Análise numérica e otimização de uma célula de carga de ponto único

Abstract

Células de carga são geralmente compostas de uma peça metálica que tem a função de gerar uma deformação proporcional a força aplicada e por sensores (strain gauges), que são responsáveis por converter essa deformação em um sinal elétrico, ligados entre si formando uma ponte de Wheatstone para amplificar o sinal. Muitas células de carga comerciais são construídas para trabalhar longe do seu ponto ideal de tensão e deformação, as vezes por excesso de segurança para sobrecargas ou por falta de um melhor estudo no seu projeto. Este trabalho tem como objetivo o estudo de um modelo de célula de carga comercial de ponto único através de simulação numérica, bem como sua otimização paramétrica. É utilizado um algoritmo de otimização baseado em gradientes (SQP) para realizar as otimizações. Rotinas em Matlab são desenvolvidas com o intuito de acoplar o algoritmo de otimização com a ferramenta de elementos finitos utilizada para as análises estáticas e dinâmicas da célula de carga. Dados referentes aos projetos otimizados obtidos como sensibilidade, massa, deformações e tensões nos locais de colagem dos strain gages e frequências naturais da célula de carga são apresentados e comparações com os respectivos valores do projeto inicial são traçadas. Gráficos de isotensões e isodeformações assim como formas modais da célula de carga também são apresentados. Ao final, para uma configuração com a possibilidade de otimização permitindo o diâmetro interno dos furos da célula de ponto único variar, obteve-se melhorias de redução da massa da ordem de 66% e melhorias no aumento da sensibilidade da ordem de 95%.

Load cells are generally composed of a metal part that has the function of generating a deformation proportional to the applied force and by strain gauges, which are responsible for converting this deformation into an electrical signal, connected to each other forming a Wheatstone bridge to amplify the signal. Many commercial load cells are built to work away from their ideal point of strain and deformation, sometimes because of safety reasons by overestimation for overloads or for lack of a better study in their design. This work aims to study a single point commercial load cell model through numerical simulation, as well as its parametric optimization. A gradient-based optimization algorithm (SQP) is used to perform the optimizations. Routines in Matlab are developed with the purpose of coupling the optimization algorithm with the finite element tool used for the static and dynamic analysis of the load cell. Optimized design data obtained as sensitivity, mass, deformations and tensions at the bonding sites of the strain gages and natural frequencies of the load cell are presented and comparisons with the respective initial design values are plotted. Graphs of countour plots for stress and strain as well as modal forms of the load cell are also presented. At the end, for a configuration with the possibility of optimization allowing the internal diameter of the holes of the single point cell to be varied, mass reduction improvements of the order of 66% and sensitivity increase improvements of the order of 95% were obtained.