Конечно-элементное моделирование изготовления и анализ прочности ПЭТ бутылки (2008 г.)

В 2008 г. в лаборатории "Вычислительная механика" (CompMechLab) выполнено многовариантное моделирование полиэтиленовой (ПЭТ) бутылки.

ПЭТ бутылка была создана в 1977 г., когда с целью ограничить выпуск двухлитровой стеклянной тары компания Pepsi совместно с фирмой Du Pont разработала новые бутылки из полиэтилентерефталата для напитков «Пепси-кола». Спустя два года в подобные емкости разливали «Кока-Колу», а к 90-м гг. ПЭТ бутылки приобрели такую популярность, что составили серьезную конкуренцию стеклянным бутылкам вместимостью 0,5 и 0,33 литра.

Залогом успеха новой емкости у покупателей стали ее прочность, герметичность и легкий вес, у производителей – упрощение и удешевление процессов разработки и освоения в производстве, и как следствие, снижение себестоимости. К тому же, несомненным преимуществом ПЭТ бутылки стала возможность ее полной утилизации.

ПЭТ бутылки изгтовливаются методом выдувания с помощью специальных машин. Изначально из сухого и предварительно нагретого полимера изготваливаются заготовки (преформы) разного размера, формы, с разным весом, цветом и исполнением горловины.

Преформы для ПЭТ бутылок	Готовые ПЭТ бутылки
рисунки с http://www.alphaplast.ru/

 

Преформы поставляются из бункера ленточным конвейером к установке, которая направляет их в нужном положении. Затем они нагреваются в печи с помощью инфракрасных ламп и попадают непосредственно в выдувную машину.

 

Выдувная машина SIAPI EASP20.200/2
рисунки с www.tma1992.ru

 

Процесс выдувания бутылок осуществляется в трех фазах - вытяжка (с помощью стержня), предварительное выдувание и окончательное выдувание. Благодаря такому изготовлению бутылки обеспечивается равномерное распределение материала. Отформованные и охлажденные бутылки передаются на выходной конвейер.

Процесс выдува бутылки
Рисунок Ottmar Brandau, OB Plastics Consulting

Математическое моделирование процесса выдувания бутылки, а также последующего ее механического нагружения является чрезвычайно актуальной темой исследований. Применение CAE-технологий на ранних стадиях разработки дизайна новых бутылок и проектирования преформ позволяет оптимизировать вес бутылки, улучшить ее механические характеристики. Также с помощью программных систем конечно-элементного анализа становится возможным заменить дорогостоящие тесты физических прототипов бутылок (например, тесты на максимальное внутреннее давление, устойчивость под действием вертикальной нагрузки, дроп-тест) на компьютерное моделирование. 

В настоящей работе продемонстрировно применение CAE-технологий для анализа ПЭТ бутылки на конкретном примере. На первом этапе исследования создана CAD-модель бутылки на основе реального прототипа, а также модель преформы на основе чертежа.

Бутылка	3-D SolidWorks-модель ​(CompMechab)	Чертеж преформы

 

Затем проведено моделирование выдувания бутылки (injection stretch blow molding). Параметры процесса - зависимость давления и перемещения растягивающего стержня от времени представлены на графике.

 

Разработанная конечно-элементная модель содержит 49033 узла и 97900 элементов. Преформа моделируется при помощи модели вязкоупругого материала и считается в начальный момент равномерно нагретой до заданной температуры. Решается нестационарная нелинейная задача термовязкоупругости с учетом контактного взаимодействия. Результаты решения представлены на рисунках ниже, а также в виде анимаций.

В результате решения задачи получена окончательная форма бутылки, распределение толщины стенки в зависимости от высоты, а также распределение остаточных температур (после выдувания) и напряжений (после остывания).

 

Распределение толщины стенки бутылки (CompMechLab)		Остаточная температура (CompMechLab)

 

 

 

Остаточные эквивалентные напряжения (CompMechLab)

На основе полученных данных выполнен анализ прочности бутылки под действием внутреннего давления. Материал бутылки принят линейно-упругим. Полученные распределения радиальных перемещений и эквивалентных по Мизесу напряжений представлены ниже. На основе значений эквивалентных напряжений можно сделать выводы о максимально допустимом внутреннем давлении в исследуемой бутылке.

Также проведен расчет устойчивости пустой бутылки под действием вертикальной нагрузки, приложенной к горловине. Форма потери устойчивости представлена ниже. На основе проведенных исследований можно сделать выводы о максимально допустимой вертикальной нагрузке на бутылку.

 

Действие внутреннего давления		Действие вертикальной нагрузки
Радиальные перемещения (CompMechLab)	Эквивалентные напряжения (CompMechLab)	Перемещения ​(CompMechLab)

 

вид сбоку	вид сверху	вид сбоку
Анимация: потеря устойчивости полиэтиленовой бутылки (нелинейная динамическая задача)		Анимация: моделирование процесса выдувания бутылки

 

Потеря устойчивости полиэтиленовой бутылки (нелинейная динамическая задача)

вид сбоку

вид сверху

 

Моделирование процесса выдувания бутылки

вид сбоку

Если Вас заинтересовало данное исследование, то пожалуйста ознакомьтесь с подробным описанием решенных задач.