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| 001 | 842201 | ||
| 005 | 20230411161741.0 | ||
| 024 | 7 | _ | |2 HBZ |a HT021278221 |
| 024 | 7 | _ | |2 Laufende Nummer |a 41088 |
| 024 | 7 | _ | |2 datacite_doi |a 10.18154/RWTH-2022-02286 |
| 037 | _ | _ | |a RWTH-2022-02286 |
| 041 | _ | _ | |a English |
| 082 | _ | _ | |a 624 |
| 100 | 1 | _ | |0 P:(DE-82)IDM02488 |a Felder, Sebastian |b 0 |u rwth |
| 245 | _ | _ | |a Multiphysics modeling of polymers and metals : experimental and numerical investigations |c vorgelegt von Sebastian Felder, M.Sc. |h online |
| 246 | _ | 3 | |a Multiphysikalische Modellierung von Polymeren und Metallen : Experimentelle und numerische Untersuchungen |y German |
| 260 | _ | _ | |a Aachen |b RWTH Aachen University |c 2022 |
| 300 | _ | _ | |a 1 Online-Ressource : Illustrationen |
| 336 | 7 | _ | |0 2 |2 EndNote |a Thesis |
| 336 | 7 | _ | |0 PUB:(DE-HGF)11 |2 PUB:(DE-HGF) |a Dissertation / PhD Thesis |b phd |m phd |
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| 336 | 7 | _ | |2 ORCID |a DISSERTATION |
| 500 | _ | _ | |a Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University |
| 502 | _ | _ | |a Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2022 |b Dissertation |c Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen |d 2022 |g Fak03 |o 2022-02-04 |
| 520 | 3 | _ | |a Aufgrund der stetig wachsenden Rechenleistung moderner Computer werden numerische Simulationsmodelle heutzutage in allen Ingenieurdisziplinen eingesetzt. Digitale Zwillinge (d.h. die virtuelle Replikation physikalischer Objekte) werden beispielsweise in der Entwurfs- und Entwicklungsphase von Produkten oder Prozessen eingesetzt und ermöglichen diese im Vorfeld zu analysieren, auszulegen und zu optimieren. Zur Simulation technischer (gekoppelter multiphysikalischer) Probleme hat sich insbesondere die Finite-Elemente-Methode (FEM) etabliert. Die Güte von FEM-Analysen ist jedoch im Wesentlichen von den zugrundeliegenden Materialmodellen bestimmt. Bis heute werden daher neue konstitutive Modelle entwickelt, die immer komplexere Phänomene und Effekte abbilden, um möglichst realitätsnahe Vorhersagen zu erzielen. So stellt die Simulation nicht-isothermer Umformprozesse (z.B. Warm- und Heißblechumformung, Thermoformen von thermoplastischen Kunststoffen oder Glas) bis heute eine anspruchsvolle Aufgabe dar. Dies lässt sich insbesondere auf die folgenden Herausforderungen bei der Werkstoffmodellierung zurückführen: Das eingesetzte Material erfährt im Zuge der Umformung große irreversible Verformungen, weshalb nur konstitutive Ansätze unter der Berücksichtigung großer Deformationen zu zuverlässigen Ergebnissen führen. Darüber hinaus treten komplexe (zeitabhängige) inelastische Deformationsmechanismen auf. Bei den meisten Werkstoffen (wie z.B. Metallen und Polymeren) führen diese irreversiblen Prozesse, insbesondere bei höheren Umformgeschwindigkeiten, zu einer signifikanten Eigenerwärmung des Materials. Außerdem müssen die temperaturabhängigen mechanischen Eigenschaften und die Ausbildung von Eigenspannungen berücksichtigt werden. Zudem treten sowohl bei Metallen als auch bei Polymeren mikrostrukturelle Phasenumwandlungen im Zuge der nicht-isothermen Prozessführung auf, welche die effektiven Eigenschaften des resultierenden Bauteils maßgeblich beeinflussen. Insgesamt ergibt sich deshalb eine komplexe wechselseitige Kopplung der mechanischen Größen mit der Temperatur und den entsprechenden Phasentransformationen. Zur Modellierung von Materialschädigung und der Ausbreitung von Rissen müssen des Weiteren nicht-lokale Schädigungsansätze integriert werden, um netzunabhängige Ergebnisse zu gewährleisten. Dies führt bei gradientenerweiterten Schädigungsansätzen zu zusätzlichen Bilanzgleichungen, welche neben der klassischen Energie- und Impulsbilanz gelöst werden müssen. Die gekoppelte Modellierung dieser vielfältigen physikalischen Phänomene ist ein herausforderndes und wichtiges Thema, für das weiterhin ein dringender Forschungsbedarf besteht. Die vorliegende kumulative Dissertation soll einen wertvollen Beitrag dazu leisten. Ziel dieser Dissertation ist die Entwicklung multiphysikalischer Modellierungsansätze für Polymere und Metalle, um in Zukunft eine möglichst realitätsnahe Simulation der oben genannten Prozesse zu ermöglichen. Im Wesentlichen umfasst diese Arbeit eine Zusammenstellung veröffentlichter Publikationen des Autors (und seiner Koautorinnen) im Kontext der genannten Thematik. In einer Einleitung erfolgt zu Beginn die detaillierte Ausführung der betrachteten Forschungsfragen. Außerdem wird ein aktueller Literaturüberblick gegeben. Die darauffolgenden ersten beiden Veröffentlichungen befassen sich in erster Linie mit der experimentellen Untersuchung und Modellierung teilkristalliner Polymere. In der ersten Arbeit werden zunächst umfängliche experimentelle Daten bezüglich des mechanischen Verhaltens von Polyamid 6 erhoben. