27
7/21/2019 Stress Concentration Factors in T-Head http://slidepdf.com/reader/full/stress-concentration-factors-in-t-head 1/27 AD  AMRA  R  66-36  STRESS  CONCENTRATION  FACTORS  N  T-HEADS  o I  TECHNICAL  REPORT  by  FRANCIS  .  ARATTA  NOVEMBER  966  C istribut on of  this  document is  unlimited  mm  U.  .  RMY  MATERIALS  RESEARCH  AGENCY  WATERTQWN,  MASSACHUSETTS  02172  CO H  

Stress Concentration Factors in T-Head

  • Upload
    leandro

  • View
    15

  • Download
    0

Embed Size (px)

DESCRIPTION

T-Head

Citation preview

Page 1: Stress Concentration Factors in T-Head

7/21/2019 Stress Concentration Factors in T-Head

http://slidepdf.com/reader/full/stress-concentration-factors-in-t-head 1/27

A D  

A M R A R 66-36  

STRESS

 CONCENTRATION 

FACTORS

 

N

 

T-HEADS

 

o

T E C H N I C A L

 

R E P O R T  

b y 

F R A N C I S

 

.

 

A R A T T A

 

N O V E M B E R

 

9 66

 

C

istribut

 o

n of 

this

 

document is

 

unlimited 

mm  

U .

 

.

 

R M Y

 

M A T E R I A L S

 

R E S E A R C H

 

A G E N C Y

 

W A T E R T Q W N ,

 

M A S S A C H U S E T T S

 0 2 17 2  

CO

 

H

 

Page 2: Stress Concentration Factors in T-Head

7/21/2019 Stress Concentration Factors in T-Head

http://slidepdf.com/reader/full/stress-concentration-factors-in-t-head 2/27

L  » - • *  

s r c

  °

U

  •

 

S E C , I

°

W

 

n  l.m

ßI

 

AB U

 

c«/mii»B;un

 G O O S 

ß , S T .

 

tt«L

 */«

 

S K C I A l f  

/

Mention

 

of

 

any

 

trade

 

names

 

or

 

manufacturers

 

in

 

this

 

report

 

shall not be construed as

 

advertising nor as an

 official

 

indorsement or approval 

of such products or

 

companies 

by

 

the United States Government.

 

Th e findings 

in

 

this

 

report

 are

 

not to

 be 

construed

 an

 

an 

official

 Department of the Army

 

position,

 

unless so

 

designated by other authorized documents.

 

i

 

DISPOSITION  INSTRUCTIONS

 

Destroy his 

eport

 

hen 

it

 is

 

o

 onger

 

eeded. 

D o ot

 

return

 

it

 

to he 

riginator.

 

T-*—  « I 'Tnt i 

,

 '>t^ *~-^*~

 

*mr

 

Page 3: Stress Concentration Factors in T-Head

7/21/2019 Stress Concentration Factors in T-Head

http://slidepdf.com/reader/full/stress-concentration-factors-in-t-head 3/27

STRES S 

CONCENTRATION

 

FACTORS

  IN

 

T-HEADS 

Technical

 Report

 M R A R 6-36

 

by 

Francis

 

I.  Baratt a

 

November  1966

 

D/A

 roject

 IN54271&D387

 

A M C M S ode

 

5547.12.^2700

 

Projectile XM

 

474/573 

Subtask 35425 

Distribution of 

this 

document

 

i s unlimited.

 

U.

 

S.

 

ARMY

 

MATERIALS

 ESEARCH 

AGENCY

 

WATERTOWN, 

MASSACHUSETT S

 

0

 217

 2 

tm*m*mvmm 

J T m 

Page 4: Stress Concentration Factors in T-Head

7/21/2019 Stress Concentration Factors in T-Head

http://slidepdf.com/reader/full/stress-concentration-factors-in-t-head 4/27

U .  S

4

  A R M Y

 ATERIALS ESEARCH

 

G E N C Y

 

STRESS CONCENTRATION

  FACTORS

 

IN 

T-HEADS 

A B S T R A C T  

Two simple formulae are presented which predict stress concentration

 

factors applicable to a two-dimensional s y m r r . *tric

a

l T-head configuration.

 

This configuration consists of a deep head

 joined

 to a 

shank

 by fillet 

radii.

 

The

 independent

 equations

 

that predict 

stress concentration 

factors

 fo r

 the 

same 

geometry 

are 

derived 

fo r two different 

leading 

conditions. 

In one

 

instance,

 a tensile force is applied 

to

 the shank end of the T-shape.

 

Equilibrium 

of

 forces is attained

 

by 

supporting

 the

 

bottom edge

 

of the head

 

section,

 

resulting in 

the

 shank section 

being

 pulled in 

tension.

  In the 

second instance, a compressive 

load

 is appliec to the top edge 

of

 the head

 

section while the 

configuration

 is again 

supported

 at the bottom edge.

 

Thus, 

only

 the head section is stressed 

an d

 

r , >

 

a

 compressive manner.

 

Because the analysis is no t exact,

 

th e

 

magnitudes

 

of

 the 

stress

 con- 

centration 

factors

 

resulting

 

from the 

predictive

 equations

 appear

 

to

 

be

 

overly 

conservative

 at

 

some 

ranges

 

of 

the geometry parameter

 ratios. 

There-

 

fore, an arbitrary

 

limit

 of 

application ,

 

s

 

it

 

is

 

termed

 

in the

 

text, is

 

recommended when using these equations. 

Again, because

 

of the inexactness 

of

 

the

 analysis, experimental stress

 

concentration

 factors

 are 

indirectly

 

obtained 

for

 

the first

 

loading 

condi-

 

tion and lirectly obtained fo r the 

second 

loading condition 

mentioned

 above. 

These

 

data

 

were 

obtained

 

fo r

 

several

 

geometric

 

atios

 

of

 

the 

T-head

 

config- 

uration

 ai d

 

compared

 

to 

the

 corresponding predicted 

values. 

It

 

W4 s

 

found

 

that

 

the

 formulae could 

be

 utilized, with engineering ac-

 

curacy, 

witiin 

a

 certain 

range of the two

 pertirent geometry 

ratios.

 

Beyond 

these 

ranges, the

 

error became excessive, 

but 

conservative.

 

. .

Page 5: Stress Concentration Factors in T-Head

7/21/2019 Stress Concentration Factors in T-Head

http://slidepdf.com/reader/full/stress-concentration-factors-in-t-head 5/27

CONTKNTS

 

age 

ABSTRACT

 

INTRODUCTION

 

FORMULATION

  .......

 

LIMIT

 

07

 

APPLICATION

EXPERIMENTAL STUDY 

....  ............ 

RESULTS WD

 DISCUSSION

2

 

SUMMARY

 

OF 

CONCLUSIONS

 

..... 5

 

ACKNOWLEDGMENT 5

 

REFERENCES 6 

l ii

i«n 

_.

Page 6: Stress Concentration Factors in T-Head

7/21/2019 Stress Concentration Factors in T-Head

http://slidepdf.com/reader/full/stress-concentration-factors-in-t-head 6/27

I N T R O D U C T I O N 

A brief literature survey is presented

 

of past work relating to stress

 

concentration

 

factors

 

in

 

two-dimensional

 

T-head

 

configurations.

 

The

 

results

 

of 

the

 survey are pertinent to subsequent 

discussions

Hetenyi 

wa s

 one 

of

 

the

 

first

 

experimenters

 

to test

 

a two-dimensional T-head configuration.  He

 

stressed the body in a similar 

but

 slightly

 

different manner 

than

 that 

shown

 

in Figure la.  The results were applicable for geometries which included 

sev-

 

eral 

h/ d

 ratios 

but

 only 

on e

 d/R ratio.

 

Twenty years later Hetenyi presented 

additional results  which were an extension of

 

Reference

 1 .

  Heywood

8

 

further

 

applied an empirical formula to 

the

 initial results of Hetenyi His objec- 

tive

 was to extrapolate

 

Hetenyi's data by including the 

effect

 of d/ R fo r

 

T-heads 

of various

 h/ d ratios.

 

Nishihara an d

 

Fujii

4

 obtained, by elasticity 

theory,

 

the

 stress distribution in a two-dimensional

 

bolt head.  Although 

the

 

results

 of 

this

 reference yield 

the

 desired stress concentration 

factor,

 

he

 

formulae 

are 

complicated 

an d

 applicable over a limited range. 

V

 

The

 

objective of 

this

 report 

is

 to

 

obtain 

an

 expression 

for

 

the

 stress 

concentration factor associated with 

the

 configuration and loading

 

shown 

in

 

Figure 

la.

 

Th e

 formula 

is

 developed because: 

a .

 

he 

empirical 

expression 

given

 in Reference 3 

is

 

based 

on

 

the

 

limited

 

data 

of 

Reference 1 ; 

an d

 

b.

