Relatório_Elementos Finitos

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO GRANDE DO SUL 
DEPARTAMENTO DE MATERIAIS 
ENG03002 - ELEMENTOS FINITOS EM MECÂNICA DOS 
SÓLIDOS 
PROF. FELIPE TEMPEL STUMPF 
 
 
 
 
 
 
 
RELATÓRIO DA ÁNALISE DE CONSTRUÇÃO DE CÉLULAS DE CARGA 
 
 
 
 
 
 
 
 
HEITOR DA CRUZ 
RÉGIS HENRIQUE DA SILVA SOUZA 
 
 
 
 
 
 
 
Porto Alegre 
2022 
HEITOR DA CRUZ 
RÉGIS HENRIQUE DA SILVA SOUZA 
 
 
 
 
 
 
 
 
RELATÓRIO DA ÁNALISE DE CONSTRUÇÃO DE CÉLULAS DE CARGA 
 
 
 
Trabalho apresentado em 2022/1 como requisito 
parcial para obtenção de aprovação na disciplina de 
elementos finitos em mecânica dos sólidos do curso 
de Engenharia Mecânica da Escola de Engenharia 
da Universidade Federal do Rio Grande do Sul. 
 
Prof. Felipe Tempel Stumpf 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Porto Alegre 
2022 
SUMÁRIO 
 
1 INTRODUÇÃO .........................................................................................................04 
2 OBJETIVOS .............................................................................................................04 
3 METODOLOGIA .......................................................................................................04 
3.1 DESENHO NO SOLIDWORKS ..................................................................04 
3.2 DETERMINAÇÃO DO MATERIAL .............................................................05 
3.3 DETERMINAÇÃO DA MALHA ...................................................................05 
3.4 ANÁLISE DAS TENSÕES .........................................................................06 
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES ..............................................................................07 
4.1 EQUAÇÃO DA RELAÇÃO .........................................................................07 
4.2 AVERIGUAÇÃO DO RESULTADO ............................................................07 
5 CONCLUSÃO ...........................................................................................................08 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
1 INTRODUÇÃO 
 
A célula de carga é um dispositivo eletromecânico, o qual possui o objetivo de 
realizar medições das deformações ou flexões no qual um corpo é submetido, transformado 
essas medições em uma tensão. Para obter os sinais é utilizado um strain gauge que produz 
um sinal em micro strains que é alterada proporcionalmente à medida que se aplica maior 
peso ou força na estrutura. 
 
 
2 OBJETIVOS 
 
O objetivo deste trabalho consiste na análise da construção de quatro células de 
carga modelo SPL, visto que não apresentam mudanças no material e na geometria externa, 
a única diferença para as variações das capacidades de carga aparenta estar ancorada na 
variação do furo central em forma de binóculo, que a medida que o perfil furo diminui a 
capacidade de carga aumenta. 
 
 
3 METODOLOGIA 
 
3.1 DESENHO NO SOLIDWORKS 
 
O início da análise foi através da determinação das medidas de todas as quatro 
células de carga, utilizando um paquímetro digital para uma melhor resolução. Com as 
medidas determinadas, o desenho de todas as células de cargas (Figura 1) foi feito no 
software SolidWorks. 
 
Figura 1 – Desenhos das células de cargas 
3.2 DETERMINAÇÃO DO MATERIAL 
 
Segundo as informações do fornecedor o material da célula de carga é uma liga de 
alumínio e o coeficiente de segurança da célula é de 1,5. No entanto, não é especificado o 
tipo de liga do material, assim foi necessário fazer uma pesagem de uma das quatro células 
de carga, mais especificamente a célula com capacidade de 50 Kg, e foi constatado que a 
massa da célula de carga é de 179,0 g (Figura 2). Com isso, fizemos uso da tabela de 
propriedades do software SolidWorks e foi determinado que a liga que mais se aproxima 
dos dados fornecidos é a liga de alumínio 5454-H34. 
 
