ON THE IMPROVED AND THE OPTIMUM NOTCH SHAPE

• Main Author: DANIEL DE ALBUQUERQUE SIMOES
• Other Authors: JAIME TUPIASSU PINHO DE CASTRO
• Language: Portuguese
• Published: PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RIO DE JANEIRO 2012
• Online Access: http://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/Busca_etds.php?strSecao=resultado&nrSeq=21361@1; http://www.maxwell.vrac.puc-rio.br/Busca_etds.php?strSecao=resultado&nrSeq=21361@2

PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RIO DE JANEIRO === A maioria dos componentes estruturais possui entalhes ou detalhes geométricos de transição, tais como furos e ombros, que são necessários para montar e/ou para operá-los. Estes entalhes aumentam localmente as tensões nominais que atuariam em sua localização, caso eles não existissem. Efeitos da concentração de tensão são importantes em muitos mecanismos de falha, como por exemplo, na iniciação de trincas por fadiga. No entanto, os tradicionais raios circulares, usados na maioria dos elementos estruturais para aliviar os efeitos da concentração de tensão, não são os mais adequados para minimizá-los. Elementos estruturais naturais, tais como galhos de árvores, depois de milhões de anos de evolução aprenderam a usar raio de curvatura variável em vez do raio constante. Mas apesar deste problema ter sido reconhecido há muito tempo, raios variáveis ainda não são muito usados em projeto mecânico. A prática usual é especificar entalhes com os maiores raios possíveis, uma vez que eles podem ser facilmente fabricados em máquinas-ferramentas tradicionais. Entretanto, entalhes de raios variáveis corretamente especificados podem ter fatores de concentração de tensão muito mais baixos do que aqueles obtidos por raios constantes. Logo, eles podem ser uma boa opção para aumentar a vida à fadiga, sem afetar significativamente as dimensões globais e o peso dos componentes estruturais. Além disso, hoje em dia eles podem ser facilmente fabricados com precisão, devido à disponibilidade de máquinasferramentas CNC. Esta dissertação tem como objetivo quantificar a melhoria da concentração de tensão que pode ser obtidas através de receitas tradicionais de raios variáveis, e apresenta uma rotina numérica desenvolvida em ANSYS APDL para otimizar geometria de entalhes tais como ombro de placas submetidas a tensão ou flexão, placa com furo submetido a um campo biaxial de tensões e corpos de prova de fadiga da ASTM. === Most structural components have notches, or geometric transition details such as holes and corners which are required to assemble and/or to operate them. These notches locally increase the nominal stresses that would act in their location, if they were not there. Stress concentration effects are very important in many failure mechanisms, such as fatigue crack initiation. However, the usual constant radius notch tip roots, used in most structural members to alleviate their stress concentration effects, do not minimize them. In fact, natural structural members, such as tree branches, after many million years of evolution have learned to use variable tip radii instead of the fixed radius typical of engineering notches. This problem has been recognized for a long time, but variable radii notches optimized to minimize their deleterious influence on fatigue strength still are not widely used in mechanical design. The usual practice is to specify notches with as large as possible constant radius roots, since they can be easily fabricated in traditional machine tools. However, notches with properly specified variable radius can have much lower stress concentration factors than those obtainable by fixed notch root radii. Therefore, such improved notches can be a good design option to augment fatigue lives without significantly affecting structural components global dimensions and weight. Moreover, these improved notches are certainly more useful than ever, as nowadays they can be manufactured in many structural components, due to the wide availability of CNC machine tools. This dissertation aims to quantify the stress concentration improvements achievable by traditional variable radii notches receipts, and presents a numerical routine, developed in ANSYS APDL to optimize notch shapes of mechanical components such as shoulders in plates subjected to tension or bending, plates with a hole subjected to a biaxial stress field, and standard ASTM fatigue test specimens.