 

he

 formulae of Reference 4 are not amenable to simple computations 

an d are inaccurate

 at some 

ratios

 

of

 

d/R of 

practical

 interest.

 

Formulae 

are 

obtained

 by

 

superposition

 of

 

various

 

load-

 

ing

 

cases of Figure 1 which

 

are guided

 

by experimental 

observation.  Two expressions, 

which

 yield

 yalues

 

of the

 

stress concentration

 

factors

 

applicable

 

to 

Figures 

la

 

and

 

lc,

 

esult from this analysis.

 

These 

formulae

 increase 

the

 

usable

 range

 

of

 

existing

 

data

and are 

easy

 to apply.

 

However, 

because

 of 

the

 

appar-

 

ent

 conservativeness of 

the

 

resulting equations at some 

ranges 

of

 the geometry param- 

eters,

 a 

limit

 

of 

application 

is suggested in the text. 

Also,

 ince 

these

 formulae 

are

 

not 

exact,

 

experimental 

veri-

 

fication is provided. 

[Ul i

 

/

w  

-d

 - 

n

 

h-t 

w  

L-

 ±_.i__i  _  

m

*a 

* a

 

( a ) 

( b )  c 

F i g u r e

 

SUPERPOSED T-HEADS 

L O A D I N G S

 

.

• •

 

Page 7: Stress Concentration Factors in T-Head

7/21/2019 Stress Concentration Factors in T-Head

http://slidepdf.com/reader/full/stress-concentration-factors-in-t-head 7/27

F O R M U L A T I O N

 

Photographs

 of

 models

 

loaded

 

similarly

 

to

 

those

 

shown

 

in

 Figures lb and 

lc

 

are

 

presented in 

Figures

 2a an d 

2b .

  In particular, note

 

the isochromatic 

fringe 

distribution

 

at

 the fillets.  An 

experimental

 

determination of

 

the

 

location of 

these fringes 

at

 

the

 

fillet

 

periphery

 

for both

 

loading 

cases 

revealed that for this model which ha d a large D/d ratio: 

a . he stress gradient at and near the maximum stress site was 

relatively small; nd 

b. hese regions for the

 

two

 

loading cases overlapped. 

fTTT

 

r *

 

m

 

I D

 

a . PPLIED LOAD 2 6 0 POUNDS . PPLIED

 

LOAD 5 8 0

 

POUNDS 

Figure

  .

 ISOCHROMATIC

 PATTERN 

Case I A , D/d =

 4.0,

 d/R 

=

 10.0 

As

 

the

 D/d ratio was reduced,

 

while retaining a constant d/ R ratio, he 

above 

statements

 became 

less

 correct. 

Even

 so, 

t

 shall 

be

 assumed 

hereafter

 

that the maximum stress 

for

 the two loading cases occur at 

the

 same location 

and

 

can

 

be added 

or

 

superimposed.  The

 

limitation on

 

such

 

an

 

assumption will 

subsequently

 be determined.  However, he 

maximum

 principal stresses at the 

fillets

 

of

 

Figures

 lb 

and

 

lc

 

are superimposed 

to 

obtain

 

an

 

approximate

 

rela- 

tionship

 for 

the maximum

 

principal

 

stresses

 

at

 the fillets

 

of Figure 

la.

 

This

 

relationship

 is given 

by

 

the

 following formula: 

r

r

f

fe-

 

rn

 

where

 

fj

t

 

C T

f

 

nc

*

 

i

c

 

are

 

tne

 

max

i

m

u

m

 

principal

 

stresses

 

at

 

the

 

fillets

 

of Figures la, b, and

 

lc. 

Page 8: Stress Concentration Factors in T-Head

7/21/2019 Stress Concentration Factors in T-Head

http://slidepdf.com/reader/full/stress-concentration-factors-in-t-head 8/27

 

The 

stress

 

concentration

 

factors

 for the loading 

cases

 

shown

 

i n

 Figure 

are 

defined 

as

 follows: 

r

fT

l

iT 

=

 ~n 

K

fa 

and 

( 2 ) 

° f c 

kfc

 

v57d)

where 

aj

 and 

c r

a

 

are

 

the 

uniformly

 

applied

 stresses. 

The sign convention adopted

 for the

 above stress

 

concentration

 

factors

 

is as

 

follows: 

a . ositive when the

 

examined 

stress is

 

the

 

same sign 

(tension

 or 

compression) as the

 

nominal

 

stress

 to which it is compared; and 

b . egative 

when

 the examined

 stress 

is the 

opposite 

sign 

to

 the 

nominal

 stress. 

Substitution

 of 

Equations

 

2

 

into 

Equation

 

1

 

[note

 

(X j

 

a

 

cr ^

 

(D/d)]

 

results

 

in 

a

 relationship among the 

three

 stress concentration factors, given 

by

 the 

following: 

k

fT~

 

f

a

 

k

f

C

 

( 3 ) 

Thus, 

it

 is seen that the three concentrators associated

 

with

 

Figure

  are 

directly superposable, if it

 can be

 assumed

 that

 aximum stresses are 

coincident.

 

It 

remains

 

to

 obtain 

a

 

relationship

 between the 

stress 

concentrators, 

a

 and kf

c

to 

reduce 

the

 number

 

of variables

 

in Equation

 

to one.

 

Accomplishment

 

of this

 

is realized by equating

 

the

 loading

 

state

 represented 

by

 Figure l b , for which 

the

 stress concentration factor 

kf

a

 

is experimentally 

well known,

5

 

to 

the

 sum

 of

 

the

 

two 

loading states

 

shown

 

in

 Figures 3b

 f e n d

 

3c.

 

Figure

 

3b can, 

in

 turn, be reduced

 

to

 

the

 

same loading 

cases

 as 

those

 

shown

 

in 

Figures

 lb 

and 

l c ,

 

in which

 

it

 

is

 

again assumed 

that 

the points 

of

 

maximum

 

stress 

of

 

the two 

cases

 

coincide.

  Therefore, the 

stress

 

states

 rep- 

resented by the loading 

cases

 

shown

 in 

Figures

 3b and 3 c are superposable 

and result i n

 the

 following 

formula: 

r

f

~

 a

 

f b 

a

 

f c »

 

( 4 )

 

where

 cr  in 

the

 maximum

 

principal

 

stress at

 the

 fillet

 

of the configuration 

and

 

loading

 

öhown in Figure

 

3b. 

Page 9: Stress Concentration Factors in T-Head

7/21/2019 Stress Concentration Factors in T-Head

http://slidepdf.com/reader/full/stress-concentration-factors-in-t-head 9/27

iilllWIIIMgBWa

 

wmimmmmmm 

[ I I I ]

 

t»^i;  4 *-  4 —  -i --*

 

*—

A_i._J.__i  — J. 

*a b

 

(a)

 » > ) c)

 

F i g u r e

 3 . S U P E R P O S E D  

L O A D I N G S  

O F   T - H E A D 

N

 T E N S I O N

 

I t w a s indicated i n Reference 1 1 t h a t i f t h e stress loading 

c r > p

 

could

 

have been applied 

t o

 a l l 

horizontal

 

surfaces

 o f  t h e configuration shown i n

 

Figure 

3 b

 a s well a s

 

o n 

t h e

 fillet r a d i i , then t h e stress concentrator

 

would

 

b e exactly equal t o 

o n e .

  I t was 

considered

 impracticable

 

t o 

accomplish 

this

 

loading exactly

 

b y

 experimental

 means. 

However,

 i t was

 

found that 

a s

 

long 

a s

 

t h e 

fillet

 

radius

 

was small

 relative t o

 

t h e 

neck width

 d t h e stress a t

 

t h e 

fillet

 c r f b

 

tended t o

 

b e

 equal

 

t o 

t h e

 applied

 stress c r j  

when 

t h e stress

 load-

 

ing and configuration 

were

 t h e 

same

 

a s

 that shown i n Figure 3 b .  Thus,

 

Equation 4 c a n b e reduced 

t o

 

t h e

 following:

 

c r £

a

 

_

  < Jj  o - £

c

  (R/d b e small). 

( 5 )

 

Defining 

the stress concentration factors 

k f

a

 

a n d

 kf

c

 i n 

terms

 of t h e

 

applied stress 

shown

 i n Figures 3 a a n d  3 c ,

 

w e

 

h a v e :

 

and

 

f a 

f c

 

=

 

r

f

f c 

c r

c

(

D

/d). 

Substitution

 of

 

t h e

 

above 

into

 Equation

 

5

 and

 consideration

 of 

t h e

 

equilibrium 

of forces o n t h e body

 

shown i n Figure 3 c 

yields:

 

;

fa

 

(D/d-^-l> 

L

fc

 

=

 

( 6 )

 

Page 10: Stress Concentration Factors in T-Head

7/21/2019 Stress Concentration Factors in T-Head

http://slidepdf.com/reader/full/stress-concentration-factors-in-t-head 10/27

• 

o r

 

[

f

c

 

f a

 

-

 

D/d 

d/R

 

( 7 )

 

(For 

physically

 

significant

 

geometry

 

D-d-2R>0 

and

 

D/d-l-2/d/R>0). 

