Doblado de una placa circular sujeta por los bordes bajo la acción de una presión transversal. La mitad izquierda de la placa muestra la forma deformada, mientras que la mitad derecha muestra la forma no deformada. Este cálculo se realizó utilizando Ansys .
La flexión de placas , o flexión de placas , se refiere a la deflexión de una placa perpendicular al plano de la placa bajo la acción de fuerzas y momentos externos . La cantidad de deflexión se puede determinar resolviendo las ecuaciones diferenciales de una teoría de placas apropiada . Las tensiones en la placa se pueden calcular a partir de estas deflexiones. Una vez que se conocen las tensiones, se pueden utilizar teorías de falla para determinar si una placa fallará bajo una carga determinada.
Curvado de placas Kirchhoff-Love
Fuerzas y momentos sobre una placa plana.
Definiciones
Para una placa rectangular delgada de espesor , módulo de Young y relación de Poisson , podemos definir parámetros en términos de la deflexión de la placa .
Esta ecuación fue deducida por primera vez por Lagrange en diciembre de 1811 al corregir el trabajo de Germain, quien proporcionó la base de la teoría.
La flexión de placas circulares se puede examinar resolviendo la ecuación gobernante con condiciones de contorno apropiadas. Poisson encontró por primera vez estas soluciones en 1829. Las coordenadas cilíndricas son convenientes para este tipo de problemas. Aquí está la distancia de un punto al plano medio de la placa.
La ecuación gobernante en forma libre de coordenadas es
En coordenadas cilíndricas ,
Para placas circulares cargadas simétricamente, y tenemos
Por lo tanto, la ecuación gobernante es
Si y son constantes, la integración directa de la ecuación gobernante nos da
donde están las constantes. La pendiente de la superficie de deflexión es
Para una placa circular, el requisito de que la deflexión y la pendiente de la deflexión sean finitas en implica que . Sin embargo, no es necesario que sea igual a 0, ya que el límite de existe cuando te acercas por la derecha.
Bordes sujetos
Para una placa circular con bordes sujetos, tenemos y en el borde de la placa (radio ). Usando estas condiciones de frontera obtenemos
Los desplazamientos en el plano de la placa son
Las deformaciones en el plano de la placa son
Las tensiones en el plano en la placa son
Para una placa de espesor , la rigidez a la flexión es y tenemos
Los momentos resultantes (momentos flectores) son
La tensión radial máxima es en y :
dónde . Los momentos flectores en el límite y en el centro de la placa son
Platos rectangulares Kirchhoff-Love
Flexión de una placa rectangular bajo la acción de una fuerza distribuida por unidad de área.
Para placas rectangulares, Navier introdujo en 1820 un método simple para encontrar el desplazamiento y la tensión cuando una placa simplemente se apoya. La idea era expresar la carga aplicada en términos de componentes de Fourier, encontrar la solución para una carga sinusoidal (un único componente de Fourier) y luego superponer los componentes de Fourier para obtener la solución para una carga arbitraria.
Carga sinusoidal
Supongamos que la carga es de la forma
Aquí está la amplitud, es el ancho de la placa en la dirección y es el ancho de la placa en la dirección.
Dado que la placa está simplemente apoyada, el desplazamiento a lo largo de los bordes de la placa es cero, el momento flector es cero en y y es cero en y .
Si aplicamos estas condiciones de contorno y resolvemos la ecuación de placas, obtenemos la solución
Donde D es la rigidez a la flexión.
Análogo a la rigidez a la flexión EI. [3] Podemos calcular las tensiones y deformaciones en la placa una vez que conocemos el desplazamiento.
Para una carga más general del formulario
donde y son números enteros, obtenemos la solución
solución Navier
Ecuación de serie trigonométrica doble
Definimos una carga general de la siguiente forma
donde es un coeficiente de Fourier dado por
.
La ecuación clásica de placa rectangular para deflexiones pequeñas queda así:
Placa simplemente apoyada con carga general
Suponemos una solución de la siguiente forma
Las diferenciales parciales de esta función están dadas por
Sustituyendo estas expresiones en la ecuación de la placa, tenemos
Igualando las dos expresiones tenemos
que se puede reorganizar para dar
La deflexión de una placa simplemente apoyada (de origen en esquina) con carga general está dada por
Placa simplemente apoyada con carga uniformemente distribuida
Desplazamiento y tensiones a lo largo de una placa rectangular con mm, mm, mm, GPa y bajo carga kPa. La línea roja representa la parte inferior del plato, la línea verde el medio y la línea azul la parte superior del plato.
Para una carga distribuida uniformemente, tenemos
El coeficiente de Fourier correspondiente viene dado por
.
Evaluando la integral doble, tenemos
,
o alternativamente en un formato por partes , tenemos
La deflexión de una placa simplemente apoyada (de origen en esquina) con carga uniformemente distribuida está dada por
Los momentos flectores por unidad de longitud en la placa están dados por
solución de Levy
Lévy [4] propuso otro enfoque en 1899. En este caso comenzamos con una forma asumida del desplazamiento e intentamos ajustar los parámetros de modo que se satisfagan la ecuación gobernante y las condiciones de contorno. El objetivo es encontrar tal que satisfaga las condiciones de contorno en y y, por supuesto, la ecuación gobernante .
