Estudo experimental e numérico da interação fluido-estrutura em embalagens de ketchup

Abstract

O trabalho realizado teve como objetivo compreender a influência do comportamento de fluido no interior de uma embalagem, na resposta mecânica quando sujeita a uma carga de compressão e comparar esse comportamento entre os resultados experimentais e a simulação numérica. Para isso, foram necessários os estudos, experimental em compressão com embalagens de ketchup vazias e com diferentes fluidos no seu interior (sendo estes água e ketchup) e da simulação numérica representativa desses ensaios experimentais. De forma a possibilitar um estudo comparativo mais preciso, entre realidade e simulação, foi relevante estudar a embalagem em relação à sua geometria, espessura, assim como às propriedades do material que a constituem, de modo a caracterizá-la o melhor possível, para utilizar esses dados na simulação. Antes da execução das simulações, foram realizados estudos preliminares a modelos numéricos, tais como, Co-Simulação fluido-estrutura, SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics) e CEL (Coupled Eulerian-Lagrangian), de modo a perceber qual o modelo que melhor se ajusta ao caso de estudo pretendido. A partir dos resultados obtidos chegou-se à conclusão que os melhores modelos seriam o SPH e o CEL, sendo estes os modelos selecionados para simular a compressão da embalagem com fluidos. Os resultados observados dos ensaios experimentais de compressão foram de acordo com o que era previsto, ou seja, na compressão das embalagens vazias estas deformaram mais e a força resultante foi inferior do que nas embalagens com fluido. Isto deve-se ao facto de a pressão interna gerada pelos fluidos contrariar a deformação da embalagem e como tal é necessário que o equipamento de compressão gere mais força para o mesmo deslocamento. Na simulação numérica, com o primeiro estudo (simulação estrutural sem fluido), foi possível validar o modelo de material, assim como todos as condições de entrada, malhas, condições de fronteira, velocidade/deslocamento, interações, pois a curva de força/deslocamento obtida era semelhante à experimental, assim como o comportamento da embalagem. Com a simulação das embalagens com fluido, observou-se também que a curva força/deslocamento obtida era bastante próxima do resultado experimental nos dois modelos numéricos estudados, chegando-se à conclusão que o modelo que melhor representa a realidade é o modelo numérico CEL.

The objective of this project was to understand the influence of the fluid dynamics on the package, on the mechanical response when being subject to a compression charge and compare that behavior between experimental results and numerical simulation. For that, it was necessary the studies, experimental in compression with empty ketchup containers and with fluids on the inside (namely ketchup and water) and numerical simulation representative of those experimental essays. For a more precise comparative study, between reality and simulation, it was relevant studying the container’s geometry, thickness, and the material properties that compose it, in order to better characterize it, for utilizing that data on the simulation. Before the simulations execution, preliminary studies to numerical models were realized, such as, Co-Simulation fluid-structure, SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics) and CEL (Coupled Eulerian-Lagrangian), in order to understanding which model better qualifies for the pretended study. From the obtained results, the conclusion was that SPH and CEL would be the better models, these being selected to simulate the container compression with fluids. The observed results of the compression essays was as expected, that is, the compression of empty bottles had a greater deformation and the resultant force was lower than the containers with fluid. This is due to the internal pressure generated by the fluids that contradict the deformation of the container, as such it is necessary that the compression equipment generate more force for the same displacement. In the numerical simulation, with the first study (structural simulation without fluid), it was possible to validate the material model, as well as all the input’s, meshes, boundary conditions, velocity/displacement, interactions, because the obtained force/displacement curve was similar to the experimental, just like the container behavior. With the simulation of the filled containers with fluid, were also noticed that the curve force/displacement obtained was fairly close to the experimental reality in the two studied numerical models, reaching the conclusion that the better model to represent the reality is the CEL numerical model.