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Characterisation and optimisation of lattice structures embedded with phase change materials = Charakterisierung und Optimierung von in Phasenwechselmaterialien eingebetteten Gitterstrukturen
2025
Dissertation, RWTH Aachen University, 2024
Druckausgabe: 2025. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University
Genehmigende Fakultät
Fak04
Hauptberichter/Gutachter
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Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-09-05
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-02744
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1006820/files/1006820.pdf
URL: https://www.shaker.de/de/site/content/shop/index.asp?lang=de&ID=8&ISBN=978-3-8440-9889-1
Einrichtungen
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
additive manufacturing (frei) ; cellular solids (frei) ; lattice structures (frei) ; lightweight design (frei) ; phase change materials (frei) ; thermal management (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620
Kurzfassung
In Bereichen der Ingenieurwissenschaften, in denen die Masse ein konstruktionsbestimmender Parameter ist, wird eine ganzheitliche Massenreduzierung durch Multifunktionalität als Schlüsselfaktor für die weitere Verbesserung der Leistung von Systemen angesehen. Diese Forschung befasst sich mit dem aufkommenden Bedarf an multifunktionalen Strukturen, die in der Lage sind, gleichzeitig thermische Kontrolle, Energiespeicherung und Lasttragende Anforderungen zu erfüllen. Eine Untersuchung der thermischen und mechanischen Eigenschaften von Gitterstrukturen, die Phasenwechselmaterialien (PCMs) enthalten, wird in dieser Arbeit beschrieben. Die Arbeit beginnt mit einer analytischen Beschreibung der Geometrie von Gitterstrukturen. Anschließend werden die effektiven thermophysikalischen Eigenschaften des homogenisierten Verbundwerkstoffs erforscht, gefolgt von einer sorgfältigen Validierung durch experimentelle Methoden. Darüber hinaus werden die Auswirkungen der natürlichen Konvektion auf die Ausdehnung der Schmelzfront innerhalb des Mediums untersucht. Es werden numerische und experimentelle Analysen für die mit PCM infundierten Gitterstrukturen durchgeführt, wobei der Schwerpunkt auf der Stabilität der Streben liegt, wenn das PCM gefroren ist. Die Studie soll klären, wie die Anwesenheit des Phasenwechselmaterials die strukturelle Integrität des Gitters beeinflusst. Darüberhinaus wird in dieser Arbeit ein multivariater Optimierungsansatz vorgestellt, der neue Wege für die Topologieoptimierung von Gitterstrukturen bietet. Dieser Rahmen ermöglicht die Erforschung optimaler Konfigurationen durch die gleichzeitige Berücksichtigung mehrerer Variablen und bietet so einen umfassenden Ansatz zur Anpassung der Leistung solcher Verbundwerkstoffe. Die Ergebnisse dieser Forschung tragen zu einem tieferen Verständnis des thermischen und mechanischen Verhaltens von zellulären Festkörpern bei, die mit PCM eingebettet sind, und liefern wertvolle Erkenntnisse für Anwendungen in der thermischen Energiespeicherung, in Wärmemanagementsystemen und in anderen verwandten Bereichen.In engineering fields where mass is a design-driving parameter, holistic mass reduction via multi-functionality is seen as a key enabler for further improvement of systems' performance. This research addresses the upcoming need for multi-functional structures capable of concurrently managing thermal control, energy storage, and load-bearing requirements.\\ An investigation on the thermal and mechanical properties of lattice structures incorporating Phase Change Materials (PCMs) is described throughout this thesis. The work commences with an analytical description of the geometry of lattice structures. Then, it delves into the exploration of the effective thermophysical properties of the homogenised composite material, followed by meticulous validation through experimental methodologies. The impact of natural convection on the expansion of the melting front within the medium is considered as well. To elucidate how the presence of the PCM influences the structural integrity of the lattice, numerical and experimental analyses are performed for the PCM-infused lattice structures, focusing on the stability of the struts when the PCM is frozen. Furthermore, the thesis introduces a multi-variate optimisation framework designed to offer novel pathways for topology optimisation of lattice structures. This framework enables the exploration of optimal configurations by considering multiple variables simultaneously, providing a comprehensive approach to tailor the performance of such composites. The findings of this research contribute to a deeper understanding of the thermal and mechanical behaviour of cellular solids embedded with PCMs, providing valuable insights for applications in thermal energy storage, thermal management systems, and other related fields.In summary, this research contributes significantly to the advancement of multi-functional structures, offering a holistic perspective to address the complex demands of aerospace and other applications where mass is a constraint.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
External link: 
Homepage of book
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis/Book
Format
online, print
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT030974476
Interne Identnummern
RWTH-2025-02744
Datensatz-ID: 1006820
Beteiligte Länder
Germany
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