Substitution

 

of Equation 7 into

 

Equation 

3

 

f o r  

k f - r finally results i n

 

t h e 

following

 formula: 

k

f

a W* -  d T R ) -

1

 

c

f

T

 

D/d 

( 8 )

 

d 7 R

 

A s 

previously

 

indicated,

 

experimental data

 are 

available

 

for

 the stress 

concentration factor kf

a

 for

 

various

 

D/d and 

d/R

 ratios.

 

However, a n 

empirical

 

formula 

i s

 given

 

by Heywood

 

i n

 

Reference 3 

f o r

 this

 

concentrator based

 

on 

t h e

 

experimental data available.

 

Heywood's equation

 

becomes

 

(using the

 

nomen- 

clature i n this report):

. _

 

[W 1 )  d / R  

I

0

 

6

k*

a

 % 1 +  

I

 9) 

[ . 2 ( 2 . 8  

D / d

 - 2 ) J 

f a 

This empirical relationship

 can be 

utilized t o

 

obtain

 

formulae 

f o r

 the 

stress 

concentrators

 kfr

 

and kf

c

, which are 

dependent

 upon only the geometry 

ratios D/d

 

and d / R .  Direct substitution

 

of Equation 

9

 

into Equations 

7

 and 8  

results i n 

t h e

 

following

 

relationships: 

c

fT 

[ ( D

/ d 

1 )

 d / R ] ° '

65

 

[ . 2 ( 2 . 8  

D / d

 -  

2 ) J

 

(D/d 

d / R  

)-  1 

2 _ 

d/ R 

/d  T75- - 

(10) 

and 

f c 

D / d -   1 )  

d / R

2 ( 2 . 8

 D/d-2)J 

0.65 

D/ d 

2

 

d/ R 

(ii; 

The reader i s cautioned that Equations 8 and 

1 0

 are invalid

 f o r

 small 

values of h/d 

( s e e

 

Figure

 

1 )

 since bending of the flanges

 

of 

t h e  

head

 i s 

precluded

 

from the

 

analysis. 

Hetenyi

2

 

indicates

 that when h/d i s equal t o 

3 . 0 o r greater, t h e 

head of 

t h e T can b e 

considered infinitely

 deep,

 

thus 

eliminating 

t h e

 existence

 of

 bending

 

stresses

 a t

 

t h e

 fillet.

 

A

 more useful definition of 

t h e

 stress concentration

 factor

 f o r

 

the c o n - 

figuration 

shown

 i n Figure

 3 c

 i s

 

kj  •  o r ,

 /a

 

,

 and 

from

 Equation 

2

 

w e

 see

 

I ,

 

Page 11: Stress Concentration Factors in T-Head

7/21/2019 Stress Concentration Factors in T-Head

http://slidepdf.com/reader/full/stress-concentration-factors-in-t-head 11/27

that

 

kf

c

 

*

 

c

 

D/d.

 

Substitution

 

of

 

this

 

latter

 

relationship

 

into

 

Equation

 

11 

results

 in the following:

 

,65

 

f c 

D

 

Hp/d

  ) 

/R

l

-

1

 

L

2

<

2

-

8

 

°/

d

 

2 ) J  

-äTR

1

(12) 

LIMIT O F

 

P P L I C A TI O N

 

The stress 

concentration factors, 

kf-r and 

K £

c

, described 

by Equations 

1 0 

and

 

12,

 are

 shown 

plotted

 as 

function 

of

 the

 constant parameter

 D/d and 

var-

 

iable 

d/R

 

in

 

Figures

 

4a

 

and

 

4 b . 

here

 

are

 

distinct

 

minimum

 

values

 

for

 

each

 

curve

 

de-

 

scribed

 by D/d 

in

 these figures.  As previously indicated,

 t

 would seem that 

as d/R is decreased, kfj and kf

c

 

should

 also decrease (which they do up to a 

point)

 

and

 

asymptotically 

approach 

a

 minimum

 

value

 (which they do

 

not).  It

 

is

 

evident

 that this behavior 

is

 no t

 correct

 and 

occurs

 

as

 a result of

 

inexactness

 

of

 

the

 

equations

 which in turn

 

could be

 

cauaeu by: 

a .

 

he 

approximate

 nature

 

of

 

the observation 

that 

the maximum

 principal

 

stresses

 occur at 

the 

same fillet locations; 

and

 

b .

 

he

 violation

 

of th*

 estriction that the

 radius 

R be small

 

compared

 

to 

the

 width d. 

°>T = 

s t r e s s  a t

 f i l l t t  

J

T

 =

 applied 

s t r e s s

 

a t 

s h a n k 

c r

  a p p l i e d s t r e s s  a t shoulders 

h / d

 

>

 3 . 0 

4. 0

 

8.0 2 . 0

 

1 6 . 0

 20.0 

24.0

 8.0

 

2.0 

d / R 

Figure

 

a. 

S T R E S S

 0 N C E M T R A T I 0 N

 

ACT OR

 

f

Page 12: Stress Concentration Factors in T-Head

7/21/2019 Stress Concentration Factors in T-Head

http://slidepdf.com/reader/full/stress-concentration-factors-in-t-head 12/27

 

0 / d   =

 

1 . 5 

D / d

  =   1 . 7 5 

D / d   =2.0 

D / d

  =   2 . 5

 

D / d

 

=3.0

 

D / d  

=

 

4 . 0

 

0 / d

 =5.0

 

D / d   =   o o 

L E G E N D  

1

 

m i  

J l

 

(7 

m i

 

Hilft

 

*t 

fc 

-c 

stress

 

at illet 

applied 

tress 

t ea d  

applied 

tress

 

t houlders 

3.0

 

4.0

 

8.0

 

12.0  16.0

 

20.0

 24.0  28.0  32.0

 

d /R  

F i g u r e

 

4 b .

 

STRESS

 CONCENTRATION

 

FACTOR

 

k f

Thus, the 

accuracy

 and application 

of

 the expressions beyond 

the

 mini- 

mum

 

points

 are questionable. 

The

 seemingly odd behavior indicated above 

wi'l

 provide convenient

 

practical

 cut-off

 points

 

for 

each 

curve 

describing 

kfj and kf

c

(The cut-off points are experimentally checked 

for two

 cases

 

and 

are

 discussed 

later).

  These

 

cut-off

 

points can 

be

 determined 

by

 t h « »

 

minimum values of the stress concentration factors defined by particular 

values of d/ R as a function 

of

 D/d.  These minimum 

values

 will provide 

limits 

on

 

the

 

use

 of

 

Equations 

10 and

 

12 

and

 shall

 

be 

called

 

limits of

 

application .

 

The 

limits

 

are analytically

 

determined

 

by simply

 

applying maximum-

 

minimum principles to Equations 

10

 and 1 2 .  The limits of application of 

Equation

 10 describing 

kfj 

are 

given 

in

 

the

 

following: 

d/ R >

 

D/ d 

1/2

 (1-1/n)

 

-/(l/n)(D/d)

  1 /4 (1-1/n)

2

 

The 

limits

 of

 

application 

of

 Equation 

12

 

describing 

kj

c

 are

 

given

 

by

 

2(1

  n )  

(13) 

d/R

 > 

n(D/d-l)

 

(14)

 

Page 13: Stress Concentration Factors in T-Head

7/21/2019 Stress Concentration Factors in T-Head

http://slidepdf.com/reader/full/stress-concentration-factors-in-t-head 13/27

where

 n 

0.65. 

Both limits

 

have

 

been computed

 

and are

 

shown i n Figures 

4a 

and

 

4b

 

as 

lines

 

connecting

 

the

 

minimum

 point

 in 

each

 curve 

and are labeled

 

limit of application . 

E X P E R I M E N T A L 

S T U D Y 

Because

 of the approximations used 

in

 the previous section it

 

was neces- 

sary 

to establish

 

the 

validity

 

of 

the derived 

equations.

 

Therefore,

 the 

pri-

 

mary

 objective of the experimental program 

was

 

to

 

determine

 the order

 

of 

magnitude 

of

 the

 

inherent error 

associated with

 the determination 

of

 

kff 

and 

k } -

c

 

by 

Equations 10

 and 

1 2 .

 

To accomplish 

the

 

above in

 the 

simplest

 

manner,

 

the

 

stress 

concentration 

factors 

kf

a

 

and 

j -

c

 

were

 experimentally

 

determined

 for 

four

 cases

 which

 had

 

the various 

geometry

 ratios shown in Table I .  The stress concentration

 

factor

 

k£j was then

 obtained

 from

 

these

 

data

 

for

 

each

 

of

 the

 

four 

cases 

by 

simple

 

superposition as

 indicated 

by

 Equation 3 . 

