Ga je een product ontwerpen of optimaliseren, dan gaat het niet alleen om de functionaliteit of om de presentatie. Een sterke constructie is minstens zo belangrijk. Daarvoor moet je de doorbuiging berekenen. In dit artikel leggen we uit hoe je dat slim aanpakt.
Wat is doorbuiging precies?
Het woord ‘doorbuiging’ geeft direct een aardige indicatie van de betekenis. Doorbuiging heeft betrekking op de mate waarin een balk, plaat of buis ‘beweegt’ onder belasting. Buigt een product te ver door, dan is het risico groot dat het product instabiel wordt en niet goed functioneert, met mogelijk zelfs schade tot het gevolg. Dit kan dan voorkomen tijdens het gebruik, maar ook al tijdens de fabricage.
Denk aan een brug die letterlijk doorzakt of machineonderdelen die zo hard trillen dat dit ten koste gaat van de werking. Om dat te voorkomen moet je vooraf de doorbuiging berekenen.
Waarom is het belangrijk om de doorbuiging te berekenen?
Werk je met metalen onderdelen en/of plaatwerk, dan is het belangrijk om robuuste producten te maken. Je moet erop kunnen vertrouwen dat ze doen waarvoor ze ontworpen zijn, ook op lange termijn. De doorbuiging berekenen speelt daarin een belangrijke rol, om meerdere redenen:
- Structurele integriteit
Producten moeten sterk en betrouwbaar zijn. Doorbuiging mag niet leiden tot metaalmoeheid of zelfs het compleet falen van een onderdeel, met alle risico’s van dien. Denk bijvoorbeeld aan een metalen brugplaat in een machine: die moet stevig genoeg zijn om de belasting te kunnen dragen. Tip! Met een FEM-analyse kun je uitstekend voorspellen hoe een ontwerp zich gedraagt onder belasting. Dat helpt om zwakke punten in het ontwerp te identificeren.
- Functionele prestaties
Soms is het van cruciaal belang dat een onderdeel binnen strikte toleranties blijft. Denk bijvoorbeeld aan een metalen afdichtingsklep voor een pomp: als die niet goed werkt, ontstaat er lekkage en valt de druk weg. De doorbuiging berekenen dient dan ook heel nauwkeurig te gebeuren.
- Voorkomen van schade
Doorbuiging kan tot schade leiden. Neem bijvoorbeeld de metalen behuizing van een elektrisch apparaat, of van een machine met draaiende onderdelen: als de behuizing daarvan doorbuigt, kan dat zomaar tot kortsluiting en/of andere schade leiden.
- Efficiënter en goedkoper ontwerpen
De doorbuiging berekenen behoort tot het standaardarsenaal van de moderne ingenieur. Dat helpt namelijk om materiaal te besparen en toch een sterk product te maken dat qua functionaliteit aan de eisen voldoet. Dit wordt ook wel topologie-optimalisatie genoemd. Zo kun je bijvoorbeeld uitrekenen hoe je een metalen beugel lichter maakt, zonder dat deze zwakker wordt.
Welke factoren beïnvloeden de doorbuiging?
De mate van doorbuiging hangt af van verschillende factoren:
- Manier van belasting. De hoeveelheid kracht en de manier waarop deze wordt toegepast, hebben grote invloed op de doorbuiging. Als de belasting gelijkmatig is verdeeld, leidt dit tot minder doorbuiging, dan wanneer alle kracht op één punt wordt uitgeoefend. Ook de richting van de belasting – drukken, trekken of buigen – speelt een rol.
- Eigenschappen van het materiaal. Het type metaal bepaalt hoe sterk een onderdeel is. Hardere en stijvere materialen, zoals staal, buigen minder door dan zachtere of flexibelere metalen, zoals aluminium. En dikkere platen buigen minder snel dan dunnere, wat natuurlijk logisch is.
- Lengte en ondersteuning. Hoe langer een onderdeel is, hoe makkelijker het doorbuigt. Om dat te voorkomen worden kwetsbare punten ondersteund. Een onderdeel dat op meerdere punten is vastgezet, blijft stijver dan een onderdeel dat alleen aan de uiteinden is gemonteerd.
Maximale doorbuiging berekenen?
Er zijn verschillende manieren om de maximale doorbuiging te berekenen. Welke methode het meest geschikt is, hangt af van de complexiteit van de situatie. Online vind je tal van wiskundige formules die je kunt gebruiken, maar let op: dan moet je wel een diepgaand begrip hebben van mechatronica en materiaaleigenschappen. Bovendien is dit arbeidsintensief en kan een fout aanzienlijke consequenties hebben.
Het kan (veel) makkelijker, namelijk met simulatiesoftware. Een krachtig programma, zoals Ansys Discovery is in staat om nauwkeurig de doorbuiging te berekenen. Spelen temperatuurverschillen een rol? Ansys Discovery biedt ook de mogelijkheid om een thermische analyse uit te voeren. Zo bespaar je tijd en blijft het ontwerp binnen veilige marges!
Doorbuiging balk berekenen
De doorbuiging van een balk hangt af van de belasting, het materiaal, de lengte en de ondersteuning. Bij eenvoudige situaties kun je dit berekenen met een standaardformule. Gebruik de volgende formule voor een balk die aan beide wordt ondersteund en waarbij de belasting gelijkmatig verdeeld is:
Δ = 5wL4 / 384EI
δ = maximale doorbuiging, w = belasting per meter, L = lengte van de balk, E = elasticiteitsmodulus van het materiaal, I = traagheidsmoment van de doorsnede
Is de situatie complex, bijvoorbeeld door variatie in belasting of ondersteuning? Kies dan ervoor om een sterkteberekening programma te gebruiken. Dan weet je zeker dat je een nauwkeurige analyse krijgt.
Doorbuiging plaat berekenen
Ga je de doorbuiging van een plaat berekenen? Ook dan kijk je naar de dikte, het materiaal, de ondersteuning en de belasting. Goed om te weten: een dunne plaat buigt sneller door dan een dikke, en een plaat die aan alle randen vastzit, is stijver dan een plaat met minder steunpunten.
Gaat het om een dunne, vierkante plaat met een gelijkmatige belasting en ondersteuning aan alle randen, gebruik dan deze formule: 𝛿 = 𝑞𝐿4 / 𝐷
Let op: dit is een vrij eenvoudige formule die slechts gebruikt kan worden in de beschreven situatie. Is de situatie complexer? Gebruik dan een sterkteberekening programma.
Doorbuiging buis berekenen
Tot slot aandacht voor het berekenen van de doorbuiging van een buis. Naast belasting, lengte en ondersteuning speelt hier ook de wanddikte een rol. Hoe dikker de wand, hoe minder buiging. De formule voor een buis die aan beide zijden ondersteund en gelijkmatig belast wordt, luidt als volgt: 𝛿 = 5𝑤𝐿4 / 384 EI
Wederom geldt: gebruik deze formule gerust als je hier voldoende aan hebt. In de praktijk blijkt een programma om de sterkte te berekenen vaak een stuk efficiënter en eenvoudiger!
Meer weten over een doorbuiging berekenen?
Wil je meer weten over een doorbuiging berekenen? Of ben je benieuwd hoe Ansys Discovery jouw werk makkelijker kan maken? Neem gerust contact op met AESC.
We vertellen graag meer over onze oplossingen en dat gaat verder dan het leveren van handige software: we bieden ook training waarbij je in korte tijd leert om effectief met een programma om te gaan. Een doorbuiging berekenen wordt daarmee een heel stuk makkelijker!
