Formel für Plattendurchbiegung ?

Hallo Mechanikexperten,

ich bin auf der Suche nach einer Formel, mit der man die Durchbiegung von runden oder 4-eckigen Platten unter Beaufschlagung einer Punkt bzw. Flächenlast berechnen kann.

In meinem speziellen Fall soll die Durchbiegung einer runden Aluminiumplatte mit einer Dicke von 20mm und einm Durchmesser von 580mm sehr genau brechnet werden. Die Platte wird zentrisch durch eine Punktlast von ca. 150N belastet und ist am aussersten Rand auf 3 Punkten (Kugeln) gelagert.

Hat jemand in technischer Mechanik besser als ich aufgepasst?

Vieln Dank im Voraus,

Michael.

Hi Michael,

für eine allseitig gelenkig gelagerte Kreisplatte liefert [1] für den Fall, daß die Kraft mittig angreift, für die maximale Durchbiegung in der Mitte der Platte:

w = -F*r^2/(16*Pi*D).

Die Plattensteifigkeit D errechnet sich aus

D=E*t^3/(12*(1-nue^2)).

Für Wald-und-Wiesen-Aluminium (E=70 * 10^9 N/m^2, nue = 0.3) und 20 mm Plattendicke erhälst Du

D=51282 Nm.

Damit ergibt sich die maximale Durchbiegung zu:

w = - 150N * (0.29m)^2/(16*Pi*51282Nm)=-4.84*10^(-6), also 4.84 Mikrometer!

Die Durchbiegung wird bei der Lagerung auf 3 Stützen sicherlich etwas größer sein, aber immer noch im Bereich von garnichts liegen. Für eine genauere Bestimmung wirst Du dann um eine numerische Berechnung, z.B. mit der Methode der Finiten Elemente, nicht herumkommen. Bist Du sicher, daß Du Dich bei den Größen nicht verhauen hast?

Gruß und ein schönes Wochenende
Ted

[1] Roack, R.J., Young, W.C.,
Formulas for Stress and Strain,
Fifth Edition, McGraw-Hill,
Tokyo, 1975

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Hi Ted,
Entweder bist Du in die falsche Zeile gerutscht,
oder dem japanischen Tabellenwerk liegen
vereinfachende Annahmen zugrunde, denn
[2] gibt für die am Rand gelenkig gelagerte Kreisplatte
mit Einzellast in der Mitte für die maximale Durchbiegung

wmax = (3+nue)*F*r^2/((1+nue)*16*Pi*D)

an, was eine kurze ANSYS-Rechnung bestätigt.
Dein Ergebnis muß also um den Faktor 3.3/1.3 =~ 2.54
korrigiert werden ! Also: wmax =~ -1.25*10^(-5)m,
für F=-0.15 kN.

Für die punktförmig gestützte Platte errechnet ANSYS
eine Durchbiegung von etwa -1.65*10^(-5)m.

Zugegeben, eine Formel für die punktf. gest. Platte
mit Einzellast in der Mitte
habe ich auch nicht gefunden und eine allgemeine
Herleitung dürfte mehrere Bleistifte verbrauchen.

Gruß
Wobbel

[2] Girkmann, K.,
Flächentragwerke,
Einführung in die Elastostatik der Scheiben, […]
6. Auflage,
Springer-Verlag, Nachdruck 1978

[Bei dieser Antwort wurde das Vollzitat nachträglich automatisiert entfernt]

Whoops …
Hi Wobbel,

da kann ich bis Montag leider nichts zu meiner Rechtfertigung beibringen, da ich das Buch im Büro habe. :wink:

Es kann aber an den Randbedingungen liegen, bei Rechteckplatten habe ich mir da schon einen Wolf gerechnet. Im Angelsächsischen wird häufig unterschieden nach „simply supported“ und „soft simply supported“, im Deutschen entsprechend nach „gelenkig gelagert“ und „einfach gestützt“. Hast Du die Rotation um den äußeren Normalenvektor des Randes zugelassen oder gesperrt?

Oh weh, ich sehe schon, das wird wahrscheinlich wieder eine ewige Diskussion geben … :wink:

Gruß
Ted

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Hi Ted,

ich könnte mir vorstellen, daß in diesem speziellen Sinne
das englische „supported“ als „eingespannt“
zu verstehen ist, etwa in Analogie zu
„Einspannbewehrung“ und „support reinforcement“.
Es könnte in [2] vorausgesetzt werden, daß ein Stützung
senkrecht zur Plattenebene immer vorhanden ist,
da eine Einspannung ohne Stützung praktisch
nicht denkbar ist.
Da ich [1] jedoch nicht kenne, kann ich das
nicht mit Sicherheit sagen. Aber ich habe eine weitere
FEM-Berechnung mit eingespannten Rändern durchgeführt
und komme in guter Näherung auf Deinen Wert:
wmax =~ -4.92*10^(-6)m

Scheint also doch die falsche Zeile zu sein.

Ansonsten verstehe ich nicht, welche Verdrehung worum Du meinst
und wo der Unterschied zwischen „einfach gestützt“ und
„gelenkig gelagert“ besteht. Denn „einfach gestützt“ bedeutet
doch, daß die Verdrehung ungleich Null ist, und nicht anderes
sagt „gelenkig gelagert“ aus. Bei unserem Problem sind
definitiv alle Verdrehungen frei.