Table I .  EXPERIMENTAL, SUPERPOSED, AND PREDICTED 

DATA

 

C a s e

 d/R 

D / d

 

EXPERIMENTAL   DATA  SUPERPOSED DATA 

PREDICTED DATA 

h f . 

> J «

 

k f c 

k

fT

 

C o a b i n e d F a c t o r ,   E q u a t i o n   6 

-;.» 

P e r c e n t

 

d i  

f f e r e n c e l 

f.  

+

 

(D

/

d

-d7R*

 

f

E

 

k

 

P e r c e n t 

difference 

J A 

1 0 . 0 4 . 0 

2 . 3 7 

« 2 . 0 5

 - 0 . 5 1  

2 . 8 8

  0.94

  2 . 8 6  

-

 0 . 7 

. 1 . 9 6 

-

 4 . 4 

I B 

1 0 . 0 

2 . 0 2 . 2 5 •   2 . 4 8  - 1 . 2 4 3 . 4 9  1 . 2 7 

3 . 7 9 

+

 8 . 6 

- 3 . 1 0  - 5 . 0

  j

 

IC

1 0 . 0 

1 . 5

 

1 . 9 S

 

^ 2 . 7 1 . 1 . 8 1 3 . 7 6 

1 . 4 1 

5 . 7 1 

+ S 1 . 8  

- 5 . 4 3

  + 

1 0 0

 

II

5 . 1

 

2 . 0

 

1 . 9 5

 

- 1 . 0 8  

- 0 . 5 4  

2 . 4 9

 

1 . 6 2

 

3 . 1 3 

+ 2 5 . 7

 

- 2 . 6 5 

+

 1 4 5 

O b t a i n e d  

b y 

anperpoaing

 

k f

a

 

a n d

 

k f

c

 according

 

t o

 

Equation 

t C o a p u t e d  according t o 

Equation

 

1 0 .

 

f C o a p u t e d according t o E q u a t i o n

 

1 2 . 

* * L i a i i t

 o f  

application

 

c a a e

 f o r  k f

c

.

 

N O T E :

 

-J > 

3 . 0

 

Cases

 

IC 

and I I were 

designed

 to determine the 

maximum

 error allowed 

by

 

the

 

limit of application.  The 

geometries 

for these cases

 

were determined 

according to 

th e

 limit 

of

 

application

 on 

th e

 

concentrator

 

kf

c

, (Equation

 

14) 

rather

 than 

kfr. 

This was

 done

 because th e

 minimum points 

for

 kf

c

 

as

 shown 

i n

 

Figure 4 b are

 

slightly

 

more limiting than the corresponding

 

curves 

i n

 

Figure 

4 a .

  Thus,

 

for the same D/d value

 th e

 

limiting d/R ratio

 

i s

 

greater

 

for

 

j -

  than 

for 

krj, 

and,

 

therefore, more restricted. 

Page 14: Stress Concentration Factors in T-Head

7/21/2019 Stress Concentration Factors in T-Head

http://slidepdf.com/reader/full/stress-concentration-factors-in-t-head 14/27

v

 

The

 

experimental data were

 

obtained by a photoelastic

 

study using 

a

 

model

 

made

 

of

 Homalite

 

100. 

The

 two

 methods of

 applying the

 load 

and

 

the

 

model dimensions 

for

 the

 four 

cases

 

investigated are shown

 in

 Figure 

5 . 

he 

model

 was compressively

 stressed*

 by the first method of 

loading,

 

Figure

 5a,

 

then 

by

 

the

 second

 method, 

Figure

 5b. 

The 

photoelastic model

 was 

stressed

 

by

 

the first method to determine 

the 

factor kf

a

»

 

the 

location

 of the maximum

 

fringe

 

order, and 

to

 index 

this

 maximum stress

 

site

 

by 

scribing

 

fiduciary 

lines

 on

 

the 

model.  At

 

this location

 the

 fringe order was 

also 

determined 

when the 

model was

 

leaded

 by the 

second

 method.

 

Thus,

 the

 nominal

 

fringe

 

order

 at

 

the shank

 section 

Nj,

 

the

 

maximum

 

fringe 

order 

at

 the 

fillet 

N £

£t 

and

 at 

this

 same site 

the

 fringe order Nf

c

,

 

were

 obtained for

 

each

 

case and

 

are shown plotted as functions of load 

in

 

Figures 6 and 7 . 

These 

experimental 

data were then

 

utilized to 

obtain

 the 

stress

 concentration

 

factors

 

kf

a

 

and 

kf

c

,

 from which

 

kfj

 

was indirectly

 

determined. 

Figures

 2a and 2b are photographs 

of

 the isochromatic fringe 

patterns,

 

with a 

light 

background resulting 

from 

the two 

loading

 methods 

chosen

 as

 

representative of

 

typical patterns of

 

case 

IA

 

(d/D

  4.0 

and

 

d/ R

 

10.0). 

H

 

LLL

 

__ 

*h  

« f. 

( b )

 

C A S E

 

IA

 

IB

 

IC

 

R  

0.079

 

0079

 

OXJT* 

0 . 1 1 0  

d

 

0.790

 

0.790

 

0.790

 

0.969

 

BJOOO

  1.900  1 . 12 9  

1 . 1 2 9 

/

2

2

2

2

h  

7

3

5

5

1/2

1 / 2 1 / 2

1 / 2

NOTES: 

1 . 

DECI MAL

 T O L E R A N C E 

IS 

±

 0.001

2 .

 S H A D E D R E A S S H O W  

C A R D B O A R D

 

PA D

 

L O C A T I O N S  

F i g u r e  

5 . 

LOADING

 A N D

 MODEL PARAMETERS

 

•Pads 

were

 used 

st

 si l contact surfaces

 

to siaulate 

constantly distributed

 load. 

Page 15: Stress Concentration Factors in T-Head

7/21/2019 Stress Concentration Factors in T-Head

http://slidepdf.com/reader/full/stress-concentration-factors-in-t-head 15/27

mm

 

-

 

C A S E

 

IA

IB 

Z C  n  

R  

0.075 

0.075 

0.075

 

0 . 1 1 0

 

d  

0.750

 

0.750  0.750 

0.565 

0

  1 . 5 0 0  

25

  l 2 5  

f t  

2

2

2

2

h

 

T

 

5 5

5

t

 

1/2

1 / 2 ° 

1/2 1/2

H  

N O T E S :

 

1 . 

DECI MAL

 T O L E R A N C E

 

IS

 t

0 . 0 0 1

2 .

 S H A O E O

 R E A S S H O W  

C A R O e O A R D

 

AD

 

L O C A T I O N S

 

- 1 0 0  - 2 0 0 

- 3 0 0  - 4 0 0  - 5 0 0 

P

 

A P P L I E D

 

LOAD-LB

 

F i g u r e 6 F R I N G E

 

ORDER

 

N

fa

 

A N D  N

d

 

A S

 A F U N C T I O N

 O F

 A P P L I E D

 

L O A D 

1 0 

Page 16: Stress Concentration Factors in T-Head

7/21/2019 Stress Concentration Factors in T-Head

http://slidepdf.com/reader/full/stress-concentration-factors-in-t-head 16/27

\

-

 

7.0 

6.0

 

5.0

 

5

 

UJ

 

CASE

 

IA 

19 

IC 

n

 

0.075

 

04)75 OJOTS

 

0.110

 

d

 

0.750 

0.750 

0.750 

0.365 

0

 

3000 

1.500  1.125  1.125 

/

2 2 2

2

5

5

H  

5

1 /2 1/2-  1/2 1/2

N O T E S :

 

I. O E C I M A L

 

O L E R A N C E  

IS 

± 0.001

2 S H A D E D R E A S S H O W  

C A R 0 6 0 A R 0 

AD  

L O C A T i O N S  

R d

f

 

in

 

Hfc

 

- 3 0 0  - i * 0 0  - 5 0 0 

P

 APPLIED

 L O A D - L B 

- 7 0 0 

F i g u r e

 

7 . 

F R I N G E

 

O R D E R

 

N

f

c

 A S

 A

 

F U N C T I O N  

O F 

A P P L I E D

 

L O A D

 

r

I  

  i 

isri 

Page 17: Stress Concentration Factors in T-Head

7/21/2019 Stress Concentration Factors in T-Head

http://slidepdf.com/reader/full/stress-concentration-factors-in-t-head 17/27

R E S U L T S  

A N D

 D I S C U S S I O N

 

least-square

 

method which

 

incorporated the

 data 

shown

 in Figures 

6

 

and

 

7

 was used 

to 

determine accurately 

the 

equation

 of

 

each straight iine 

designated b y 

Nj,

 N£

a>

 and

 Nf

c

 

for

 

all

 cases. 

