document26

17
Problem Set [Professor Video ][Professor Note ] [Faculty Video ][Faculty Note ] Knowing that the internal diameter of the hollow shaft shown is d = 0.9 in., determine the maximum shearing stress caused by a torque of magnitude T = 9 kip . in. [Ans: 12.44 ksi] 1. The torques shown are exerted on pulleys A and B. Knowing that each shaft is solid, determine the maximum shearing stress (a) in shaft AB, (b) in shaft BC. [Ans: (a) 56.6 Mpa (b) 36.6 Mpa] 2. The allowable stress is 50 MPa in the brass rod AB and 25 MPa in the aluminum rod BC. Knowing that a torque of magnitude T = 125 N . m is applied at A, determine the required diameter of (a) rod AB, (b) rod BC. [Ans: (a) 50.3mm, (b) 63.4 mm] 3. Strength of Materials/ Unit 7/ Module 1 Torsion I Subject/Unit Name/Module Name http://10.20.3.1:8080/engineering/I_YEAR/EM/M26... 1 of 17 Friday 19 August 2011 10:02 AM

Upload: b-s-praveen-bsp

Post on 12-Jan-2016

13 views

Category:

Documents


0 download

DESCRIPTION

Torsion

TRANSCRIPT

Page 1: Document26

Problem Set [Professor Video][Professor Note] [Faculty Video][Faculty Note]

Knowing that the internal diameter of the hollow shaft shown is d = 0.9 in., determine the

maximum shearing stress caused by a torque of magnitude T = 9 kip . in. [Ans: 12.44 ksi]

1.

The torques shown are exerted on pulleys A and B. Knowing that each shaft is solid,

determine the maximum shearing stress (a) in shaft AB, (b) in shaft BC. [Ans: (a) 56.6 Mpa

(b) 36.6 Mpa]

2.

The allowable stress is 50 MPa in the brass rod AB and 25 MPa in the aluminum rod BC.

Knowing that a torque of magnitude T = 125 N . m is applied at A, determine the required

diameter of (a) rod AB, (b) rod BC. [Ans: (a) 50.3mm, (b) 63.4 mm]

3.

Strength of Materials/ Unit 7/ Module 1 Torsion I

Subject/Unit Name/Module Name http://10.20.3.1:8080/engineering/I_YEAR/EM/M26...

1 of 17 Friday 19 August 2011 10:02 AM

Page 2: Document26

Additional Problems:

The preliminary design of a large shaft connecting a motor to a generator calls for the use of

a hollow shaft with inner and outer diameters of 4 in. and 6 in., respectively. Knowing that

the  allowable   shearing   stress   is   12   ksi,   determine   the  maximum   torque   that   can  be

transmitted (a) by the shaft as designed, (b) by a solid shaft of the same weight, (c) by a

hollow shaft of the same weight and of 8-in. outer diameter. [Ans: (a) 408 kip.in  (b) 211

kip.in (c) 636 kip.in]

1.

(a) Determine the torque that can be applied to a solid shaft of 20-mm diameter without

exceeding an allowable shearing stress of 80 MPa. (b) Solve part (a), assuming that the

solid shaft has been replaced by a hollow shaft of the same cross-sectional area and with

an inner diameter equal to half of its own outer diameter. [Ans: (a) 125.7 N.m (b) 181.4 N.m]

2.

Under normal operating conditions, the electric motor exerts a torque of 2.8 kN . m on shaft

AB. Knowing that each shaft is solid, determine the maximum shearing stress in (a) shaft

AB, (b) shaft BC, (c) shaft CD. [Ans: (a) 81.2 Mpa (b) 64.5 Mpa (c) 23.0 Mpa ]

3.

Subject/Unit Name/Module Name http://10.20.3.1:8080/engineering/I_YEAR/EM/M26...

2 of 17 Friday 19 August 2011 10:02 AM

Page 3: Document26

The solid  rod BC has a  diameter of 30 mm and is made of an aluminum for which the

allowable shearing stress is 25 MPa. Rod AB is hollow and has an outer diameter of 25

mm; it is made of a brass for which the allowable shearing stress is 50 MPa. Determine (a)

the largest inner diameter of rod AB for which the factor of safety is the same for each rod,

(b) the largest torque that can be applied at A.  [Ans: (a) 15.18 mm (b) 132.5 Nm]

4.

