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8/16/2019 LauraAngarita-OscarRios Celda de Carga FINAL (1)
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Diseño y análisis estructural de una célula de carga por el método de los elementos
finitos (FEM) utilizando el código comercial AN! "#$%&
Laura Nathalia Angarita Quintero- 220357
Oscar Eugenio Ríos -230859
lauranath042!g"ail#co"
oscar#rios!u$%#e&u#co
'ni(ersi&a& )onti*icia +oli(ariana, seccional +ucara"anga
aculta& &e ingeniería "ec.nica
'ntroducción
/a&a &ía se reuiere &e a(ances tecnol1gicos reuieren &el &iseo &e ".uinas o
herra"ientas ue "eoren los $rocesos# Así "is"o, es i"$eriosa la necesi&a& &e ensaar
$ieas "ec.nicas con "ateriales ".s ligeros &e "aor e*iciencia# En el $resente tra%ao
se $resenta el &iseo an.lisis estructural &e una c6lula &e carga $or el "6to&o &e los
ele"entos *initos E utilian&o el c1&igo co"ercial AN:;: <7#0# )ara este $ro$1sito,
"e&iante e=$eri"entaci1n se analiar. las *ueras a$lica&as al $er*il &e un ala &e a(i1n
*a%rica&o en "aterial &e %also# )ara realiar el an.lisis &el co"$orta"iento &e la c6lula
utilian&o ele"entos *initos, se har. el c.lculo analítico inicial $ara &i"ensiones &e la
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c6lula, lo cual ue $er"itir. el $esae &e *ueras a$lica&as al $er*il &e ala &e un a(i1n en
un t>nel &e (iento#
*eti+os,
*eti+o -eneral,
Realiar el an.lisis estructural &e una c6lula &e carga $or el "6to&o &e los ele"entos *initos
E utilian&o el c1&igo co"ercial AN:;: <7#0
*eti+os Espec.ficos,
Analiar las *ueras a$lica&as al $er*il &e ala &e un a(i1n? &entro &e un t>nel &e
(iento• co"$arar los resulta&os o%teni&os "e&iante el &iseo &e una c6lula &e carga en
AN:;: "e&iante el &esarrollo &e una si"ulaci1n• Realiar un an.lisis "e&iante ele"entos *initos &el co"$orta"iento &e la c6lula#• Analiar los resulta&os e=$eri"entales te1ricos#
Marco teórico,
El "6to&o &e los ele"entos *initos E en castellano o E en ingl6s es un "6to&o &e
c.lculo utilia&o en &i(ersos $ro%le"as &e ingeniería, ue se %asa en consi&erar al cuer$o o
estructura &i(i&i&o en ele"entos &iscretos, con &eter"ina&as con&iciones &e (ínculo entre
sí, gener.n&ose un siste"a &e ecuaciones ue se resuel(e nu"6rica"ente $ro$orciona el
esta&o &e tensiones &e*or"aciones# )eotti, 2007# @e allí ue en la >lti"as &6ca&as se
haa teni&o ue &esarrollar una ga"a &e so*tare es$ecialia&os ue $er"itan realiar el
an.lisis &e estructuras co"$leas# )ara el caso &e AN:;:, es una &e las herra"ientas "eor
&esarrolla&as $ara ingenierías su utiliaci1n $er"ite hacer la si"ulaci1n &e cualuier ti$o
&e $roceso *ísico uí"ico o %iol1gico, "e&iante una si"ulaci1n nu"6rica#
@e otra $arte, una c6lula &e carga es en *or"a %.sica un trans&uctor ue con(ierte una
*uera &eter"ina&a en seal el6ctrica? esta seal es $osterior"ente a"$li*ica&a a ue
$osee $oca intensi&a& "e&i&a a tra(6s &e un algorit"o ue $ro$orciona a la sali&a el
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(alor &e la *uera# B:+ELC, 20D#e&iante un &is$ositi(o "ec.nico, la *uera ue se
&esea "e&ir &e*or"a una galga e=tenso"6trica# /o"o su no"%re lo in&ica, las c6lulas &e
carga "e&iante galgas e=tenso"6tricas utilian una "atri &e galgas $ara "e&ir la
&e*or"aci1n &e un co"$onente &e una estructura con(ertirla en una seal el6ctrica#
A'OABFAN@O, 20D#
La c6lula &e carga es constitui&a &e una o (arias %an&as e=tenso"etricas un
/ircuito el6ctrico &eno"ina&o $uente &e Gheatstone# Las %an&as se colocan en la $arte &e
la estructura ue se &e*or"a ".s cuan&o se a$lica la carga#
En este tra%ao, se utiliar. una c6lula &e carga en alu"inio, e"$otra&a en un e=tre"o, con
cuatro %an&as e=tensio"6tricas# La *inali&a& es "e&ir la *uera &e arrastre#
+an&as e=tensio"6tricasH
Las %an&as e=tenso"6tricas son ele"entos &e ti$o resisti(o# :u *unciona"iento se %asa en