Supongamos que
Para una placa que está simplemente apoyada a lo largo de y , las condiciones de contorno son y . Tenga en cuenta que no hay variación en el desplazamiento a lo largo de estos bordes, lo que significa que y , por lo tanto, reduce la condición de límite de momento a una expresión equivalente .
Momentos a lo largo de los bordes
Considere el caso de carga de momento puro. En ese caso y tiene que satisfacer . Dado que estamos trabajando en coordenadas cartesianas rectangulares, la ecuación gobernante se puede expandir como
Reemplazar la expresión for en la ecuación gobernante nos da
o
Esta es una ecuación diferencial ordinaria que tiene la solución general.
donde son constantes que se pueden determinar a partir de las condiciones de contorno. Por lo tanto, la solución de desplazamiento tiene la forma
Elijamos el sistema de coordenadas tal que los límites de la placa estén en y (igual que antes) y en (y no y ). Entonces las condiciones de contorno de momento en los límites son
donde se conocen funciones. La solución se puede encontrar aplicando estas condiciones de contorno. Podemos demostrar que para el caso simétrico donde
y
tenemos
dónde
De manera similar, para el caso antisimétrico donde
tenemos
Podemos superponer las soluciones simétricas y antisimétricas para obtener soluciones más generales.
Placa simplemente apoyada con carga uniformemente distribuida
Para una carga distribuida uniformemente, tenemos
La deflexión de una placa simplemente apoyada con centro con carga uniformemente distribuida está dada por
Los momentos flectores por unidad de longitud en la placa están dados por
Carga de momento uniforme y simétrica.
Para el caso especial donde la carga es simétrica y el momento es uniforme, tenemos en ,
Desplazamiento y tensiones para una placa rectangular bajo momento de flexión uniforme a lo largo de los bordes y . La tensión de flexión se produce a lo largo de la superficie inferior de la placa. El esfuerzo cortante transversal se produce a lo largo de la superficie media de la placa.
El desplazamiento resultante es
dónde
Los momentos flectores y fuerzas cortantes correspondientes al desplazamiento son
Las tensiones son
Doblado de placas cilíndricas
La flexión cilíndrica ocurre cuando una placa rectangular que tiene dimensiones , donde y el espesor es pequeño, se somete a una carga distribuida uniformemente perpendicular al plano de la placa. Una placa de este tipo adopta la forma de la superficie de un cilindro.
Placa simplemente apoyada con extremos fijos axialmente
Para una placa simplemente apoyada bajo flexión cilíndrica con bordes que pueden girar libremente pero que tienen una forma fija . Las soluciones de flexión cilíndrica se pueden encontrar utilizando las técnicas de Navier y Levy.
Doblado de placas Mindlin gruesas
Para placas gruesas, tenemos que considerar el efecto de los cortes a través del espesor sobre la orientación de la superficie normal a la mitad después de la deformación. La teoría de Raymond D. Mindlin proporciona un método para encontrar la deformación y las tensiones en dichas placas. Las soluciones a la teoría de Mindlin pueden derivarse de las soluciones equivalentes de Kirchhoff-Love utilizando relaciones canónicas. [5]
Ecuaciones gubernamentales
La ecuación rectora canónica para placas gruesas isotrópicas se puede expresar como [5]
donde es la carga transversal aplicada, es el módulo de corte,
es la rigidez a la flexión, es el espesor de la placa, es el factor de corrección de corte, es el módulo de Young, es la relación de Poisson y
En la teoría de Mindlin, es el desplazamiento transversal de la superficie media de la placa y las cantidades y son las rotaciones de la superficie media normales respecto de los ejes y , respectivamente. Los parámetros canónicos para esta teoría son y . El factor de corrección de corte suele tener el valor .
Las soluciones de las ecuaciones gobernantes se pueden encontrar si se conocen las soluciones correspondientes de Kirchhoff-Love utilizando las relaciones
donde es el desplazamiento predicho para una placa de Kirchhoff-Love, es una función biarmónica tal que , es una función que satisface la ecuación de Laplace, y
Placas rectangulares simplemente apoyadas
Para placas simplemente apoyadas, la suma de momentos de Marcus desaparece, es decir,
Que es casi la ecuación de Laplace para w[ref 6]. En ese caso las funciones , , desaparecen y la solución de Mindlin se relaciona con la correspondiente solución de Kirchhoff por
Doblado de placas voladizas de Reissner-Stein
La teoría de Reissner-Stein para placas en voladizo [6] conduce a las siguientes ecuaciones diferenciales ordinarias acopladas para una placa en voladizo con carga terminal concentrada en .
y las condiciones de contorno en son
La solución de este sistema de dos EDO da
dónde . Los momentos flectores y fuerzas cortantes correspondientes al desplazamiento son
Las tensiones son
Si la carga aplicada en el borde es constante, recuperamos las soluciones para una viga bajo una carga terminal concentrada. Si la carga aplicada es una función lineal de , entonces
^ ab Lim, GT y Reddy, JN, 2003, Sobre relaciones de flexión canónicas para placas , Revista Internacional de Sólidos y Estructuras, vol. 40, págs. 3039-3067.
^ E. Reissner y M. Stein. Torsión y flexión transversal de placas en voladizo. Nota técnica 2369, Comité Asesor Nacional de Aeronáutica, Washington, 1951.