Examples:

Shaft BC is hollow with inner and outer diameters of 90 mm and 120 mm, respectively.

Shafts AB and CD are solid and of diameter d. For the loading shown, determine (a) the

maximum and minimum shearing stress in shaft BC, (b) the required diameter  d of

shafts AB and CD if the allowable shearing stress in these shafts is 65 MPa.

1.

Subject/Unit Name/Module Name http://10.20.3.1:8080/engineering/I_YEAR/EM/M26...

3 of 17 Friday 19 August 2011 10:02 AM

Page 4: Document26

Solution:

Equations of Statics. Denoting by TAB

 the torque in shaft AB, we pass a section through

shaft AB and, for the free body shown, we write

∑Mx = 0:                   (6 kN . m) – T

AB = 0               T

AB = 6 kN . m

We now pass a section through shaft BC and, for the free body shown, we have

∑Mx = 0:                   (6 kN . m) + (14 kN . m) – T

BC = 0                T

BC = 20 kN . m

a. Shaft BC.  For this hollow shaft we have

Maximum Shearing Stress. On the outer surface, we have

Minimum Shearing Stress. We write that the stresses are proportional to the distance from

the axis of the shaft.

Subject/Unit Name/Module Name http://10.20.3.1:8080/engineering/I_YEAR/EM/M26...

4 of 17 Friday 19 August 2011 10:02 AM

Page 5: Document26

b. Shafts AB and CD. We note that in both of these shafts the magnitude of the torque is T =

6 kN . m and τall = 65 MPa. Denoting by c the radius of the shafts, we write

c3 = 58.8 X 10-6 m3             c = 38.9 X 10-3 m                                                                                          d = 2c = 2(38.9 mm)                   d = 77.8 mm

Consider a long tube of  20 mm outside diameter, d0, and of 16mm inside diameter, di,

twisted about  its  longitudinal axis  with a  torque  T of  40  N.m. Determine  the  shear

stresses at the outside and the inside of the tube; see Figure.

2.

Solution:

From Eq. 5,

and from Eq. 3,

Similarly from Eq. 4,

Subject/Unit Name/Module Name http://10.20.3.1:8080/engineering/I_YEAR/EM/M26...

5 of 17 Friday 19 August 2011 10:02 AM

Page 6: Document26

In  a  thin-walled  tube, all  of the  material  works at approximately  the  same  stress level.

Therefore, thin-walled tubes are more efficient in transmitting torque than solid shafts. Such

tubes are also useful for creating an essentially uniform "field" of pure shear stress needed

for  stablishing  τ  -  γ  relationships. To  avoid   local  buckling, however, the  wall   thicknesscannot be excessively thin.

A  hollow cylindrical  steel  shaft   is  1.5  m   long and has   inner  and outer  diameters

respectively equal to 40 and 60 mm. (a) What is the largest torque that can be applied

to   the   shaft   if   the   shearing   stress   is   not   to   exceed   120  MPa?   (b)  What   is   the

corresponding minimum value of the shearing stress in the shaft?

3.

Solution:

(a) Largest Permissible Torque. The largest torque T that can be applied to the shaft is

the torque for which τmax

 = 120 MPa. Since this value is less than the yield strength for

steel, we can use Eq. (3) Solving this equation for T, we have

Recalling that the polar moment of inertia J of the cross section is given by Eq. (5),

where c1 = 1/2(40 mm) = 0.02 m and c

2 = 1/2(60 mm) = 0.03 m, we write

Substituting for J and τmax

 into (1), and letting c = c2 = 0.03 m, we have

Subject/Unit Name/Module Name http://10.20.3.1:8080/engineering/I_YEAR/EM/M26...

