lauraangarita-oscarrios celda de carga final (1)

8/16/2019 LauraAngarita-OscarRios Celda de Carga FINAL (1)

http://slidepdf.com/reader/full/lauraangarita-oscarrios-celda-de-carga-final-1 1/32

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

mailto:[email protected]

mailto:[email protected]



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



(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#

https://es.wikipedia.org/wiki/Galga_extensiom%C3%A9trica

https://es.wikipedia.org/wiki/Galga_extensiom%C3%A9trica



: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



@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



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#



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



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

https://es.wikipedia.org/wiki/Aire

https://es.wikipedia.org/wiki/Gas

https://es.wikipedia.org/wiki/Avi%C3%B3n

https://es.wikipedia.org/wiki/Nave_espacial


https://es.wikipedia.org/wiki/Misil

https://es.wikipedia.org/wiki/Autom%C3%B3vil

https://es.wikipedia.org/wiki/Rascacielos


https://es.wikipedia.org/wiki/Puente


https://es.wikipedia.org/wiki/M%C3%A1quina_de_fluido

https://es.wikipedia.org/wiki/Aire


https://es.wikipedia.org/wiki/Avi%C3%B3n



https://es.wikipedia.org/wiki/Misil

https://es.wikipedia.org/wiki/Autom%C3%B3vil



https://es.wikipedia.org/wiki/M%C3%A1quina_de_fluido



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#



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#

https://es.wikipedia.org/wiki/Fricci%C3%B3n

https://es.wikipedia.org/wiki/S%C3%B3lido

https://es.wikipedia.org/wiki/Fluido



https://es.wikipedia.org/wiki/L%C3%ADquido








https://es.wikipedia.org/wiki/Fuerza


https://es.wikipedia.org/wiki/Aerodin%C3%A1mica

https://es.wikipedia.org/wiki/Hidrodin%C3%A1mica


https://es.wikipedia.org/wiki/Fricci%C3%B3n

https://es.wikipedia.org/wiki/S%C3%B3lido







https://es.wikipedia.org/wiki/Aerodin%C3%A1mica




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

https://es.wikipedia.org/wiki/Cantidad_adimensional

https://es.wikipedia.org/wiki/Arrastre_(f%C3%ADsica)

https://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Ecuaci%C3%B3n_de_arrastre&action=edit&redlink=1

https://es.wikipedia.org/wiki/Cantidad_adimensional

https://es.wikipedia.org/wiki/Arrastre_(f%C3%ADsica)

https://es.wikipedia.org/w/index.php?title=Ecuaci%C3%B3n_de_arrastre&action=edit&redlink=1



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#



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



• :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%



@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



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#



)articiones &e la cel&aH



alla&o *inalH



@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



• @e*or"aci1n totalH



2ruea 3H

E"$otra"ientoH A

uera a$lica&aH +H 0#45434D3 N

• Es*uero $or <on- "isesH




2ruea 4,

E"$otra"ientoH A

ueraH +H 0#53D34D3 N



• @e*or"aci1n $or <on-"isesH




2ruea 5,

E"$otra"ientoH A

ueraH +H 0#7234D3 N

• @e*or"aci1n $or <on- "isesH




2ruea 6,

E"$otra"ientoH A

ueraH +H 0#75934D3 N



•

@e*or"aci1n $or <on- isesH




@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




Análisis de los resultados



'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:;:#

/onclui"os ta"%i6n ue los (alores o%teni&os e=$eri"ental"ente son %aos si se

co"$aran la *uera ".=i"a te1rica con la e=$eri"ental# Esto se &e%e a los errores &e los

o$erarios al "o"ento &e hacer las $rue%as la "e&i&a a escala &el t>nel &e (iento#



8iliograf.a consultada%

• )eotti :antiago# Bntro&ucci1n a la eoría &e Ele"entos initos# aculta& &e

Bngeniería 'ni(ersi&a& Nacional &e La )lata# @is$oni%le enH

htt$HJJ#"onogra*ias#co"Jtra%aos-$&*4Jele"entos-*initos-ele"entos-resorte- %arra--(igaJele"entos-*initos-ele"entos-resorte-%arra--(iga#$&*

• A'OABFAN@O :#A :# /el&as @e /arga#@is$oni%le en H htt$HJJ#auto"atian&o#co"#coJcel&as&ecarga#ht"

• Custa(o # et al# @B:EO ; EN:A;O ES)ERBENAL @E 'NA /EL@A @E

/ARCA )ARA AQ'BNA@O# aculta& &e Bngeniería, 'ni(ersi&a& Nacional &e

La )a"$a# +uenos aires 2#008 &is$oni%le enH

htt$HJJ#ci"ec#org#arJosJin&e=#$h$J"cJarticleJ(ieileJD43JD07• artí )ascual, et al# Estructuras e=to guía $ara $r.cticas# @is$oni%le enH

htt$HJJ#u$ct#esJT&ecJ$u%licacionesJAEUC)#$&* • BNE@'/A/BVN# /entro (irtual &e noticias# El $o&er &e si"ulaci1n &e Anss

lleg1 al $aís# @is$oni%le en H htt$HJJ#"ine&ucacion#go(#coJc(nJDD5J3-article-

288259#ht"l• uo, "iguel .ngel# anual &e (uelo# )rinci$ios %.sicos &e na(egaci1n#

@is$oni%le enH htt$HJJ#"anual(uelo#co"J)+<J)+<3#ht"l• El %log &e B:+ELC# Qu6 es una c6lula &e carga co"o *unciona# @is$oni%le enH

htt$HJJis%elg#o(er-%log#co"Jarticle-ue-celula-carga-co"o-*unciona-8D799574#ht"l

• +an&as e=tenso"6tricas, rancisco CWal(e @WXa-Ru%io#htt$HJJ#"ater#u$"#esJ@ocenciaJaterialesJBnstru"entacionJeoriaJBnst03#$&*

http://www.monografias.com/trabajos-pdf4/elementos-finitos-elementos-resorte-barra-y-viga/elementos-finitos-elementos-resorte-barra-y-viga.pdf


http://www.automatizando.com.co/celdasdecarga.htm

http://www.cimec.org.ar/ojs/index.php/mc/article/viewFile/1643/1607

http://www.upct.es/~deyc/publicaciones/AE_TGP.pdf

http://www.mineducacion.gov.co/cvn/1665/w3-article-288259.html


http://www.manualvuelo.com/PBV/PBV13.html

http://isbelg.over-blog.com/article-que-celula-carga-como-funciona-86799574.html

http://www.mater.upm.es/Docencia/Materiales/Instrumentacion/Teoria/Inst03.pdf



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