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen erfolgt die Entwicklung eines isothermen kontinuumsmechanischen Materialmodells. Die zugrundeliegende Formulierung basiert auf einem gekoppelten visko-hyperelastischen, elasto-plastischen Ansatz, bei dem nichtlineare Relaxations- und Verfestigungsprozesse berücksichtigt werden. Die Temperatur sowie der Kristallinitätsgrad dienen als konstante Eingangsparameter, die das effektive Materialverhalten beeinflussen. In der zweiten Arbeit wird das Modell zu einer thermo-mechanisch gekoppelten Formulierung weiterentwickelt. Hierin dient der Kristallinitätsgrad nun als eine von der Temperatur-geschichte abhängige interne Variable. Der prozessabhängige Kristallisationsprozess und die korrespondierenden (lokal variierenden) Veränderungen des makroskopischen Verhaltens können somit abgebildet werden. Darüber hinaus wird aus der Energiebilanz die Wärmeentwicklung infolge irreversibler Deformationsprozesse und infolge des exothermen Kristallwachstums abgeleitet. Das vorhergesagte mechanische Verhalten, die Kristallisations- wärme sowie die Eigenerwärmung infolge großer Deformationen zeigen qualitativ und quantitativ eine gute Übereinstimmung mit den Experimenten. Die dritte Arbeit befasst sich mit dem komplexen Zusammenspiel aus plastischen Verformungen, Schädigungsprozessen und der Temperatur, die im Zuge von Umformprozessen in Metallen auftreten. Dazu wird ein gradientenerweitertes, thermo-mechanisch gekoppeltes Konstitutivgesetz entwickelt. Das mechanische Verhalten wird basierend auf der Arbeit von Brepols 2020 über einen Zwei-Flächen Schädigungs-Plastizitätsansatz beschrieben. Die entsprechenden Rückkopplungen dieser dissipativen Prozesse auf das Temperaturfeld werden aus der Energiebilanz hergeleitet. Zur Lösung der drei globalen Lösungsfelder (Verschiebung, Temperatur und nicht-lokale Schädigungsvariable) wird ein impliziter und monolithischer Algorithmus implementiert und im Detail diskutiert. Auf diese Weise können die komplexen Wechselwirkungen zwischen den zuvor genannten Phänomenen netzunabhängig abgebildet werden. |l ger |
| 520 | _ | _ | |a Due to the steadily increasing computing power of modern computers, numerical simulation is nowadays used in all engineering disciplines. For example, digital twins (i.e. the virtual representation of physical objects) are employed in the conception and development phase of products or processes to analyze, design and optimize them in advance. In particular, the finite element method (FEM) has established itself as a well-proven tool for the simulation of technical (coupled multiphysical) problems. However, the accuracy and reliability of the predictions made in the course of finite element analyses are essentially dependent on the underlying material models. Therefore, new models are still developed today, in order to represent increasingly complex phenomena and effects and to achieve predictions that are as close to reality as possible. In particular, the modeling of the material behavior in the context of non-isothermal forming processes (e.g. warm and hot sheet metal forming and thermoforming of thermoplastics or glass) represents a complicated task. Here, the following challenges arise: In general, the materials are formed under large irreversible deformations. Consequently, only finite strain constitutive theories lead to reliable results. Furthermore, complex (time-dependent) inelastic deformation mechanisms occur. For most materials (such as metals and polymers), these irreversible processes lead to significant self-heating of the material, especially at higher forming rates. In addition, the temperature-dependent mechanical