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Development of a block-coupled finite volume methodology for non linear elasticity

Ribeiro de Azevedo, Lucas (2021):
Development of a block-coupled finite volume methodology for non linear elasticity. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität,
DOI: 10.26083/tuprints-00013305,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Development of a block-coupled finite volume methodology for non linear elasticity
Language: English
Abstract:

A "rheinforce'' composite consists of a laminar sheet of compacted micro-agglomerated cork engraved by laser with a network of microchannels and filled with a concentrated aqueous solution of shear-thickening fluid. Using it for personal protection equipment, as an energy-absorbing material layer, is one of its important applications. An accurate numerical modeling of such material is not currently available and would be a valuable tool during design and manufacturing processes.

A virtual dynamic drop tower test can be used to shed lights on the dynamics of the energy dissipation of the "rheinforce" composite. From the continuum mechanics point of view, it can be translated into an initial-boundary value problem with enclosed-Fluid-Structure Interaction, contact boundary and rigid body dynamics.

The open-source OpenFOAM toolbox called Solids4foam (S4F) offers a very attractive starting point to build a solver for that initial-boundary value problem. Not only because no commercial software available (as far as the author is aware) is as customizable as needed, but also because S4F offers a strongly-coupled Fluid-Structure Interaction with fully customizable and replaceable solid and fluid solvers. Furthermore, these solvers are constructed based on only one numerical framework, the Finite Volume Method.

Unfortunately, numerical simulations revealed that the current finite volume methodologies for solid mechanics implemented in S4F, i.e. Segregated (SEG) and the recently developed Block-Coupled (BC), cannot simulate the solid part of the "rheinforce'' composite under the finite strain regime. Moreover, the SEG method supports general materials (in theory any material law can be used), but it can be very slow. The BC method is fast, but only Hooke's law (an infinitesimal strain model) is supported.

The principal aim of the thesis is to present the development of a new BC methodology that preserves, in a great extent, the fast convergence of the original BC and material generality (only requiring the elasticity tensor to have right-minor symmetry) of SEG.

This work also demonstrates that the Field Operation and Manipulation (FOAM) concept should be implemented in a high-level programming environment to fill an important "prototyping gap'' left untouched by OpenFOAM and S4F, that is, between concept development and concept implementation in a high-performance programming language.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Ein "Rheinforce"-Verbundwerkstoff besteht aus einer laminaren Schicht aus Kork, in welche mittels Lasertechnik ein Netzwerk von Mikrokanälen eingefräst wurde, die mit einer konzentrierten wässrigen Lösung einer scher-verfestigenden Flüssigkeit gefüllt sind. Eine der wichtigsten Anwendungen ist der Einsatz als energieabsorbierende Materialschicht in persönlichen Schutzausrüstungen. Bis heute gibt es keine genaue numerische Modellierung für ein solches Material, welche allerdings für den Prozess des Designs und der Herstellung sehr nützlich wäre.

Ein virtueller dynamischer Fallturmtest kann angewendet werden, um die Dynamik der Energiezerstreuung des "Rheinforce"-Verbundmaterials zu erforschen. Vom Standpunkt der Kontinuumsmechanik kann die Dynamik als Anfangs-Randwertproblem mit der Interaktion zwischen Struktur und eingeschlossener Flüssigkeit (Fluid-Strukturkopplung), Kontaktgrenze und Festkörperdynamik betrachtet werden.

Das Open-Source Werkzeug Solids4foam (S4F) von OpenFOAM bietet einen attraktiven Ausgangspunkt für die Entwicklung eines Programms zur Lösung des Anfangs-Randwertproblems. Gründe dafür sind, dass es – soweit dem Autor bekannt - keine kommerzielle Software gibt, welche so gut den jeweiligen Bedürfnissen angepasst werden kann, und dass S4F eine stark gekoppelte Fluid-Struktur-Interaktion mit anpassungsfähigen und austauschbaren Lösungsprogrammen für Feststoffe und Lösungen anbietet. Außerdem basieren diese Lösungsprogramme auf einem einzigen numerischen Grundgerüst, dem Finite-Volumen-Verfahren.

Leider zeigten numerische Simulationen, dass die aktuellen Finite-Volumen-Verfahren, die Teil des S4F Werkzeuges sind, d.h. das segregierte (SEG) und das kürzlich entwickelte Block-Coupled (BC) Verfahren nicht in der Lage sind, den Festkörperanteil des "Rheinforce"-Verbundmaterials unter endlichen Belastungskonditionen zu simulieren. Außerdem unterstützt die SEG-Methode allgemeine Materialien (theoretisch kann jedes Materialgesetz verwendet werden) aber die Methode ist sehr zeitaufwendig. Die BC-Methode ist schnell, kann aber nur das Hookesche Gesetz (eine infinitesimale Spannungstheorie) unterstützen.

Das Hauptziel dieser Doktorarbeit ist die Entwicklung einer neuen BC-Methode, welche weitgehend die schnelle Konvergenz der ursprünglichen BC-Methode und die materielle Allgemeinheit (welche nur des Elastizitätstensors bedarf, um die rechte Nebensymmetrie zu erhalten) von SEG beibehält.

Diese Arbeit zeigt auch, dass das Field Operation And Manipulation (FOAM) Konzept in höheren Programmierumgebungen eingeführt werden sollte, um eine wichtige "Prototypisierungs-Lücke" zu schließen, welche bei OpenFOAM und S4F besteht, d.h. zwischen Konzeptentwicklung und Konzepteinsatz in einer höheren Programmiersprache.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xiv, 107 Seiten
Classification DDC: 000 Allgemeines, Informatik, Informationswissenschaft > 004 Informatik
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 510 Mathematik
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering > Institute of Numerical Methods in Mechanical Engineering (FNB)
Exzellenzinitiative > Graduate Schools > Graduate School of Computational Engineering (CE)
Date Deposited: 27 Apr 2021 10:40
Last Modified: 27 Apr 2021 10:40
DOI: 10.26083/tuprints-00013305
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-133052
Referees: Schäfer, Prof. Dr. Michael ; Galindo-Rosales, Prof. Dr. Francisco José ; Cardiff, Prof. Dr. Philip
Refereed: 15 July 2020
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/13305
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