el ca"%io &e resistencia el6ctrica ue su*re un hilo con&uctor al (ariar su longitu&# )or
tanto, $o&re"os &eter"inar la (ariaci1n &e longitu& ue e=$eri"enta la %an&a "i&ien&o la(ariaci1n &e resistencia ue $resenta#
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:u$onien&o ue el "aterial se co"$orta en r6gi"en el.stico, es &ecir, to&as las
&e*or"aciones ue se a$lican se recu$eran, la relaci1n entre las &e*or"aciones
longitu&inales las &e*or"aciones trans(ersales (iene &a&a $or el coe*iciente &e )oisson
)or otro la&o, la resistencia el6ctrica &e un hilo con&uctor se $ue&e e=$resar co"oH
@on&e I es la resisti(i&a& &el "aterial, L es la longitu& &el hilo con&uctor A es su
secci1n# En el caso $articular &e un hilo &e secci1n circular, esta e=$resi1n se $ue&e $oner
en *unci1n &el &i."etroH
)ara estu&iar la (ariaci1n &e la resistencia en *unci1n &e los $ar."etros, se recurre a la
&i*erenciaci1n logarít"ica# o"an&o logarit"os &i*erencian&o se tiene ueH
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@on&e la (ariaci1n &e resisti(i&a& &IJI se &e%e a la (ariaci1n &e (olu"en &<J< , ue se
conoce co"o e*ecto $ieoresisti(o (iene &a&o $orH
:ien&o / la constante &e +ri&g"an, ue es una $ro$ie&a& característica &el "aterial &el
hilo con&uctor# :i e=$resa"os el (olu"en en *unci1n &e la longitu& &el &i."etro &el hilo
ue&aH
)or tanto, la (ariaci1n &e resistencia resulta serH
enien&o en cuanta ue el coe*iciente &e )oisson es la relaci1n entre la &e*or"aci1n
trans(ersal la &e*or"aci1n longitu&inal, entonces ue&aH
@on&e el (alor &e K, ue solo &e$en&e &el "aterial &el hilo, se &eno"ina *actor &e galga
es una constante a&i"ensional# )or tanto, se $ue&e "e&ir la &e*or"aci1n a tra(6s &eH
Es &ecir, "i&ien&o la (ariaci1n &e resistencia $o&e"os &eter"inar la &e*or"aci1n ue ha
su*ri&o la %an&a# :i las &e*or"aciones son $eueas $o&e"os a$ro=i"ar la &i*erencial $or
el incre"ento &e resistencia, o%teni6n&ose la ecuaci1n característica &e las %an&as
e=tenso"6tricasH
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Las %an&as e=tenso"6tricas ".s co"unes suelen estar *a%rica&as &e constatan, una
aleaci1n ue contiene el 45 &e Ni el 55 &e /u, cuo *actor &e galga est. "u
$r1=i"o a 2# Otras aleaciones &e uso co">n son la Nicro"e o la aleaci1n Kar"a#
El )uente Gheatstone#'n $uente &e Gheatstone es un instru"ento el6ctrico &e "e&i&a# :e utilia $ara "e&ir resistencias &esconoci&as "e&iante el euili%rio &e los %raos &el
$uente# Estos est.n constitui&os $or cuatro resistencias ue *or"an un circuito
cerra&o, sien&o una &e ellas la resistencia %ao "e&i&a#
El $uente entera $resenta una gran sensi%ili&a& a ue una $euea (ariaci1n
&e la resistencia &e una &e las cuatro %an&as $ro(oca el &eseuili%rio &el $uente# Es el
"ontae ue utiliare"os en este $roceso &e &iseo#
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La sali&a E0 &el $uente entera es &a&o $orH
E0: :eal &e sali&a &el $uente
K: *actor &e la galga
ε: &e*or"aci1n &e la estructura "ec.nica
E: ensi1n &e e=citaci1n &el $uente#
• /el&a &e carga
ateria &e *a%ricaci1nH Alu"inio 2024
1&ulo &e elastici&a&H EM 70C)a
/oe*iciente &e )oisson H M 0,34
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Longitu& totalH 30""
AnchoH 30""
/arga no"inalH 2Kg 20DN &e $eso
Rango &e "e&i&aH &e 2 a 2Kg
@e esta *or"a, la utiliaci1n &el so*tare AN:;:, $er"ite realiar el c.lculo estructural &e
una c6lula &e carga#
• >nel &e (ientoH
'n t>nel &e (iento o t>nel aero&in."ico es una herra"ienta &e in(estigaci1n &esarrolla&a
$ara au&ar en el estu&io &e los e*ectos &el "o(i"iento &el aire alre&e&or &e o%etos
s1li&os# /on esta herra"ienta se si"ulan las con&iciones ue e=$eri"entar. el o%eto &e la
in(estigaci1n en una situaci1n real# En un t>nel &e (iento, el o%eto o "o&elo, $er"anece
