamica della struttura. Il cavo è ancorato al fondale marino da un lato e collegato a una piattaforma semi-sommergibile dall'altro. Il movimento casuale della piattaforma è un fattore determinante nella definizione delle condizioni al contorno del modello globale, che deve essere alimentato con i dati delle risposte all'azione delle onde (RAOs).

Nell'analisi globale, il cavo è simulato come un'unità lineare, con diverse tecniche per modellare la sezione di galleggiamento. La prima tecnica prevede l'utilizzo della stessa unità lineare, che semplifica l'analisi complessiva e permette una gestione più efficiente dei carichi. La seconda tecnica utilizza un'unità di tipo Clump, che separa il modulo di galleggiamento dal resto della struttura, risultando più precisa ma anche più complessa da gestire. Nel caso esaminato, è stata adottata la prima tecnica, poiché consente una valutazione più rapida e semplice.

Una volta definito il modello globale, l'analisi delle onde irregolari è effettuata utilizzando il metodo della "rainflow counting". Questo metodo è un approccio ampiamente riconosciuto per analizzare i carichi ciclici e determinare il danno accumulato nel tempo, stimando la vita a fatica del cavo. Il diagramma delle onde regolari è stato utilizzato per calcolare le sollecitazioni e, attraverso la distribuzione di probabilità degli eventi di onda, è stato possibile ottenere una rappresentazione visiva delle condizioni di fatica attraverso un grafico a rosa delle onde.

Un passaggio fondamentale nell'analisi è l'ottenimento dello stress locale di fatica, che viene calcolato in base alle sollecitazioni specifiche della struttura del cavo. L'approccio analitico prevede l'utilizzo di modelli matematici che descrivono la tensione assiale e la curvatura del cavo, determinando così i fattori di stress associati alle armature di trazione. L'analisi ha rivelato che la tensione indotta dalla curvatura è quella che contribuisce maggiormente allo stress, rispetto alla tensione assiale. Questa osservazione è cruciale per individuare i punti deboli della struttura e migliorare la progettazione.

Un esempio pratico di calcolo della fatica viene fornito con il Caso 254, in cui la combinazione di altezza dell'onda, periodo e direzione è stata utilizzata per calcolare la storia temporale dello stress del conduttore in rame. I risultati mostrano che la maggior parte delle sollecitazioni non supera i limiti consentiti, il che garantisce l'integrità strutturale del cavo in quella specifica situazione operativa. Tuttavia, i punti critici si trovano all'interfaccia tra il cavo e la piattaforma, dove le sollecitazioni massime sono più elevate.

Oltre a quanto esaminato, è fondamentale comprendere che la durabilità del cavo dipende fortemente dalla combinazione di fattori ambientali e operativi. La profondità dell’acqua, la configurazione della piattaforma, le caratteristiche del cavo stesso e le condizioni di carico sono tutte variabili che influenzano la vita a fatica. L'approccio descritto fornisce una base per ottimizzare la progettazione del cavo e per prevedere con maggiore precisione la sua durata. Inoltre, la simulazione numerica svolge un ruolo cruciale nell'analisi, permettendo di prendere in considerazione diversi scenari e di migliorare la gestione dei rischi legati alla fatica.

La vita a fatica non dipende solo dalle sollecitazioni massime a cui il cavo è sottoposto, ma anche dalla frequenza con cui tali sollecitazioni si verificano. Un cavo che viene continuamente sottoposto a cicli di carico elevato vedrà ridursi la sua durata, anche se le sollecitazioni massime non superano mai i limiti critici. Pertanto, un'analisi completa deve considerare non solo le sollecitazioni istantanee, ma anche il numero di cicli e la distribuzione della fatica nel tempo.