6 of 17 Friday 19 August 2011 10:02 AM

Page 7: Document26

                                                                                                                           = 4.08 kN . m

(b) Minimum Shearing Stress. The minimum value of the shearing stress occurs on

the inner surface of the shaft, which expresses that τmin 

and τmax

 are respectively

proportional to c1 and c

2:

Faculty Notes

1. Basic Assumptions for Circular Members:

        To establish a relation between the internal torque and the stresses it sets up inmembers with circular solid and tubular cross sections, it is necessary to make twoassumptions,  the  validity  of which  will  be   justified   later.  These,  in  addition  to  thehomogeneity of the material, are as follows:

A  plane  section  of  material  perpendicular   to   the  axis  of  a  circular  memberremains plane after the torques are applied, i.e., no warp-age or distortion ofparallel planes normal to the axis of a member takes place.

1.

In a circular member subjected to torque, shear strains     vary linearly from the

central axis reaching   at the periphery. This assumption is illustrated in Fig.

1 and means that an imaginary plane such as DO1O3C moves to   when

the  torque  is applied. Alternatively, if an  imaginary radius O3C is considered

fixed in direction, similar radii  initially at O2B and O

1D rotate to the respective

new positions   and  . These radii remain straight. It must be emphasizedthat these assumptions hold only for circular solid and tubular members. For thisclass of members, the assumptions work so well that they apply beyond the limitof the elastic behavior of a material.

2.

Subject/Unit Name/Module Name http://10.20.3.1:8080/engineering/I_YEAR/EM/M26...

7 of 17 Friday 19 August 2011 10:02 AM

Page 8: Document26

If attention is confined to the linearly elastic material, Hooke’s law applies, and, itfollows that shear stress is proportional to shear strain. For this case completeagreement  between  experimenta1ly  determined  and  computed  quantities   isfound   with   the   derived   stress   and   deformation   formulas   based   on   theseassumptions.  Moreover   their  validity  can  be  rigorously  demonstrated  by   themethods of mathematical theory of elasticity.

3.

2. The Torsion Formula:

        In the elastic case, on the basis of the previous assumptions, since is stress isproportional   to  strain,  and  the   latter  varies   linearly   from the  center,  stresses  varylinearly from the central  axis of a  circular in  member. The stresses induced by theassumed distortions are  shear stresses and lie  in  the plane parallel  to  the sectiontaken normal to the axis of a rod. Thu variation of the shear stress follows directly fromthe shear-strain assumption and the use of Hooke’s law for shear. This is i1lustrated;in Fig. 2. Unlike the case of an axially loaded rod, this stress is not of uniform intensity.The maximum shear stress occurs at points most remote from the center O and is

designated  . These points, such as points C and D in Figs. 1 and 2, lie at theperiphery of a section at a distance c from the center. For linear shear stress variation,

at any  arbitrary  point  at  a  distance  ρ   from O,  the  shear  stress   is  (ρ/C) .  Theresisting torque can be expressed in  terms of stress once the stress distribution atsection  is established. For equilibrium this internal  resisting  torque must equal  theexternally applied torque T. Hence,

where the integral sums up all torques developed on the cut by the infinitesimal forcesacting at a distance ρ from a member’s axis, O in Fig. 2, over the whole area A of the

cross section, and where T is the resisting torque.At any given section,   and C areconstant; hence, the previous relation can be written as

Subject/Unit Name/Module Name http://10.20.3.1:8080/engineering/I_YEAR/EM/M26...

8 of 17 Friday 19 August 2011 10:02 AM

Page 9: Document26

                                                                 (1)

However, ,   the  polar  moment of   inertia  of  a  cross-sectional  area,  is  also  a

constant for a particular cross-sectional area. It will be designated by J in this text. For

a circularsection, dA = 2πρ dρ, where 2πρ is the circumference of an annulus with a

radius ρ of width dρ. Hence,

or pascals (Pa) in SI units, or

or psi in the U.S. customary units.

A more general relation than Eq. 3 for a shear stress,  , at any point a distance ρ fromthe center of a section is

                                                                   (4)

Equations 3 and 4 are applicable with equal rigor to circular tubes, since thesame assumptions as used in the previous derivation apply. It is necessary, however,

                  

i.e.,                                                              (2)

where d is the diameter of a solid circular shaft. If c or d is measured in millimeters, J

has the units of mm; if in inches, the units become in4. 