„Soft […]“ dürfte wohl „elastisch“ gelagert/eingespannt heißen.

Insgesamt muß ich aber zugeben, daß ich mit technischem
Englisch auch so meinen Kampf fechte.

Gruß
Wobbel

Hi Wobbel,

da kann ich bis Montag leider nichts zu
meiner Rechtfertigung beibringen, da ich
das Buch im Büro habe. :wink:

Es kann aber an den Randbedingungen
liegen, bei Rechteckplatten habe ich mir
da schon einen Wolf gerechnet. Im
Angelsächsischen wird häufig
unterschieden nach „simply supported“ und
„soft simply supported“, im Deutschen
entsprechend nach „gelenkig gelagert“ und
„einfach gestützt“. Hast Du die Rotation
um den äußeren Normalenvektor des Randes
zugelassen oder gesperrt?

Oh weh, ich sehe schon, das wird
wahrscheinlich wieder eine ewige
Diskussion geben … :wink:

Gruß
Ted

hi michael!
hört sich irgendwie nach ner fiesen studienarbeit an!
hmpf, die durchbiegung ist nicht das problem (schieben-plättchen-theorie[dubbel]) aber die drei kugeln sind gemein!
die kugeln sind in ihren angriffspunkt nach der herzten theorie mit einer flächenpressung gegen unendlich belastet…*denk…* aber wie rechnet man das…!!!

gut, zumindest hab ich ne neue diskussionsgrundlage geschaffen!
also, dennoch viel glück…
melf

Ansonsten verstehe ich nicht, welche
Verdrehung worum Du meinst
und wo der Unterschied zwischen „einfach
gestützt“ und
„gelenkig gelagert“ besteht. Denn
„einfach gestützt“ bedeutet
doch, daß die Verdrehung ungleich Null
ist, und nicht anderes
sagt „gelenkig gelagert“ aus. Bei unserem
Problem sind
definitiv alle Verdrehungen frei.

Hi again!

Also, ich versuche mal, das an einer rechteckigen Platte zu verdeutlichen, welche eine achsenparallele Berandung habe und in der Ebene z=0 liegen möge. Die Verschiebungen in Richtung x,y,z, sind mit u,v,w bezeichnet, rot_x, rot_y und rot_z seien die Verdrehungen um die entsprechenden Achsen.

In einem Punkt sei die Starrkörperbewegung verhindert, so daß die statische Bestimmtheit gewährleistet ist. Hierauf werde ich nicht weiter eingehen. Ebenso auf rot_z und das damit verbundene Drillproblem bei finiten Elementen, da hier der Solver üblicherweise für Abhilfe sorgt.

Gesperrte Freiheitsgrade:

Einfach gestützt (soft simply supportet):
Für alle Ränder w

Gelenkig gelagert (simply supportet):
Für alle Ränder w
Für die der x-Achse parallelen Ränder rot_y
Für die der y-Achse parallelen Ränder rot_x

Ein bildlicher Vergleich wäre eine Tür mit einem durchgehenden Scharnier. Wenn Du auf der Seite mit der Klinke die Ecken hochziehst, dann biegt sich die Tür aus der Zarge (einfach gestützt), auf der Seite mit dem Scharnier nicht (gelenkig gelagert).

Der Unterschied dürfte allerdings nicht so groß sein, daß er die Abweichung klärt.

Gruß und noch einen schönen Sonntag
Ted

Hi Melf,

das von Dir angesprochene Problem könnte man ja umgehen, wenn man Kugelkappen mit dem entsprechenden Radius aus der Aluplatte herausfräst, da dann die Auflagefläche größer als Null und damit die Flächenpressung endlich wird.

Gruß
Ted

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Hi Michael

Der von dir beschriebene Aufbau entspricht exakt dem sogenannten 4-Kugelversuch (bei der kreisförmigen Platte), das ist eine Abwandlung des Doppelringversuches zur Festigkeitsprüfung von (spröden) Werkstoffen. Habe mich damit im Rahmen meiner Diplomarbeit beschäftigt und auch numerische Simulationen (ANSYS) durchgeführt. Im Falle der Punktlast komme ich für eine Last von 150 N bei einem E-Modul von 70 GPa und einem nue von 0,3 auf eine Durchbiegung von 0,171*10-1 mm.
Die analytische Formeln für die Durchbiegung gelten soviel ich weiss meist nur für sehr dünne Platten.

Andi

Die Durchbiegungsoll natürlich 0,171*10^-1 mm sein…

Andi

Mea culpa - Shame on me :wink:
Hi nochmal, Wobbel,

ich habe jetzt endlich mal die Zeit gefunden, noch einmal in das Buch zu sehen. Ich bin tatsächlich in die falsche Zeile (fest eingespannt) gerutscht. Bei der gelenkigen Einspannung findet sich genau die von Dir gegebene Lösung.

Merke: Das beste Tabellenbuch taugt nur soviel, wie der, der es liest! :wink:

Gruß
Ted

[Bei dieser Antwort wurde das Vollzitat nachträglich automatisiert entfernt]