properties and the formation of residual stresses in the course of non-isothermal processes must be taken into account. Moreover, temperature dependent microstructural phase transformations occur in metals as well as in polymers during the cooling process, which have a significant influence on the effective properties of the manufactured components. Therefore, a complicated coupling of the mechanical quantities with the temperature and the corresponding phase transformations arises. If damage and crack propagation are to be considered in the course of modeling, the complicating necessity to integrate non-local damage approaches arises, in order to exclude undesired mesh-dependent results. For gradient-extended damage concepts, this leads to the introduction of additional balance equations, which have to be solved in addition to the classical balances of energy and linear momentum. The coupled modeling of these multiple physical phenomena is a challenging and relevant task, which still requires fundamental research. This cumulative dissertation aims to make a valuable contribution in this regards. The overarching objective of the current work is the development of coupled multiphysics modeling approaches for polymers and metals in order to enable more realistic simulations of the above-mentioned processes in the future. Essentially, this work comprises a collection of published research articles by the author (and his co-authors), in the context of the aforementioned topic. In the introduction, the research-relevant questions are elaborated in detail. In addition, an up-to-date literature review is provided. The subsequent first two publications deal with the experimental investigation and modeling of semi-crystalline polymers. In the first paper, extensive experimental data regarding the mechanical behavior of semi-crystalline polyamide 6 is collected. Based on this data, a new isothermal continuum mechanical material model is developed. The underlying formulation is based on a coupled visco-hyperelastic, elasto-plastic approach in which nonlinear relaxation and strain hardening effects are considered. The temperature as well as the degree of crystallinity serve as constant input parameters, which significantly influence the effective material behavior. In the second paper, a thermo-mechanically coupled extension of the former model is proposed. The degree of crystallinity is now treated as a non-constant internal variable, which is dependent on the temperature history. Thus, the processing induced microstructural crystallization kinetics and the corresponding (locally varying) changes in the macroscopic behavior can be represented. In addition, the heat generation due to irreversible deformation processes and exothermic crystal growth is derived from the energy balance. The predicted mechanical behavior, the heat of crystallization, as well as the self-heating due to large irreversible deformations show qualitatively and quantitatively a good agreement with experiments in three-dimensional structural examples. The third and last article in this dissertation deals with the complex interplay between plastic deformations, damage processes and temperature, which occurs in metals during e.g. forming processes. To this end, a gradient-extended thermo-mechanically coupled constitutive framework is developed. The modeling of the mechanical behavior is based on the work of Brepols 2020, where a two-surface damage plasticity approach is proposed. The heat generation of these dissipative processes are derived from the energy balance in a consistent manner. A fully implicit and monolithic algorithm is presented and discussed in detail for solving the three global solution fields (i.e. displacement, temperature, and nonlocal damage variable). In this way, mesh-objective descriptions of the complex interactions between the aforementioned phenomena can be resolved. |l eng |
| 588 | _ | _ | |a Dataset connected to Lobid/HBZ |
| 591 | _ | _ | |a Germany |
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| 700 | 1 | _ | |0 P:(DE-82)IDM00720 |a Reese, Stefanie |b 1 |e Thesis advisor |u rwth |
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| 787 | 0 | _ | |0 RWTH-2020-08064 |i RelatedTo |
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