estacionario "ientras se $ro$ulsa el $aso &e aire o gas alre&e&or &e 6l# :e utilia $ara
estu&iar los *en1"enos ue se "ani*iestan cuan&o el aire %aa o%etos co"o a(iones, na(es
es$aciales, "isiles, auto"1(iles, e&i*icios o $uentes#
• <entila&or a=ialH
'n (entila&or es una ".uina &e *lui&o, ".s e=acta"ente una tur%o ".uina ue trans"ite
energía $ara generar la $resi1n necesaria con la ue "antener un *luo continuo &e aire# :e
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utilia $ara usos "u &i(ersos co"oH (entilaci1n &e a"%ientes, re*resca"iento &e ".uinas
u o%etos o $ara "o(er gases, $rinci$al"ente el aire, $or una re& &e con&uctos#
Materiales y métodos,
)ara la realiaci1n &e esta in(estigaci1n, se $artir. &e una $arte e=$eri"ental $ara $o&er
hacer las res$ecti(as co"$araciones# La $arte e=$eri"ental consiste en analiar las *ueras
a$lica&as al $er*il &e ala &e un a(i1n# Este $er*il estar. &entro &e un t>nel &e (iento
$i(otea&a en sus e=tre"os, el (entila&or $ro&ucir. el aire ue eercer. "o(i"iento so%re el
$er*il &e ala la c6lula &e carga nos &ar. los resulta&os &e estas *ueras#
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El segun&o as$ecto a co"$arar son los resulta&os o%teni&os "e&iante el &iseo &e una
c6lula &e carga en AN:;: &esarrollan&o una si"ulaci1n#
aterialesH
• /6lula &e carga• )er*il &e ala &e a(i1n *a%rica&o en %also NA/A 2305• >nel &e (iento, (entila&or a=ial#• AN:;: <7#0
/onceptos fundamentales,
• uera &e arrastreH
Es la *ricci1n entre un o%eto s1li&o el *lui&o un líui&o o gas $or el ue se "ue(e# )ara
un s1li&o ue se "ue(e $or un *lui&o o gas, el arrastre es la su"a &e to&as
las *ueras aero&in."icas o hi&ro&in."icas en la &irecci1n &el *luo &el *lui&o e=terno#
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El coe*iciente &e arrastre /A es una canti&a& a&i"ensional ue se usa $ara cuanti*icar el arrastre o resistencia &e un o%eto en un "e&io *lui&o co"o el aire o el agua# Es utilia&o
en la ecuaci1n &e arrastre, en &on&e un coe*iciente &e arrastre %ao in&ica ue el o%eto
ten&r. "enos arrastre aero&in."ico o hi&ro&in."ico# El coe*iciente &e arrastre est. sie"$re
asocia&o con una su$er*icie $articular#
• o&elo a escalaH
Es un "o&elo &e un o%eto real ue s1lo &i*iere en ta"ao# )or lo general, un "o&elo aescala es ".s $eueo ue el o%eto real# A la relaci1n entre el ta"ao &e un "o&elo el
&el o%eto real se le lla"a escala#
• @atos &el alaH
:e"i ala *a%rica&a en %also &e $er*il si"6trico
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Diseño y construcción del sistema de medición de la fuerza%
Esta cel&a &e carga *unciona a tensi1n a co"$resi1n, en este caso se utili1 a tensi1n
tiene una ca$aci&a& &e 0#D g con un "argen &e error &e 0#007 g ue se encuentra
conecta&o al "1&ulo, &an&o en si la *uera &e arrastre a la ue es so"eti&a el ala a escala#
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ME0D1-'A,
)ara la realiaci1n &e este $roecto, se &i(i&i1 las $r.cticas en &os seccionesH una te1rica
la otra $arte e=$eri"ental# )ara la $arte e=$eri"ental, inicial"ente el $er*il alar *ue
$i(ota&o &entro &el t>nel &e (iento, &e "anera ue la cel&a $u&iese "e&ir *.cil"ente la
*uera &e arrastre# El "ontae se "uestra en la siguiente i"agenH
)ara iniciar la $rue%a e=$eri"ental segui"os los siguientes $asosH
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• :e instal1 el $rototi$o a escala &entro &el t>nel#
• :e $uso en "archa el (entila&or a=ial
• :e $uso en "archa el "o&ulo#
)ara la to"a &e &atos, se utili1 el so*tare )A/ /ONROL +A:B/ 9#4, $roce&i"os a
cargar el $rogra"a &e control se &io inicio a las $rue%as#
Luego, se (ari1 la *recuencia co"o se "uestra en la ta%la $or 5 "inutos#
recuencia P
30 35 40 45 50
Análisis de resultados%