A straight-line fit 

for

 

each

 

curve

 was corrected to

 

initiate at 

th e

 origin 

of

 th e plot.  Residual stresses 

and time edge effects present in th e

 

photoelastic model were

 thus

 compensated. 

These

 results were then used to determine 

th e

 desired experimental concentra- 

tion

 factors defined as: 

f a

 

l i 

l

fc 

_Nfc

 

and 

k

f

c

  k

fc

(D/d). 

The

 stress 

concentration

 factors

 

for 

each

 case are shown

 

in 

Table

 I . 

It

 

is

 

noted

 that

 

in

 

th e 

formulation

 

of

 

Equation

 

6 ,

 

it

 

was

 

necessary

 to

 

make

 use of: 

a .

 n

 experimental

 

approximation,

 i.e., it 

was

 

assumed

 

that

 

th e

 

points 

of

 maximum

 

stress

 

of the

 

loading

 

cases shown 

in

 

Figures

 lb

 

and

 l c 

coincided;

 

b . n

 experimental

 fact, i.e., 

from

 Reference 10 it was determined that 

under idealized

 

conditions the

 

stress concentrator would be

 equal

 to 1 . 0 ; and 

c . he restriction that th e

 

fillet radius R be small

 

compared 

to

 th e 

small

 width 

d «

 

If

 

all of th e 

above 

were

 true, 

the

 

left side of

 

Equation

 

6 ,

 

which

 

is

 

termed 

th e

 

Combined

 

Factor,

 

would

 

be

 

equal

 

to

 

unity

 (1.0).

 

This

 

Combined

 

Factor

 

could be used as an index, 

when

 compared to 1.0, on th e relative accuracy of 

Equations 

10

 and 1 2 , which predict kfr and k£

c

.  The Combined Factor, for 

which th e computations 

were

 based on 

th e

 experimentally determined concentra- 

tors kf

a

 

and kf

c

,

 

as 

well

 

as th e

 predicted

 values 

of

 kfp and

  j «

c

,

 

and

 th e

 

percent 

difference

 when compared

 

to experimental

 

values

 

ar e also 

given

 i n 

Table 

I . 

Results

 

given i n

 Table

  indicate that 

when d/R 

is

 

constant (see

 

cases 

I A , IB , and IC), the Combined Factor 

approaches

 th e idealized 

value

 of 1.0 

with

 increasing

 

D/d.  Also, when D/d 

is

 constant but d/R

 i s 

increased, a s i n 

12

 

Page 18: Stress Concentration Factors in T-Head

7/21/2019 Stress Concentration Factors in T-Head

http://slidepdf.com/reader/full/stress-concentration-factors-in-t-head 18/27

F

3

*

7

*

:

 

cases I I

 

and

 

I B ,

 the

 

Combined

 

Factor appears 

to

 approach

 the idealized

 value 

of

 

1.0.

 

It

 

is

 

apparent

 

from

 Table

 

I

 

that

 

as

 

the

 

Combined

 

Factor

 

approaches

 

1.0,

 

the percent differences for

 

both 

kfj

 and k£

c

 

become 

small.

  These

 

dif- 

ferences are

 

based

 on

 

a

 comparison

 of 

experimental values of

 

krj 

(and

 super- 

posed data) and  j -

c

 to those

 

given

 

by the 

predictive

 equations 

1 0

 and 1 2 .  

Further 

examination

 of 

these

 relative

 

differences

 

reveals 

that:

 

1 .

 f - r 

determined 

by Equation

 

10

 

is

 

accurate,

 

compared

 

to 

the experi- 

mental value

 (see

 superposed data), 

to

 within 

less

 

than

 9. 0%

 

if 

D/ d

 2 2.0 

and 

d/ R > 

10.0 

(compare

 cases IA

 

and

 IB

 to case IC). 

2 . £

c

 

determined

 

by

 Equation 

1 2

 is accurate to within 

25.0%

 if 

D/d > 2.0 and d/ R £ . 

10.0

 when 

related

 to

 

the

 

experimental 

data

 

(compare 

cases IA and IB to 

case

 

IC).

 

3 .

 he two

 

cases, 

IC 

and I I ,

 which 

are at the 

limit

 of

 application for 

the 

concentrator k£

c

, yieJd the maximum

 

differences, 1 0 0% 

and

 145%, r e s p e c t i v e l y .  

However, 

these

 

differences are

 

positive

 

and

 

are

 considered

 

conservative. 

Comparisons can

 also

 be

 

made

 

to

 

the datt given

 

in 

References 

1 and

 

2  by 

Hetenyi

 even

 

though

 

the

 loading

 configuration 

used

 by this

 

author,

 

shown

 

in

 

Figure

 

8a,

 

is different 

from

 

that

 shown in Figure

 

8b.

 

The 

difference

 between 

these 

two loading

 states

 

is

 

shown

 

in

 Figure £c. 

It

 is

 

readily apparent that 

if

 the fillet radius R

 is

 small, the 

Hetenyi-type

 stress 

concentration

 factor 

termed 

here 

as 

k £ j j 

is

 approximately equivalent to

 k£j.

  The

 

data from

 

Refer- 

ences 

and

 2 

are

 presented 

in 

Table 

II

 as well 

as

 the predicted values of 

the 

stress concentration factor 

k£j given 

by Equation

 1 0 ,

 and

 

the 

percent 

error

 

when compared to k £ | f • 

l

 fH » 

ittii/ 

*-

 

-•

v

Uiii 

ÜÜ1/

 

Mill 

+  

V

(a)

 

(b) 

Figure . H E T t N Y l YP E - H E A D S  

(O

 

J3

 

Ü— 

'--

 

Page 19: Stress Concentration Factors in T-Head

7/21/2019 Stress Concentration Factors in T-Head

http://slidepdf.com/reader/full/stress-concentration-factors-in-t-head 19/27

Table 

I I .

 

COMPARISON TO EXPERIMENTAL RESULTS O F T-HEADS

 

AVAILABLE

 IN TOE LITERATURE 

Ketenyi's

 

Results

 

- References 1

 

and 2  

\w

 

d/R

 

0.0 

d/R 

*

 3.33

 

d/R

 

10.0 

d/R

 

«5.0

k

fH

 

k

«rror

 

k

fl 

k

f

T*  

X «rror 

>>ff l 

k

fT

#

 

«rror 

k

k

fT

rror 

s.o 

2.5 

2.0

 

l.S 

4.10 

4.47 

S.00

 

|  6.0S 

4.20

 

4.

 S O  

S.10 

6.97 

♦   2.4 

-

 

1.0 

 

2.0 

+15.0 

3.

 

S O  

3.6S 

3.90 

4.90 

3.48 

3.73

 

4.25 

6.Ö

S

 

- .6 

.2 

 

9.0

 

+24.0

 

3.10 

3.02 

3.30 

4.70 

3.08 

3.30 

3.79 

5.71

 

. 1,0 

♦   9.3 

+14.8 

♦ 21.5 

2.52 

2.35

 

2.60

 

2.38 

2.58 

3.10 

• 

5.6

 

.8

 

♦ 19.2 

*Coap«ted

 according

 to

 

Eqeatioa 10

 

(AH values

 of

 

k

f

T

 

aro 

within 

the liait

 

of

 

application

 

fiten

 by Eqaatioa 1 3 )  

NOTE:

 

-y>3.0

 

A

 comparison

 of the results given

 

in

 Table 

II 

indicates

 that

 

as D/ d in- 

creases, 

with

 d/ R remaining constant,

 

the.error

 generally decreases.

 

This

 

is

 because

 

the

 points

 of 

maximum stress

 for the 

various

 

loading cases

 

tend

 

to coincide and the

 stress

 

gradient

 becomes 

small

 

D/d

 becomes 

large. 

The results 

also

 indicate 

that,

 generally,

 

Equation 10

 

becomes more accurate

 

as d/ R 

increases,

 with D/ d 

remaining 

constant. 

This is

 due 

t o :

 

a . he 

restriction

 

that

 the

 

fillet

 

radius R be 

small

 compared

 

to

 

the

 

width 

d

 in the

 

analysis; 

and

 

b . s R 

becomes 

small the

 

Hetenyi-type 

concentration

 

becomes

 

equivalent

 

to kfj. 

It is also seen

 

from

 Table

 

I I

 

that as

 

the error

 

becomes

 

large, it

 

is

 

positive.

 

Further, if

 

one

 

is

 interested in

 

accuracy

 of

 1 0% 

or better, then 

Equation 10 can

 

be used

 

when:

 

a .