By using the symbol J for the polar moment of inertia of a circular area, Eq. 1 may bewritten more compactly as

                             (3)       

This equation is the well-known torsion formula for circular shafts that expresses themaximum shear  stress   in   terms  of   the   resisting   torque  and   the  dimensions  of  amember. In applying this formula, the internal torque T can be expressed in newton-

meters, Nm, or inch-pounds, c in meters or inches, and J in m4 or in in

4. Such usage

makes the units of the torsional shear stree

Subject/Unit Name/Module Name http://10.20.3.1:8080/engineering/I_YEAR/EM/M26...

9 of 17 Friday 19 August 2011 10:02 AM

Page 10: Document26

to modify J. For a tube, as may be seen from Fig. 3, the limits of integration for Eq. 2extend from b to c. Hence, for a circular tube,

or stated otherwise: J for a circular tube equals +J for a solid shaft using the outerdiameter and –J for a solid shaft using the inner diameter.

For very thin  tubes, if b  is nearly equal  to c, and c-b=t, the thickness of the tube, Jreduces to a simple approximate expression.

    

                        (5) 

                                                                                (6)where R

av =(b+c)/2, which is sufficiently accurate in some applications.

Subject/Unit Name/Module Name http://10.20.3.1:8080/engineering/I_YEAR/EM/M26...

10 of 17 Friday 19 August 2011 10:02 AM

Page 11: Document26

3 Remarks on the Torsion formula

        So far the shear stresses as given by Eqs. 3 and 4 have been thought of as actingonly in the plane of a cut perpendicular to the axis of the shaft. There indeed they areacting   to   form   a   couple   resisting   the

        If a circular bar is made from two different materials bonded together, as shown inFig. 4(a), the same strain assumption applies as for a solid member. For such a case,through Hooke’s law, the shear-stress distribution becomes as in Fig. 4(b). If the shearmodulus for the outer stiffer tube is G

1 and that of the inner softer core is G

2, the ratio

of the respective shear stresses on a ring of radius OB is G1/G

2.

Procedure Summary

    For the torsion problem of circular shafts the three basic concepts of engineeringmechanics of solids as used above may be summarized in the following manner:

1. Equilibrium conditions are used for determining the internal resisting torques at asection.2. Geometry of deformation (kinematics) is postulated such that shear strain  varieslinearly from the axis of a shaft.3. Material properties (constitutive relations) are used to relate shear strains to shearstresses and permit calculation of shear stresses at a section.

        These basic concepts are used for determining both stresses and angles-of-twistof circular shafts. However, similar to the case for axially loaded bars, large localstresses arise at points of application of concentrated torques or changes in crosssection. According to Saint-Venant’s principle the stresses and strains are accuratelydescribed by the developed theory only beyond a distance about equal to thediameter of a shaft from these locations. Typically local stresses are determined byusing stress concentration factors.

Subject/Unit Name/Module Name http://10.20.3.1:8080/engineering/I_YEAR/EM/M26...

11 of 17 Friday 19 August 2011 10:02 AM

Page 12: Document26

externally   applied   torques.   However,   tounderstand   the   problem   further,   aninfinitesimal  cylindrical  element, shown  inFig. 5(b), is isolated.

            The   shear   stresses   acting   in   theplanes perpendicular to axis of the rod areknown from Eq. 4. Their directions coincidewith   the   direction   of   the   internal   torque.(This  should  be  clearly  visualized  by  thereader.)  On adjoining parallel  planes of adisc-like   element,   these   stresses   act   inopposite directions. However, these shearstresses   acting   in   the   plane   of   the   cutstaken  normal  to  the  axis  of a  rod  cannotexist   alone.   Numerically,   equal   shearstresses must act on the axial planes (suchas the planes aef and bcg in Fig. 5(b)) tofulfill  the requirements of static equilibriumfor an element.

            Shear   stresses   acting   in   the   axialplanes   follow   the   same   variation   inintensity  as  do   the  shear  stresses   in   theplanes perpendicular to the axis of the rod.This   variation   of   shear   stresses   on   themutually perpendicular planes is shown inFig.  5,  where  a  portion  of   the  shaft  hasbeen removed for the purposes of illustration.

