Progetto Meccanica Sperimentale

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Published on January 12, 2018

Author: PieroEro

Source: slideshare.net

1. UNIVERSITÀ DEL SALENTO Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Meccanica PROGETTAZIONE ASSISTITA E MECCANICA SPERIMENTALE PROGETTO D’ANNO PROGETTAZIONE CELLA DI CARICO Docente: Chiar.mo Prof. Ing. Riccardo Nobile Studente: Piero NACCI ANNO ACCADEMICO 2016-2017

2. 1 Sommario 1. Introduzione.......................................................................................................................2 2. Cella di carico....................................................................................................................3 2.1 Cella di carico universale ...........................................................................................4 2.2 Materiale.....................................................................................................................5 2.2.1 Comportamento bilineare del materiale................................................................................... 5 2.2.2 Proprietà AISI316....................................................................................................................... 6 3. Modellazione della cella di carico .....................................................................................9 3.1 Definizione geometria ..............................................................................................13 3.2 Definizione materiale ...............................................................................................15 3.3 Definizione elemento e realizzazione mesh .............................................................16 3.4 Vincoli e carichi .......................................................................................................18 3.4.1 Vincoli ...................................................................................................................................... 18 3.4.2 Carichi...................................................................................................................................... 19 3.5 Soluzione..................................................................................................................21 4. Determinazione curva carico – spostamento ...................................................................24 5. Carico di plasticizzazione................................................................................................27 5.1 Caso centrato ............................................................................................................27 5.2 Caso eccentrico.........................................................................................................28 6. Deformazioni estensimetri...............................................................................................29 6.1 Estensimetro.............................................................................................................29 6.2 Circuito di misura.....................................................................................................32 6.2.1 Disposizioni ponte intero di Wheatstone................................................................................ 34 6.3 Valutazione ed elaborazione dei dati........................................................................36 6.3.1 Caso centrato........................................................................................................................... 43 6.3.2 Caso eccentrico........................................................................................................................ 45 6.3.3 Confronto caso centrato ed eccentrico................................................................................... 47 7. Scelta estensimetri elettrici..............................................................................................49 7.1 Estensimetri elettrici.................................................................................................50 7.2 Elementi di compensazione e bilanciamento ...........................................................54 8. Conclusioni......................................................................................................................55

3. 2 1. Introduzione La seguente relazione rappresenta una trattazione completa riguardo allo svolgimento del tema d’anno assegnato dal docente Ing. Nobile durante il corso di Progettazione Assistita e Meccanica Sperimentale, aa. 2016/2017. Si riporta di seguito la traccia consegnata dal docente: “Modellazione di una cella di carico a flessione, determinazione della curva carico- spostamento e calcolo del massimo carico che determina la plasticizzazione del materiale. Si richiede inoltre di calcolare le deformazioni teoricamente misurate dagli estensimetri posizionati nel foro centrale sia applicando un carico centrato che un carico eccentrico. Si richiede infine di selezionare gli estensimetri elettrici da installare e la disposizione da utilizzare. Materiale: Acciaio AISI316 σy =282 [N/mm2 ]; E = 182000 [N/mm2 ]; Ep = 90000 [N/mm2 ]. Dimensioni personalizzate: n1= lettere cognome; n2 =lettere nome  C = larghezza = max(n1*4,n2*4) [mm]  A = H = Altezza = (n1+n2)*10 [mm]  M = min(n1*4,n2*4) [mm]” Al fine di ottenere un’esposizione completa, esauriente e lineare si è deciso di dividere il presente lavoro in più parti, nell’ordine definito dalla richiesta del docente; alcune di queste parti vengono precedute da un’introduzione a carattere generale per poter rispondere in maniera accurata.

4. 3 2.Cella di carico La misura di forza avviene mediante l’utilizzo di celle di carico (Bilance o Dinamometri). La cella di carico è un trasduttore, quindi un componente elettronico in grado di trasformare l’energia meccanica in un segnale elettrico che varia per la mutazione della forza sul componente. Si basa su un principio di funzionamento estremamente semplice che pone in primo piano l’elasticità di un blocco di metallo che, se sottoposto ad una forza, si deforma. La deformazione che avviene è proporzionale alla forza applicata sull’elemento che si rileva tramite degli apparecchi specifici come i torsiometri o estensimetri. portata delle celle di carico che si trovano in commercio può variare da pochi grammi a centinaia di tonnellate e possono essere classificate in varie tipologie a seconda del lavoro che esse devono svolgere. Le celle di carico possono essere suddivise in due categorie che, in funzione dell’ambito di utilizzo, ne determina la tecnologia costruttiva:  statiche (estensimetriche);  dinamiche (piezoelettriche). Fondamentalmente una cella di carico statica (basse frequenze di utilizzo) è costituita da un corpo in metallo estensimetrato. Per applicazioni dinamiche (f >20 Hz) sono disponibili soluzioni alternative (es. celle piezoelettriche usate normalmente per sollecitazioni limitate). Le celle possono essere realizzate in varie forme in funzione di:  tipologia ed entità del carico da misurare;  tipologia delle applicazioni;  condizioni ambientali. Un estensimetro collegato ad ¼ di ponte rileva la deformazione in un punto di una struttura, secondo la direzione di misura lungo la quale è allineato. In alcuni casi però risulta di particolare utilità riuscire ad individuare, nella deformazione generica presente in un punto, il contributo dovuto ad una singola modalità meccanica di sollecitazione tralasciando altre modalità di sollecitazione: il caso tipico è la separazione tra gli effetti di carichi assiali, di flessione e termici. L’interesse è quindi trovare una configurazione di misura che compensi intrinsecamente gli effetti non desiderati ed eventualmente amplifichi quelli a cui si è interessati. Nel caso specifico si richiede la valutazione di una cella di carico universale.

