| dc.date.accessioned | 2013-01-28T11:04:54Z | |
| dc.date.available | 2013-01-28T11:04:54Z | |
| dc.date.issued | 2012 | |
| dc.identifier.isbn | 978-3-89958-598-8 | |
| dc.identifier.uri | urn:nbn:de:hebis:34-2013012842468 | |
| dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/123456789/2013012842468 | |
| dc.description | Zugleich: Dissertation, Universität Kassel, 2012 | |
| dc.language.iso | ger | |
| dc.publisher | kassel university press | |
| dc.rights | Urheberrechtlich geschützt | |
| dc.rights.uri | https://rightsstatements.org/page/InC/1.0/ | |
| dc.subject | Polymere | ger |
| dc.subject | Polymerschmelzen | ger |
| dc.subject | Maxwell-Modell | ger |
| dc.subject | viskoelastische Fluide | ger |
| dc.subject | nicht-Newtonsche Fluide | ger |
| dc.subject | Modellierung | ger |
| dc.subject | Simulation | ger |
| dc.subject | inkompressible Fluide | ger |
| dc.subject | Pom-Pom-Modell | ger |
| dc.subject | 4:1 Kontraktion | ger |
| dc.subject.ddc | 620 | |
| dc.title | Modellierung und Simulation viskoelastischer Polymerschmelzen | ger |
| dc.type | Buch | |
| dcterms.abstract | Die vorliegende Dissertation behandelt Kunststoffschmelzen als viskoelastische Fluide, bzw. im allgemeinen als Nicht-Newtonsche Fluide. Schmelzen dieser Art zeigen in der Tat viskoelastisches Verhalten, aber auch u.a. Strukturviskosität bzw. Scherentzähung und
Normalspannungsdifferenzen.
Diese Fülle an verschiedenen, beobachtbaren Phänomene werden mit linearen Ansätzen nicht mehr ausreichend beschrieben. In dieser Arbeit werden Modelle eingesetzt, die auf makroskopischen und mikroskopischen Konzepten basieren. Dazu sei hier das verallgemeinerte Maxwell-Modell genannt. Die Verallgemeinerung geschieht hier, im Gegensatz zu den in der Literatur üblichen Methoden, durch die Reihenschaltung mehrerer Maxwell-Körper mit dem sogenannten anisotropen Molekül-Beweglichkeitstensor. Hierzu wurden drei verschiedene Möglichkeiten zur Beschreibung der anisotropen Orientierungen der Molekül-Netze zugelassen und miteinander verglichen. Dabei spielt die von Giesekus vorgeschlagene Verallgemeinerung eine zentrale Rolle. Aus ihr lässt sich das sogenannte Giesekus-Fluid herleiten. Dieses ist in der Lage, mit einer einzigen Transportgleichung verschiedene Nicht-Newtonsche Phänomene zu beschreiben.
Schwächen zeigen die makroskopischen Modelle hinsichtlich der Beschreibung der Dehnviskosität. Diese Problematik wird in der aktuellen Forschung durch die mögliche Trennung der Modellierung des Dehnverhaltens vom Scherverhalten, mit dem auf mikroskopischen Konzepten basierenden Pom-Pom Modell teilweise behoben. Es zeigt sich, dass die Beschreibung der Dehnviskosität in stationären und transienten Deformationen bzw. Deformationsgeschwindigkeiten weiterhin ein offenes Problem darstellt.
Im Rahmen des SFB-Transregio 30 spielen die beiden Kunststofffamilien Polycarbonat und Polypropylen eine zentrale Rolle. Dabei werden durch Dehnbeanspruchungen gewünschte Eigenschaften im Endmaterial herbeigeführt. Für diese Arbeit wurden im
Rahmen von Studienarbeiten mehrere Dehn- aber auch Schermessungen unternommen.
Die Parameteridentifikation zur Anpassung der Materialmodelle geschah im Falle einer transienten Optimierung mit der Kopplung einer Runge-Kutta-Integrationsmethode 4-5 Ordnung und einer auf der Basis der Evolutionsstrategie basierenden Optimierungsmethode.
Für die in stationären Messungen zu erhaltenen Parameter wurde die Evolutionsstrategie in Verbindung mit einer Newton-Raphson-Methode gekoppelt. Um Kunststoffschmelzen unter hohen Dehnbeanspruchungen und komplexen Geometrien simulieren zu k¨onnen, wurden in dieser Arbeit die Bilanzgleichungen der Mechanik und die Materialmodelle in Form einer Transportgleichung mit dem Konzept der Finiten Volumen diskretisiert. Hier zeigt sich durch die Flexibilität der erwähnten Methoden und der ausgeprägten Bandstruktur der Koeffizienten-Matrizen der linearisierten Gleichungssysteme die Vorteile der Finite-Volumen-Methode, im Gegensatz zu der
üblichen Finite-Element-Methode. Die hyperbolischen Eigenschaften der viskoelastischen Materialmodelle verursachen erhebliche Schwierigkeiten in der Kopplung des Differentialgleichungssystems mittels eines SIMPLE bzw. PISO Verfahrens. Durch das Fehlen
des Laplace-Operators ist die allgemeine Reynoldsche Transportgleichung nicht mehr erfüllt. Dies verursacht einen undefinierten Typ von Differentialgleichungen, der sich über Zeit und Raum ändert. Die Stabilisierung der numerischen Simulation in dieser Arbeit wurde mit der klassischen Viscous-Formulation-Methode und mit einer modifizierten Elastic-Viscous-Stress-Splitting-Methode, der sogenannten Discrete-Elastic-Viscous-Stress-Splitting-Methode, vorgenommen. Die künstlich hinzu gebrachten Diffusionsgrößen werden implizit und explizit behandelt. Diese Methode erfordert mehrere SIMPLE bzw. PISO Iterationen, erhöht aber die Stabilität um ein Vielfaches.
