Estudo avalia a deformação sob carga compressiva em garrafas PET - Resistência Coleira

Estudo avalia a deformação sob carga compressiva em garrafas de PET com formatos diferentes

O uso de garrafas feitas de PET se expandiu devido à sua competitividade em termos de preços e conveniência. O desenvolvimento de tecnologias com o objetivo de se economizar material, otimizar seu projeto e automatizar sua manufatura são assuntos prementes para garantir sua competitividade em termos de custos. Recentemente foram feitos estudos sobre a redução da espessura de parede de recipientes feitos com esse material, como parte dos esforços para diminuir o consumo de matérias-primas e de combustível associado à logística de sua manufatura, bem como as emissões associadas ao gás carbônico. Contudo, à medida que a espessura dos recipientes foi reduzida, verificou-se que havia a possibilidade de redução da resistência mecânica que se faz necessária para suportar o peso das camadas empilhadas de recipientes durante seu armazenamento.

Isso também ocorreu no caso das garrafas de PET. De fato, foi constatado que a redução da espessura das paredes das garrafas é a causa principal da perda de resistência mecânica contra o carregamento superior. No trabalho aqui descrito foi feito um estudo fundamental sobre os comportamentos deformação de garrafas com formato circular ou quadrado, com capacidade de 1,65 litros, sob carga de subsídios para o projeto de garrafas leves de PET por meio da análise por engenharia apoiada por computador (CAE).

Estudo numérico

A carga sob a qual as garrafas feitas de PET sogrem colapso instantâneo pode ser prevista mediante análise do amassamento. A carga aplicada quando o amassamento ocorre pode ser prevista a partir de autovalores calculados usando a varredura de potência ou o método de lanczos. Neste estudo, foi aplicada a análise linear de amassamento para se analisar a carga crítica (Pcr) que causa o amassamento das garrafas de PET sob uma carga inicial constante. Essa carga crítica de amassamento é derivada a partir da equação de equilíbrio para a deformação por flexão de colunas e pode ser calculada pela equação (1):

onde E é o módulo de elasticidade, I é o momento inercial mínimo e L é o comprimento das colunas cujas extremidades não se encontram apoiadas. O parâmetro P é o valor mínimo quando 'n' é igual à unidade: este valor corresponde à carga crítica de amassamento, a qual pode ser calculada teoricamente usando-se a equação (1) quando se estima o momento inercial mínimo da garrafa feita de PET.

A figura 1 mostra os fenômenos de snap-through e snap-back que ocorrem na resposta não linear sob grande deformação de garrafas de PET. A análise linear não é capaz de simular os fenômenos que ocorrem durante os ensaios de compressão de garrafas de PET quando os incrementos de carga e deslocamento são constantes ao longo do tempo. O método de comprimento de arco consiste num processo incremental de deslocamento e carga que é aplicado na análise não linear com o método de elementos finitos: é um método incremental de carga baseado no método de deslocamento, o qual controla simultaneamente carga e descocamento para que se possa efetuar a análise de elementos finitos para se evitar os pontos fracos de alto risco: podem ser obtidas soluções mais estáveis por meio da incorporação de condições de restrição com um raio constante aplicado a trajetórias não lineares.

As figuras 2(a) e 2(b) mostram, respectivamente, garrafas de PET circulares e quadradas usadas nos experimentos e análises de modelos usando o método de elementos finitos que são descritos neste trabalho. Foram usados elementos em casca triangulares tridimensionais na análise por elementos finitos: a espessura da parede das garrafas de PET foi introduzida com 6 ou 12 intervalos após a medição de seu valor usando um dispositivo para medição de espessura. As garrafas de PET foram consideradas como sendo corpos de contato deformáveis (corpo 1), sendo posicionadas entre uma placa (corpo de contato rígido 3), a qual foi assumida como sendo um corpo rígido (corpo 2). Esses dois corpos rígidos efetuaram a compressão da garrafa. Foi aplicado o modelo de contato mostrado na figura 3 para se simular as condições de compressão. A figura 4 mostra a curva de tensão versus deformação do PET usado no método de elementos finitos. foi assumido que o módulo de elasticidade do PET usado nas garrafas era igual a 3 GPa e que a razão de Poison foi igual a 0,4.