 
Figura 2 – Pesagem da célula de carga de capacidade de 50Kg 
 
3.3 DETERMINAÇÃO DA MALHA 
 
Para o refino da malha, se fez necessário simulações e para essas simulações foi 
necessário configurar as condições de contorno, sendo uma extremidade engastada e a 
outra colocado a carga referente a capacidade máxima da célula de carga. Assim, sete 
simulações foram feitas mudando a quantidade de elementos da malha, de 1553 até 50959 
elementos, e com isso foi possível obter a tendência da tensão máxima que a célula de carga 
está submetida. Tal tendência pode ser vista no gráfico abaixo (Figura 3). 
 
 
Figura 3 – Gráfico do refino da malha. 
 
3.4 ANÁLISE DAS TENSÕES 
 
Com a malhar especificada, iniciou-se as análises das tensões máximas que as 
quatro células de carga são submetidas. Para as células de carga de 5 Kg, 10 Kg, 40 Kg e 
50 Kg, foram obtidas as tensões máximas de 1,106x108 N/m2, 1,147x108 N/m2, 1,131x108 
N/m2 e 1,141x108 N/m2, respectivamente. Com isso, foi obtido o gráfico tensão em função 
da carga e assim, foi possível determinar a correlação entre as tensões máximas das 
diferentes células de cargas e suas capacidades, assim observou-se que essa correlação é 
uma função aproximadamente constante (Figura 4). 
 
 
Figura 4 – Gráfico das tensões máximas em função da carga. 
 
 
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES 
 
Tendo em vista que se obteve uma função aproximadamente constante das tensões 
máximas das diferentes células de cargas, foi possível determinar que a área do perfil do 
furo está diretamente relacionada com a capacidade da célula de carga. 
 
4.1 EQUAÇÃO DA RELAÇÃO 
 
Para a determinação da função que relaciona carga com a área do perfil do furo, foi 
necessário estabelecer as áreas dos perfis dos furos das quatro células de carga, para isso 
utilizou-se uma ferramenta do software SolidWorks onde seleciona-se o perfil desejado e 
esta calcula a área. Assim, as áreas obtidas foram 668,96 mm2, 645,50 mm2, 353,61 mm2 
e 333,13 mm2 para as células de cargas de 5 Kg, 10 Kg, 40 Kg e 50Kg, respectivamente. 
Esses dados foram plotados no gráfico área do perfil do furo em função do fundo de escala 
da célula de carga (Figura 5) e obtido uma função para a linha de tendência. A equação da 
relação obtida é corresponde a: y(x) = 0,113𝑥2 − 14,205𝑥 + 754,079 , onde x representa a 
carga em Kg, y a área do perfil do furo em mm2 e com o respectivo intervalo para x ; 5 ≤ 𝑥 ≤ 50 
 
 
 
Figura 5 – Gráfico Área do perfil x Carga 
 
 
4.2 AVERIGUAÇÃO DO RESULTADO 
 
Com a equação obtida na seção anterior, foi feita a averiguação através de um 
exemplo que consistiu na determinação da área do perfil do furo para uma célula de carga 
com capacidade de 25 Kg e o resultado foi: 
𝑦(25) = 0,113 ∗ 252 − 14,205 ∗ 25 + 754,079 
𝑦 = 469,58 𝑚𝑚2 
 
 Com essa área determinada, foi possível fazer o desenho da respectiva célula de 
carga no SolidWorks e fazer a simulação para comparação com a correlação encontrada 
anteriormente. Realizado essa simulação (Figura 6) foi analisado que a tensão máxima da 
célula de carga deste exemplo está de acordo com a correlação encontrada na seção 4.1. 
 
 
Figura 6 – Simulação para comparação da correlação. 
 
 
5 CONCLUSÃO 
 
 Com as análises feitas foi possível obter uma correlação entre as diferentes 
capacidades de cargas e as suas tensões máximas, além da equação que relaciona a área do 
perfil de furo com o fundo de escala desejado. Assim, com o método dos elementos finitos 
consegue-se analisar como é definida a construção de uma célula de carga.