 

/d

 i s 

equal 

to

 

or greater than 2.5 

and

 d/ R lies between

 

5. 0

 

and

 

20.0; and 

b . /d is 

equal

 to or greater 

than

 

2.0

 

and

 d/ R

 

lies between

 13.33 

and

 20.0. 

Analytically 

computed results for the stress 

concentration 

factor

 

kfj as

 

function

 of 

d/R

 

when

 

D/d

 *

 2.325

 re

 iven in

 

Reference 

4 .

  These

 

data,

 

as well as those obtained 

from

 Equation 1 0 ,

 

can readily 

be

 compared

 

and 

are shown

 

in Figure

 9 .

  It

 

is 

seen 

that

 these 

curves compare 

to

 within

 

a t

 

least

 

1 0% 

of

 each other

 

when

 

d/ R is

 

between 3 and 

2 8 ;

 beyond the

 

value of 2 8 ,

 

the

 difference

 

is excessive.

 

As d/ R

 increases,

 kfj becomes more accurate.

 

On

 

the 

other

 hand, the 

mapping

 function 

utilized i n Reference 

4

 becomes

 in- 

exact

 for

 

large 

values of

 

d/R.

 

This difference

 

i s

 

attributed to

 the method 

used

 

in

 

Reference 

4

 

when 

d/ R 

2 8 .

  However, 

i t

 

i s expected 

that when

 d/ R i s

 

small, the

 method

 given 

by

 Reference 

4

 i s quite 

accurate. 

1 4

 

Page 20: Stress Concentration Factors in T-Head

7/21/2019 Stress Concentration Factors in T-Head

http://slidepdf.com/reader/full/stress-concentration-factors-in-t-head 20/27

Page 21: Stress Concentration Factors in T-Head

7/21/2019 Stress Concentration Factors in T-Head

http://slidepdf.com/reader/full/stress-concentration-factors-in-t-head 21/27

R E F E R E N C E S 

1 .

 

ETENYI,

 

M .

 

om e

 

Applications

 

f

 

hotoelas

t

ic

i

t

y

  in

 

urbine-Generator 

Design. Trans.

 

ASME,

 

v . Sl

9

 1939, p . A-151 to

 

A-155.

 

2 .

 ETENYI, M .

 tress Concentration

 actors

 

or -Heads.

  J .

 

Appl. 

Mech., 

v . 

81 ,

 

no.

 

3 ,

 1959, p .

 

130-132. 

3 .

 EYWOOD,

 

R .

 B .

 

Designing 

by

 

Photoelasticity.

 

Chapman

 & Hall 

Ltd., 

1952, p . 178. 

4 . ISHIHARA, T., and FUJII, T . tresses in 

Bolt

 Head.

Proc.

 

of 

First

 

Japanese

 National Congress for 

Applied

 Mechanics, 

1951,

 p . 

145-150.

 

5 .

 

ROCHT,

 

M .

 

M.

 

actors

 

f

 

Stress

 

oncentration

 

Photoelastically

 

Determined.

  ASME, V . 57, 

1935,

 p . A-67. 

6 . ROCHT, 

M . M. hotoelastic 

tudies

  in tress 

oncentration.

Mechanical 

Engineering, v . 58, 1936, p . 485-489. 

7 .

 

ROCHT,

 M .

 

M . ,

 and LANDSBHtG, 

D .

 actors f 

tress

 oncentration  in ars 

with eep harp

 

rooves

 

nd Fillets  in

 

ension.  Proc. SESA,

 

v . VIII, 

no. 2 , 

1951,

 p . 148. 

8 . 

IMOSHENKO,

 S., and

 DIETZ,

 W . 

tress

 oncentration roduced

 

y oles 

and

 Fillets. Trans. ASME, v . 

4 7 ,

 

1925,

 p . 199-237. 

9 .

 EIBEL, E . E . 

tudies

 

in

 

Photoelastic

 

tress

 

etermination.

 

Trans.

 

ASME, 

v .

 

5 6 , 1934,

 p . 637-658. 

1 0 .

 ETERSON, R . E . tress oncentration Design Factors.

 

John

 

Wiley

 

&

 

Sons, 

1953. 

1 1 . ARATTA, F . 

I . ,

 and BLUHM, 

J .

 

I .

 n the

 

Nullification 

f

 Stress 

Concentration actors 

by

 tress qualization.  U . 

S .

 Army Materials 

Research Agency,

 

AMRA TR 66-37,

 

November 1966.

 

Presented 

at

 

the

 June

 

1966

 meeting

 

of 

S.E.S.A. 

in 

Detroit. 

1 6 

Page 22: Stress Concentration Factors in T-Head

7/21/2019 Stress Concentration Factors in T-Head

http://slidepdf.com/reader/full/stress-concentration-factors-in-t-head 22/27

U .

 

S . ARMY MATERIALS RESEARCH

 AGENCY

 

WATERTOWN, MASSACHUSETTS 

2172

 

TECHNICAL

 REPORT DISTRIBUTION 

Report No.: 

AMRA

 

TR

 66-36

 

November 1966

 

Title:

 tress

 oncentration 

Factors 

T-Heads 

r

is

tribution 

28

  toer 966.

 

List

 

approved 

y

 

Picatinny

 

Arsenal, 

telephone

 

conversation,

 

No. f

 

Copies

 

To

 

o

 

1

 

ffice

 

he 

Director,

 

efense

 

esearch

 

nd

 Engineering,

 

h e

 

entagon,

 

Washington,

 

.

 .  20301

 

20 

Commander, efense

 

ocumentation

 

Center,

 

ameron Station, uilding 5, 

5010

 uke treet, 

lexandria, Virginia

 

22314

 

2 efense

 

Metals nformation

 

Center, 

atteile 

emorial 

nstitute,

 

Columbus , h io 

43201 

Chief

 of

 Research nd Development, epartment 

f

 he rmy, 

Washington,

 

.

 

.  20310 

2

 A T T N : 

Physical

 nd

 Engineering ciences 

Division

 

1 Commanding Officer, rm y

 

esearch Office

 

Durham) ,

 ox

 Ol, 

Duke

 

tation, urham,

 

orth

 

Carolina

 27706

 

Commanding

 

General,

 

. rm y Materiel ommand, 

Washington,

 

.

 

.

  20315 

1

 

A T T N :  A M C P P , 

r.

 

.

 Lorber 

1

 

M C R D

 

1 M C R D - R S  

Commanding

 

General, . . rmy

 

Missile

 

ommand, edstone

 rsenal,

 

Alabama 35809 

5

 

A T T N :

 

AMSMI-RBLD,

 

edstone

 

Scientific

 

nformation

 

Center

 

1

 

MSMI-RRS,

 

r.

 

R .

 

. ly 

1

 

MSMI-RKX,

 r. 

R .

 

F ink

 

1

 

M S M I , r. 

.

 

K.

 

Thomas 

1

 

MSMI-RSM, r.

 

. .

 

heelahan 

2

 

ommanding General,

 . 

.

 

rmy Mobility

 

ommand,

 

arren, Michigan  48090 

Commanding

 General, . . rm y Munitions

 ommand,

 

Dover,

 ew

 ersey  07801 

A T T N : 

Feltman esearch

 

aboratories 

Page 23: Stress Concentration Factors in T-Head

7/21/2019 Stress Concentration Factors in T-Head

http://slidepdf.com/reader/full/stress-concentration-factors-in-t-head 23/27

wm-

 

mnn

 

N o.

 f 

C o p i e s

  T o 

Command ing 

General,

 

\

 S.

 

rm y

 Natick aboratories, NaticK,

 

Massachusetts

 

01762

 

1 TTN:

 

Dr. . Flanagan 

Command ing General,

 .

 .

 rm y 

ank-Automotive

 

Center,

 

Warren, 

Michigan

 

48090 

2 TTO:

 

AMSM0-REM.1 

Commanding 

General, 

U . S . A r r . y  Test

 

and 

Evaluation 

Command,

 

Aberdeen Proving

 

Ground, Maryland

 

1005 

2

 

TTN: MSTE 

Commanding

 

General,

 U . S . 

Army

 Weapons Command, 

Rock

 Island,

 

Illinois

 1202

 

1 TTN: MSWE-PP, Procurement and Production Directorate 

1

  AMSWE-TX,

 Research

 

Division

 

1  AMSWE-IM,

 

Industrial Mobilization Branch 

Commanding

 Officer,

 Harry 

Diamond

 Laboratories, 

Washington, D .

 

C .