5. 4 2.1 Cella di carico universale La cella di carico universale è utilizzabile per sistemi di pesatura di bassa e media portata. Tipiche applicazioni possono essere per testare materiali o per la pesatura di nastri. In questa cella di carico è necessario applicare almeno due estensimetri all’interno del foro. Di seguito si riporta il dettaglio di una cella di carico universale che può svolgere la funzione di cella di carico a flessione e riprende la geometria riportata nella traccia, abbiamo: Figura 1: Cella di carico universale CS30 Pavone Sistemi S.r.l. La cella di carico in figura è progettata per la pesatura industriale e fiscale di piccoli serbatoi e tramogge con eccellenti caratteristiche di linearità e precisione, resistenza ai sovraccarichi superiori al 300%. Costruita in acciaio inox, presenta una protezione stagna per l’utilizzo in condizioni ambientali severe ed è disponibile anche in versione speciale per alta temperatura. Figura 2: Schema di utilizzo cella di carico universale CS30 Pavone Sistemi S.r.l.

6. 5 Le celle di carico universale vengono anche definite celle di carico a trazione/compressione e sono soggette a particolari accorgimenti, ad esempio la pressione ambientale deve risiedere tra 0 e 5 bar, altrimenti potrebbe influenzare il punto zero. Inoltre è richiesta un’accurata formazione del personale che dovrà utilizzare il trasduttore, sul sito HBM viene specificato: • Maneggiare con cura il trasduttore. • La sede del trasduttore deve essere orizzontale, piana e, come per la superficie di contatto del trasduttore, assolutamente pulita. • La polvere, la sporcizia ed altri corpi estranei non devono accumularsi, impedendo così la deflessione del trasduttore e l'introduzione del carico, col risultato di falsare il valore di misura. • Non sovraccaricare il trasduttore (p.es. con carico distribuito irregolarmente). Se necessario, prevedere un dispositivo antisovraccarico (p.es un corpo di supporto). • Durante od immediatamente dopo il montaggio, ogni trasduttore dovrebbe essere cavallottato da una trecciola di rame (sezione di ca. 16 mm2), per evitare che in esso possano fluire correnti di saldatura. Queste celle di carico possono valutare carichi in un range che va da 5 kg fino a 50 t (50000 kg). Questo intervallo è dovuto sia alle caratteristiche del materiale di cui è costituito il componente e sia alla sua forma geometrica. Di seguito, a tal proposito, si andranno a valutare le caratteristiche del materiale e si discuterà del processo logico con cui si è definita la geometria del nostro componente. 2.2 Materiale Il materiale riportato nella traccia è l’acciaio AISI 316. Di questo materiale viene già fornito anticipatamente il modulo di Young (182000 MPa) e il modulo di plastico (90000 Mpa) compreso della tensione di snervamento (282 MPa) che viene richiesta dal software per andare a definire il comportamento bilineare del materiale. 2.2.1 Comportamento bilineare del materiale Un materiale è chiamato non lineare se lo sforzo σ e la deformazione ε sono legate da una relazione non lineare, quindi non dal classico legame costitutivo {σ}=[B]{ε} ma da una relazione non lineare. La non linearità può essere dovuta a due problematiche:

7. 6 - Non linearità geometrica (e problemi di contatto); - Non linearità del materiale. Tralasciando le altre categorie, il nostro caso di trattazione prevede la non linearità del materiale, in quanto vogliamo andare a definire il legame tra σ e ε in campo plastico: modalità di scorrimento. La più semplice modalità di scorrimento che può essere valutata è rappresentata dal comportamento bilineare. Figura 3: Curva sforzo-deformazione in una prova monoassiale Nella figura 3, a sinistra, si nota come la curva sforzo deformazione possa essere individuata da due linee in cui la pendenza del primo tratto indica il modulo di Young E, mentre la seconda rappresenta il modulo tangente Et. In questo modo dividiamo la deformazione in elastica e plastica. Il modulo tangente Et rappresenta la pendenza della curva oltre la σ di snervamento e poiché, come possiamo notare dalla figura a destra, non distinguiamo sull’asse delle ascisse tra elastico e plastico, avremo che dε=

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