         Shear stresses can be transformed into an equivalent system of normal stressesacting at angles of 45 degree with the shear stresses. Numerically, these stresses arerelated to each other in the following manner: τ = σ1 = -σ2. Therefore, if the shearstrength of a material is less than its strength in tension, a shear failure takes place ona  plane  perpendicular  to  the  axis of a  bar; see  Fig. 6. This kind  of failure  occursgradually and exhibits ductile behavior.

Subject/Unit Name/Module Name http://10.20.3.1:8080/engineering/I_YEAR/EM/M26...

12 of 17 Friday 19 August 2011 10:02 AM

Page 13: Document26

        Alternatively, if the converse is true,i.e. , σ1 < τ, a brittle fracture is causedby   the   tensile   stresses   along   a   helixformatting  an  angle  of 45  degree  withthe bar axis; see Fig. 6. A photograph ofa ductile fracture of a steel specimen isshown   in   fig.   7,   and   that   of   a   brittlefracture   for  cast   iron   in  Fig.8.  Anotherexamples   of   a   brittle   fracture   forsandstone is shown in Fig. 9.

         The  stress   transformation  broughtinto   the   previous   discussion,   since   itdoes not depend on material properties,is   also   applicable   to   anisotropicmaterials.  For  example,  wood  exhibitsdrastically   different   properties   ofstrength   in   different   directions.   Theshearing strength of wood on planes parallel to the grain is much less than on planesperpendicular to the grain. Hence, although equal intensities of shear stress exist onmutually perpendicular planes, wooden shafts of inadequate size fail  longitudinallyalong axial planes. Such shafts are occasionally used in the process industries.

Professor Note:

Torision:Torisional stress

Torsional stress is a shear stress

Earlier we studied

Subject/Unit Name/Module Name http://10.20.3.1:8080/engineering/I_YEAR/EM/M26...

13 of 17 Friday 19 August 2011 10:02 AM

Page 14: Document26

1) Shear strain =    

      Shear strain = 

2) Element in a state of simple shearFor equilibrium of rectangle couple q about AD is always accompained by the couple

q1 about AB such that

    

for equilibrium of ABCD couples   or shear

stress q=q1 

Principal of complementary shear stress in a state of simple shear planes of shear

stress DD1AA1 perpendicular to plane ABB1A1  

Pure torsion of cylindrical shafts / bars:

Any element in pure torsion has shear stress on perpendicular faces by the

complementary shear principal.

A shaft in torsion twists as an effect of torsion:

Displacement of twist BC,

Subject/Unit Name/Module Name http://10.20.3.1:8080/engineering/I_YEAR/EM/M26...

14 of 17 Friday 19 August 2011 10:02 AM

Page 15: Document26

Section change:

At a radius r< R, shear stress q<fs  

Shear stress is max at R zero at centre

Torsional Moment of resistance :

Subject/Unit Name/Module Name http://10.20.3.1:8080/engineering/I_YEAR/EM/M26...

15 of 17 Friday 19 August 2011 10:02 AM

Page 16: Document26

For a material strength fs is fixed a C.S of shaft having heigher Z

p (polar modulus) has

higher torsion with standing capacity.

CIp is for torsional shaft similar to EI for beam in bending CI

p is called torsional rigidity.

CIp is the torque required to twist 1 radian per unit length of shaft.

Section change:

Power transmitted by shaft

shaft rotating at N r p m. P is the shaft power transmitted in kilowatts causing a mean

torque of T, Nm, on shaft

Subject/Unit Name/Module Name http://10.20.3.1:8080/engineering/I_YEAR/EM/M26...

16 of 17 Friday 19 August 2011 10:02 AM

Page 17: Document26

[Start Professor Note] [Start Faculty Note] [Top]

                    Queries, Comments and Complements can be mailed on :

[email protected]                     

Subject/Unit Name/Module Name http://10.20.3.1:8080/engineering/I_YEAR/EM/M26...

17 of 17 Friday 19 August 2011 10:02 AM