 0438 

TTN:  AMXDO,

 

ibrary 

Commanding

 

Officer, Frankford Arsenal, Philadelphia, Pennsylvania 9137 

2 TTN: itman-Dunn Institute  of Research

 

Commanding

 

Officer,

 

Picatinny

 

Arsenal,

 Dover, New Jersey 7801 

1

 

TTN:

 

MUPA-TW, Nuclear

Engineering

 

Directorate

 

Commanding Officer, 

Springfield

 

Armory,

 Springfield,

 

Massachusetts 

1101 

1 T I T I : WESP-EG, 

Engineering

 Division 

1 WESP-TX,

 Research and Development Division

 

2

 ommanding 

Officer,

 U . S . Army 

Mobility

 

Command,

 

Washington

 Liaison

 

Office, 

Room

 

1 7 1 9 , Building T-7, 

Gravelly

 Point, Washington, D . C . 0315 

Commanding

 

Officer,

 Watervliet Arsenal, Watervliet, New

 

York

 

2189 

1

 

TTN:

 

r .

 

F .

 

Dashnaw

 

Chief, Bureau of

  Naval Weapons,

 Department of the

 

Navy, Room 2225,

 

Munitions

 

Building,

 Washington,

 

20390 

1 TTN: MMP 

Chief, Bureau of Ships, Department 

of

 the Navy, Washington, D . C . 

0360 

1 TTN:

 

ode 3 4 1 

1 hief, Naval Engineering Experimental 

Station,

 Department of the Navy, 

Annapolis, Maryland 

.***- 

T-V 

Page 24: Stress Concentration Factors in T-Head

7/21/2019 Stress Concentration Factors in T-Head

http://slidepdf.com/reader/full/stress-concentration-factors-in-t-head 24/27

\

 

No. of

 

Copies

 

T o

 

Commander, Naval Ordnance 

Laboratory,

 White

 Oak, 

Silver

 

Spring,

 

Maryland 0 910

 

2 TTN: ode WM

 

Commander,

 Naval Ordnance Test

 Station,

 China 

Lake,

 California 3555

 

1

 TTN: ode 5557

 

Director, Naval Research Laboratory, Anacostia 

Station,

 

Washington,

 

D . C . 0390

 

1 TTN:

 

echnical 

Information

 

Officer 

Commander, 

Naval Weapons 

Laboratory, Dahlgren, 

Virginia 

2448

 

1

 TTN:

 

§P Laboratory

 

Chief, 

Office

 of 

Naval

 Research,

 Departmsnt

 of the Navy,

 

Washington, D .

 

C . 0390

 

1

 TTN: ode

 42 3 

Commander, Wright Ai r

 

Development Division,

 

Wright-Patterson

 Ai r

 Force Base,

 

Ohio 

5433 

1

 

TTN: WRCO

 

AFRCWE-1

 

1

 .

 

S .

 

Atomic

 

Energy

 

Commission,

 

Army

 

Reactor

 

Branch, 

Division

 of

 Research 

Development,

 

Washington, D . 

C . 

U . S.

 

Atomic

 

Energy Commission, Di/ision 

of 

Nuclear

 

Materials

 

Management,

 

Washington,

 

D . C .

 

I TTN: 

r .

 Alton

 

F . Elder

 

U . 

S .

 Atomic

 

Energy

 Commission, 

Albuquerque 

Field

 

Office,

 

P . 0 .

 Box

 4500,

 

Albuquerque,

 

New

 

Mexico 7106

 

1

 

. A T T N : r . 

N .

 MacKay,

 

Nuclear  Materials Management Office

 

1

 .

 S . 

Atomic

 

Energy

 Commission, 

Office

 of

 

Technical 

Information 

Extension,

 

P .

 

0 .

 

Box

 

6 2 , 

Oak

 

Ridge,

 

Tennessee

 

.

 S . 

Atomic

 

Energy

 

Commission,

 San Francisco 

Operations 

Office,

 

2111 Bancroft

 

Way, Berkeley,

 

California 4704

 

National Aeronautics

 

and Space

 

Administration, 1520 H 

Street,

 N . 

W.,

 

Washington,

 D .

 C .

 0546 

TTN:

 r .

 

B . G .

 

Achhammer

 

1  M r .

 

G . 

C .

 Deutsch

 

1  M r . R . V . Rhode 

s£ 

Page 25: Stress Concentration Factors in T-Head

7/21/2019 Stress Concentration Factors in T-Head

http://slidepdf.com/reader/full/stress-concentration-factors-in-t-head 25/27

,.  

~-

 

Of 

 

T o 

National

 

eronautics

 

nd

 

pace

 

dministration,

 Marshall pace

 

Flight

 

Center, 

Huntsville, 

labama 

3S812

 

1  ATTO:  R-PSVE-M , r. . . Lucas 

1

 

-F&AE-M,

 r. 

.

 

.

 ilson 

Director, et ropulsion

 

aboratory, California nstitute f 

Technology,

 

4800

 

ak Grove Drive,

 

asadena, California 91003 

1  ATTN:  M r. 

oward

 .

 

Martens,

 

Materials ection 51 

Command ing

 Officer,

 . .

 

rm y

 

Materials

 esearch

 gency, 

Watertown, Massachusetts 

02172

 

5  ATTN: 

AMXMR-AT

 

1

 

M X M R - A A

 

1

 

MXMR-RP

 

1

 

M X M R - R X

 

1

 

uthor 

90  TOTAL OPIES ISTRIBUTED 

Page 26: Stress Concentration Factors in T-Head

7/21/2019 Stress Concentration Factors in T-Head

http://slidepdf.com/reader/full/stress-concentration-factors-in-t-head 26/27

— 

HZLhSSIHEL-

 

Seen 

ity

 Classification

 

DOCUMENT

 CONTROL DAT  

4

 

 

R&D 

(SmcuTity

 clmmmttlcmtlon of titlm. 

ody

 of mbmtrmct 

mnd

 ndexing

 

mnnotmlion

 mumt 

m

 

mntmtmd 

mhmn

 hm

 vmrmll

 

rmpert

 

m clmmattimd)

 

1 .

 

ORIGINATING

 

ACTIVITY 

Corporate 

muthor

U.

 

S .

 

Army

 

Materials

 

Research

 

Agency

 

Watertown,

 

Massachusetts 2 17 2 

2« 

REPORT

 SECURITV

  CLASSIFICATION 

Unclassified

 

2  

GROUP 

3 .

 

REPORT TITLE 

STRESS

 

CONCENTRATION

 

FACTORS

 IN

 T-HEADS 

DESCRIPTIVE NOTES

 

Typo

 

ot tmport mnd inelumivm dmtmm)

 

AUTHOR^)

 (Lmmt 

nmmm . int

 

nom«. nitiml) 

Baratt

a, 

Francis I .

 

«. 

EPORT

 DATE

 

November 

966 

«.  CONTRACT

 

OR

 

GRANT

 

NO.

 

t, ROJECT NO. 

D/A

 

N542718D387

 

C

AM C M S od e 

547.12.62700 

SuhtasV 

5475

 

7«  TOTAL

 .O-

 

F

  PAGES

 

- 1 £ _

 

76.

 

NO. F REFS

 

1 1  

9a.  ORIGINATOR'S

 

REPORT

 NUMBER'S; 

A M R A 

R

 6-36 

f

6.

 OTHER EPORT NOfS) Any otttmr

 numbmrm

 hmt mmv m

 

mmmimy imd 

thim

 mpott)

 

10. AVAILABILITY/LIMITATION

 

NOTICES 

Distribution of

 

this document is 

unlimited.

 

11   SUPPLEMENTARY

 NOTES 

\

v. 

1 2

  SPCKSOPING

  ILITARY ACTIVITY

 

Picatinny

 

Arsenal 

Dover, New 

Jersey 

07801

 

u .   ABSTRACT wo

 

simple

 

formulae 

ar e

 

presented w h i c h predict stress concentration rac- 

tors applicable to a two-dimensional symmetrical T-head configuration. 

his

 config- 

uration

 corsists 

of

deep head

 

joined

 

to a

 

shank

  b y 

fillet radii.

 

he independent

 

equations

 that predict

 

stress

 concentration 

factors

 

for

 th e

 

same geometry

 

ar e

 

de- 

rived

 

for

 

two

 different loading

 conditions.

 

n

 one 

instance,

 a

 

tensile force is 

applied to 

the

 

shank

 end of th e 

T-shape.

 quilibrium of

 

forces i s attained b y 

supporting the bottom

 

edge

 of

 the head section, resulting 

in 

th e shank section

 

being 

pulled in

 

tension.

 n the

 

second instance, a

 

conpressive load 

is

 applied to 

the

 

top

 

edge

 

of

 

the

 head

 

section

 

while

 

the

 

configuration

 

is

 

again

 

supported

 

at

 

the

 

bottom

 

edge.

 hus, only the head section is stressed and 

in

 a compressive

 

manner.

 

Because the

 analysis

 is

 no t exact, the

magnitudes

 of 

th e

 

stress

 

concentration

 

factors

 

resulting from 

the

 predictive

 

equations appear

 

to 

b e

 overly conservative

 

at 

some

 ranges 

of

the 

geometry 

parameter

ratios.

 herefore, an

 arbitrary

 

limit

 of 

application , as it

 

is termed in

 

the text, is

 

recommended when

 

using these equations. 