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@es$u6s &e ha%er hecho el res$ecti(o "ontae &el $er*il alar &entro &el t>nel &e (iento se
reali1 la to"a &e &atos estos *ueron los resulta&os o%teni&osH
a%la # uera <s <eloci&a&
uera N <eloci&a& "Js
0 0
0#40D34D3 0#4
0#45434D3 2#
0#53D34DD 3#87
0#7234DD 5#D4
0#75934DD 7#8
Bnicial"ente se tu(o una *uera "uerta &e -0#32834D3, la cual se su"1 $ara o%tener los
(alores &e *uera "ostra&os en la ta%la # /o"o $o&e"os notar, estas &os (aria%les son
&irecta"ente $ro$orcionales#
En la siguiente ta%la se "uestra los (alores &e (eloci&a&, te"$eratura, &ensi&a&, Renol&s,
*uera arrastre o%teni&os $ara ca&a *recuencia#
a%la 2# @atos o%teni&os "e&iante el so*tare#
recuenci
a P
<eloci&a&
"Js
e"$eratura
c
@ensi&a&
KgJ"3
Renol&s uera
N
Arrastre
30 0#5 29#8 #00 27#022 0#2 0#
35 2#4 29#8 #00 39#077 0#23 0#5
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Al i"$ortar la $iea, se tu(ieron errores al hacer $roceso &e "alla&o así ue se &eci&i1
"o&elar la cel&a en Anss#
:e realiaron 20 $articiones $ara lograr un "alla&o si"6trico# La siguiente i"agen
"uestran la realiaci1n &el "alla&o#
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)articiones &e la cel&aH
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alla&o *inalH
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@es$u6s &e o%tener el "alla&o, a$lica"os las *ueras o%teni&as &urante el $roceso
e=$eri"ental ta%la e"$otra"os la cel&a#
A continuaci1n se "uestran los resulta&os o%teni&osH
2ruea #H
E"$otra"ientoH A
uera a$lica&aH +H 0#40D34D3 N
• Es*uero $or <on- ises
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• @e*or"aci1n totalH
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2ruea 3H
E"$otra"ientoH A
uera a$lica&aH +H 0#45434D3 N
• Es*uero $or <on- "isesH
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• @e*or"aci1n totalH
2ruea 4,
E"$otra"ientoH A
ueraH +H 0#53D34D3 N
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• @e*or"aci1n $or <on-"isesH
• @e*or"aci1n totalH
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2ruea 5,
E"$otra"ientoH A
ueraH +H 0#7234D3 N
• @e*or"aci1n $or <on- "isesH
• @e*or"aci1n totalH
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2ruea 6,
E"$otra"ientoH A
ueraH +H 0#75934D3 N
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•
@e*or"aci1n $or <on- isesH
• @e*or"aci1n totalH
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@e otra $arte, ta"%i6n se reali1 la :i"ulaci1n &e la *uera ".=i"a &el $rocesoH
E"$otra"ientoH A
ueraH +H 5#88D N
• @e*or"aci1n $or <on-isesH
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• @e*or"aci1n totalH
Análisis de los resultados
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'na (e o%teni&a la in*or"aci1n, se encontr1 ue la &e*or"aci1n total al a$licar la carga
".=i"a so$orta&a $or la cel&a sin su*rir $lasti*icaci1n 5#88D N es &e 247,3 $a,
@e otra $arte se o%ser(a ue la cel&a so$orta la carga la ona crítica coinci&e con la ona
en &on&e se a$lica la *uera, en este caso la *uera &e arrastre ue se le a$lica al ala#
Así "is"o, al co"$arar la *uera ".=i"a o%teni&a e=$eri"ental"ente 3,904 $a con la
*uera te1rica ".=i"a, se nota ue la &e*or"aci1n es "íni"a ue no causa &aos en la
cel&a# Al igual ue en las &e".s $rue%as, la ona critica coinci&e con la ona a la ue se
suet1 el hilo $ara "e&ir la *uera &e arrastre#
Otro $unto crítico, son las onas &e "enor .rea $ero estas ta"%i6n so$ortan la
$lasti*icaci1n#
/N/17'NE,
Realia&o este tra%ao, se $u&o o%ser(ar la &e*or"aci1n ue su*re la cel&a al a$licar la
*uera ".=i"a si"ulan&o esto en AN:;:#
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8/16/2019 LauraAngarita-OscarRios Celda de Carga FINAL (1)
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8iliograf.a consultada%
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