Die Implementierung wurde in der Open-Source Finite-Volumen Biblothek OpenFOAM durchgeführt. Die Genauigkeit des Codes wurde anhand eines Benchmarks bewiesen. Hierbei konnten auch f¨ur extrem große Deborah Zahlen stationäre Lösungen gefunden werden.
Diese stimmen auch mit mehreren in der Literatur veröffentlichten Ergebnissen überein. Des Weiteren wurde mittels des invarianten Raums des Verformungsgeschwindigkeitstensors eine Visualisierung der Strömungsart ermöglicht. Um im Rahmen der Modellierungseinflüsse bezüglich des anisotropen Molekülbeweglichkeitstensors auf die Strömungsfelder zu verweisen, wurde eine Cross-Slot Geometrie gerechnet. Dabei zeigt sich, dass die Strömungsarten davon abhängen, wie sich die Dehnviskosität des Modells verhält. Zuletzt wurde mittels der ALE-Formulierung der konvektiven Flüsse und der dynamischen Netzgenerierung ein 2D und 3D Pressvorgang simuliert. Dabei konnten erstaunliche Ergebnisse bezüglich der Extraspannungen und der Dehnregionen des gepressten Materials ermittelt werden. | ger |
| dcterms.abstract | This present thesis deals with polymer melts, which are treated as viscoelastic fluids and in general as Non-Newtonian fluids. Polymer melts show a wide range of phenomena, e.g. shear thinning behavior and normal stress differences.
This wide range of phenomena are handled with non-linear approaches. The present work uses material models that are based on macroscopic and microscopic assumptions. Here, the generalized Maxwell model is used. In contrast to the generalization via a multi mode of the Maxwell model we generalize the model with the so-called anisotropic mobility tensor. Three different anisotropic mobility tensors were used in order to describe the possible anisotropic molecule network orientation. The Giesekus generalization plays a major role, from where a Giesekus fluid is derived. This fluid is able to describe a lot of phenomena with a minimum of material parameters.
Models that are based on the macro approach show some weakness in case of describing the elongation viscosity. New micro approaches, the so-called Pom-Pom fluids, are able to decouple the shear and elongation properties. But, it is well known that the distribution of the steady state and transient elongation viscosity is still an open problem of this area of research.
Under the SFB-Transregio 30 project the polymer families polycarbonate and polypropylene are of major interest. Within the project, the polymers are deformed in highly elongation dominated procedures in order to obtain special properties of the end product. For this work experimental data of elongation- and shear viscosity are supplied from several theses. The identification of material parameters is treated with a Runge-Kutta 4-5 order integration method coupled with an evolution based optimization method. In case of steady state measurements the evolution strategy is coupled with a Newton-Raphson method. In order to simulate polymer melts under high elongation deformations and in complex geometries, the governing equation set of continuity, momentum and material model is discretized with the finite volume method. The flexibility of the mentioned method and the pronounced diagonal structure of the coefficients matrix are shown to be not negligible to the finite element method. The hyperbolic character of the viscoelastic material models results in considerable difficulties in the coupling of the governing equation system with a SIMPLE or PISO process.
The general Reynolds transport equation is not more satisfied because of the missing Laplacian operator. This changes the type of the differential equation set both in time and space. To stabilize the numerical simulation we use the classical Viscous Formulation method and a modified Elastic Viscous Stress Splitting method, the so-called Discrete Elastic Viscous Stress Splitting method. The additional diffusional quantities are treated implicit and explicit. This method demanded several SIMPLE and accordingly PISO iteration steps. Nevertheless, the simulations are stabilized in a crucial way. The implementation is done with the Open-Source Finite-Volume library OpenFOAM. To
show the stability and accuracy of the code a benchmark over a wide range of Deborah numbers is performed. In this work we could obtain steady state solutions even at very high Deborah numbers. The comparison to the literature shows a very good agreement of the results. However, to visualize the flow type we introduce a flow type parameter
with the help of the invariants of the rate of deformation tensor. To show the effect of the chosen anisotropic molecule mobility tensor, the Cross-Slot geometry is simulated. Also, it has been shown that the flow type regions depend on the elongation viscosity that is coupled with the anisotropic molecule mobility tensor. Furthermore, the ALE-formulation of the convective part of the transport equations in connection with the dynamic mesh generation methods is used to simulate 2D and 3D pressing processes. Here, it has been shown that the additional stress parts are affected by the elongation viscosity. | eng |
| dcterms.accessRights | open access | |
| dcterms.creator | Baldawi, Ammar al- | |
| dcterms.dateAccepted | 2012-08-24 | |
| dcterms.extent | XVII, 202 Seiten | |
| dc.contributor.corporatename | Kassel, Universität Kassel, Fachbereich Maschinenbau | |
| dc.contributor.referee | Wünsch, Olaf (Prof. Dr.) | |
| dc.contributor.referee | Böhme, Gert (Prof. Dr.) | |
| dc.publisher.place | Kassel | |
| dc.subject.swd | Polymere | ger |
| dc.subject.swd | Polymerschmelze | ger |
| dc.subject.swd | Viskoelastizität | ger |
| dcterms.source.series | Berichte des Instituts für Mechanik | |
| dcterms.source.volume | 2/2012 | |
| kup.iskup | true | |
| kup.price | 29,00 | |
| kup.series | Berichte des Instituts für Mechanik | |
| kup.subject | Naturwissenschaft, Technik, Informatik, Medizin | |
| kup.typ | Dissertation | |
| kup.institution | FB 15 / Maschinenbau | |
| kup.binding | Softcover | |
| kup.size | DIN A5 | |