Again, because

 

of

 

the

 inexactness of

 

the

 

analysis,

 experimental 

stress

 concen- 

tration

 factors

 

are indirectly

 

obtained

 

for the

 

first

 

loading condition and directly

 

obtained 

for 

th e 

second

 

loading 

condition 

mentioned

 above. hese

 

data

 

were

 obtainec

 

for

 

several

 

geometric ratios

 

jyf^

the 

T-head configuration and

 

compared to the

 

cor- 

responding

 

predicted values. 

It was

 

found that 

the

 

within

 

a

 

certain range of 

the

 

th e error becomes excessive, 

DD 'Jffl 1473 

e

 

could

 

b e

 

utilized,

 

with

 

engineering

 

accuracy, 

pertinent geometry  

ratios.

 

eyond these 

ranges,

 

conservative-'

 

UNCLASSIFIP

 

Security

 

Classic. j'.on

 

Page 27: Stress Concentration Factors in T-Head

7/21/2019 Stress Concentration Factors in T-Head

http://slidepdf.com/reader/full/stress-concentration-factors-in-t-head 27/27

UNCLASSIFIED 

TT

 

Security Classification 

KEY O R O S

 

Experimental mechanics 

Stresses 

Stress concentrations 

Stress intensity 

Expefimental

 stress

 analysis 

Photoelasticity 

LINK 

INSTRUCTIONS 

LINK  LINK 

1.

 

ORIGINATING ACTIVITY: 

Enter

 th e 

am e

 an d address 

of he

 

contractor,

 

ubcontractor,

 

grantee.

 

Department

 

of De-

 

fense 

activity

 or

 

other

 

organization

 (corporate author) issuing

 

the

 

report.

 

2a.

  RE PORT

 SECURITY

 CLASSIFICATION:

  Enter

 

the over- 

all

 

ecurity classification of

 

the

 

report.  Indicate whe t h er 

Restricted Data s

 

ncluded.

 

Marking

 

s

 

be 

n

 

ccord- 

ance

 wi th 

appropriate

 security regulations.

 

2b . 

GROUP  Automat ic

 downgrad ing s 

specified

 in DoD Di- 

rective 5200.10 an d Armed Forces 

Industrial

 

Manua l .

 Enter 

th e 

roup

 

number. 

Also, 

w h e

  applicable,

 how

 h at 

optional, 

markings hsve

 been

 used

 

r

 up 3

 

nd

 

Group

 4 as uthor-

 

ized. 

3. 

EPORT 

T ITLE :  Enter t  complete 

report

 

itle

 

n

 

all

 

capital 

etters.

  Titles n all cases 

hould

 

be

 unclassified. 

If 

meaningful

 title cannot be selected w i t hou t classifica- 

tion, 

how

 itle classification n all capitals n

 

parenthesis 

immediately following 

h e

 itle. 

4.

 

ESCRIPTIVE 

NOTES:

  If

 

appropriate, 

nter

 

the

 

type

 

of

 

report,

 

e.g.,

 

nterim,

 

progress,

 

ummary ,

 

nnua l ,

 

r

 

final.

 

Give 

he

 nclusive dates 

w h e n

 

a

 specific 

report ing

 

period

 is 

covered. 

5 . UTHOR(S ) :  Enter 

th e

 anve(s)

 of authors) as h o w n on  

or

 n 

the 

report.

 

Enter

 

last ame, 

irst

 ame,

 

middle

 

initial. 

If

 

mil itary,

 how 

rank 

nd

 branch

 

of

 

service. 

The am e of 

the 

principal

 uthor s 

n

 

absolute

 min imum 

requirement.

 

6. E PORT DATE 

Enter

 h e date of th e eport as day, 

month ,

 ?ar;

 

month , ear.

  If

 

more

 

than

 

one

 

date

 

appears

 

on 

the

 eport, 

use

 

date of

 

publication. 

la. TOTAL NUMBER

 

OF 

PAGES : 

The total page count 

should 

ollow

 ormal pagination procedures,

 

.e., 

nter

 

the 

number of

 

pages containing 

nformation.

 

7b . 

NUMBER

 

OF

 REFERENCES :  Enter 

the

 

total

 

umber

 of 

references cited n h e report. 

8a.

  CONTRACT 

OR 

GRANT

 

NUMBER :  If 

ppropriate, 

nter 

the 

applicable

 umber

 of

 

the contract r rant nder wh i c h , 

the

 

eport

 was

 

written.

 

8b , c,

 

& 8d .

 

ROJECT

 NUMBER :

 

nter

 

the

 ppropriate 

military

 epartment

 

dentification, uch 

as

 

project

 umber , 

subproject umber , ystem 

umbers ,

 ask umber , tc. 

9a.

  ORIGINATOR'S

 

RE PORT 

NUMBER(S ) :

  Enter 

the

 

offi- 

cial

 eport umbe r b y which th e document 

will

 be 

identified

 

an d

 controlled b y he originating activity.  This 

umber

 mus t 

be 

un ique

 to his eport. 

9b .

 

THER RE PORT 

NUMBER(S ) : 

the

 

eport

 

has

 

been

 

assigned ny

 other

 

report

 umber s

 

(either by

 he

 originator 

ot

 by 

he

 sponsor), also 

enter

 this numbers). 

10 .

  AVAILABILITY /L IMITATION 

NOTICES:

  Enter 

an y

 l im- 

itations 

n

 

urther

 

disst 

minat ion

 

of

 

th e eport, ther 

than

 those 

imposed

 

b y

 

ecurity

 

classification,

 

using

 

tandard

 

tatements

 

such as : 

(1)

 

Qualified

 

requesters .may

 

.obtain

 copies

 

of

 this 

report rom DDC

(2) Foreign nnouncement nd dissemination

 

of

 this

 

report

 b y 

DDC

 

s

 

ot

 authorized.

(3)

 U . . Government agencies 

m ay

 

obtain copies

 of 

this

 eport 

directly 

from

 

DDC.

  Other 

qualified

 

DD C 

users shall

 

request through  

ii 

(4 )

 U.

 .

 il itary 

agencies

 

may

 obtain copies 

of this

 

report directly from 

DDC

 

Other

 qualified 

users

 

shall 

request 

through  

(5)  All distribution of this

 

report is controlled.

 

Qual- 

ified

 DDC

 

users 

hall 

request

 

hrough 

If 

the report has

 

been furnished to

 

the

 Office

 

of

 

Technical 

Services, Department of Commerce , 

or

 

sale

 to 

he public,

 ndi- 

cate this act an d 

enter

 the price,

 f

known . 

1L

 UP P LEMENTARY NOTES: se or 

additional xplana-

 

tory notes. 

12 .

 

PONSORING 

MILITARY 

ACTIVITY:

 

nter

 

th e 

am e 

of 

the epartmental project office

 

or laboratory ponsoring

 (pay

 

ing

 

or)

 the research nd deve lopment . 

Include

 

address.

 

13 . 

BSTRACT:

 

nter n 

abstract

 giving 

brief

 

nd

 

actual

 

summary

 

of

 th e ocument

 

ndicative of

 the 

report,

  en

 hough 

it 

may

 

also 

ppear

 

elsewhere 

h e

 

body

 of the echnical

 

e- 

port.  If 

additional

 space

 

s equired, 

continuation

 sheet 

shall

 be attached. 

I t

 

s highly desirable 

h at

 

h e

 abstract

 

of classified e- 

ports e unclassified.  Each 

paragraph

 

of

 

th e

 

abstract 

hall 

en d

 

wi th

 

n

 

ndication

 

f

 

th e

 

mil itary

 

security

 

classification

 

of

 

th e nformation 

n

 h e 

paragraph,

 

epresented

 

as (TS),

 S) , 

(C), 

or 

(V).

 

There s o imitation 

on

 

th e

 ength 

of the

 abstract. 

How-

 

ever, 

h e uggested ength

 

rom

 

50

 o 

25 

words.

 

14 . KEY WORDS:  Ke y words 

re

 

echnically

 mean ing fu l erms 

or

 hort

 phrases

 

h at characterize

 

eport

 

nd

 

may

 e se d 

as 

index entries 

c-

 cataloging 

h e

 eport.

  Key

 

words

 must be

selected

 

o h at

 

o security 

classification

 

s

 

equired. 

Iden- 

fiers, 

uch

 

as

 quipment

 

mode l designation, rade ame , mil i - 

tary project 

code

 

ame,

 

geographic

 ocation, 

may

 

e

 

used

 as 

k ey words 

ut

 will be 

ollowed

 y n 

ndication

 

of 

technical 

context.  T h e

 

assignment

 f

 inks,

 

ules,

 

nd

 weights

 s

 

optional. 

UNCLASSIFIED 

Security

 

Classification