Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
On the Use of Consistent and Non-consistent Beam-to-Beam Contact Formulations in Implicit Finite Element Analyses with Large Deformations
KTH, School of Engineering Sciences (SCI), Solid Mechanics (Dept.), Solid Mechanics (Div.).ORCID iD: 0000-0002-5112-1289
2018 (English)Report (Refereed)
Place, publisher, year, edition, pages
2018. , p. 45
Series
TRITA-SCI-RAP ; 2018:003
National Category
Applied Mechanics Other Mechanical Engineering Paper, Pulp and Fiber Technology
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-223230OAI: oai:DiVA.org:kth-223230DiVA, id: diva2:1183023
Note

QC 20180219

Available from: 2018-02-15 Created: 2018-02-15 Last updated: 2018-02-19Bibliographically approved
In thesis
1. Beam-to-Beam Contact and Its Application to Micromechanical Simulation of Fiber Networks
Open this publication in new window or tab >>Beam-to-Beam Contact and Its Application to Micromechanical Simulation of Fiber Networks
2018 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]

This doctoral thesis covers the topic of modeling the three-dimensional fiber net- works with the finite element method. It contains the part addressing the numerical aspects of the modeling, namely, the contact formulation and application of the developed methods to the fundamental questions such as the effect of randomness in fiber properties and effect of fines and hygroexpansion.

In the approached used in the work,  the fibers were meshed with beam elements  and the bond between fibers is modeled using point-wise beam-to-beam contact. Contact between beam elements is a specific category of contact problems, which  was introduced by Wriggers and Zavarise in 1997 for normal contact [1] and later extended by Zavarise and Wriggers to include tangential and frictional contact [2]. These formulations encompass a large number of derivations and provide the consistent tangent matrix. We showed, however, the resulting numerical implementations based on these consistent formulations are not sufficiently robust in modeling random fiber networks with a large number of contacts.  In the first papers, we proposed a simpler non-consistent formulation, which turned out to be superior in terms of convergence stability with respect to the load step size for a wide range of loading cases. Having these advantages, it remained equally accurate as the original formulation.  The first paper covered the formulation of normal and tangential contact, and the second paper contains two formulations with both the consistent and non-consistent linearizations for in-plane rotational contact of beams.

We use the developed formulations to address fundamental problems within the area of fiber networks, which  cannot  be solved  purely  with  experimental  tools.  In  the third article, we investigated the effect of fiber and bond strength variations on the tensile stiffness and strength of fiber networks and concluded that in cases of skewed distribution, using mean values for fiber and bond properties instead of the distributions is not always adequate to assess the changes these properties have on the average mechanical characteristics of the entire network.

In the fourth paper, the mechanisms behind the improvement of stiffness and strength after PFI refining in the papermaking process is investigated. The PFI refiner is very popular for studying the effect of refining in the lab scale. By using a combination of experimental and numerical tools, we found that density, which is often mentioned as  the main reason behind the improvement of mechanical properties after PFI re- fining, cannot solely explain the degree of the change observed experimentally. We concluded the remaining part of the improvement is caused by the fibrillar fines, in particular, by the fines that cannot be detected with modern automated fiber characterization tools due to the limited resolution of such tools.

Finally, in the fifth paper, we suggested a multi-scale model to study hygroexpan- sion/shrinkage properties of paper. Due to the anisotropy of the fibers, the stress transfer at the bonded sites has a dominant role in the behavior of paper when exposed to moisture change. While we modeled the bonds between fibers using point-wise contact elements, such stress transfer requires a finite contact area. To solve this limitation and yet preserve the advantages for using beams for modeling fiber networks, we developed a concurrent multi-scale approach.  In this approach,  the bond model is resolved for every bond in the network, and the exchange between the network and bond model is maintained through the current configuration of the fibers being passed to the bond scale,  and the inelastic strains being transferred   back to the network scale. We demonstrated the effectiveness of such approach by comparing it with a full-scale continuum model.  Using this approach, we were able  to complete the existing experimental observation with key insights using the ad- vantage of having unlimited access to the details of the network at each stage of the deformation.

Abstract [sv]

Denna doktorsavhandling behandlar modellering av tredimensionella fiber-nätverk med finita element metoden. Dels studeras numeriska aspekter av modelleringen, framförallt formuleringen  av  kontakten  mellan  fibrer,  och  dels  tillämpningar  av  de utvecklade metoderna på fundamentala frågor som effekten av spridning i fiberegenskaper, inverkan av finmaterial och hygroexpansion.

I den  metod  som  används  i  avhandlingen  representeras  fibrer  av  balkelement  och fogen mellan fibrer modelleras med hjälp av en punktvis balk-till-balk kontakt. Kontakt mellan balkelement är en särskild typ av kontaktproblem som introducerades av Wriggers och Zavarise 1997 för normal kontakt [1] och sedan utvidgades av Zavarise och Wriggers till att inkludera även tangentiell kontakt samt kontakt med friktions-villkor  [2].  Dessa formuleringar  bygger  på  omfattande  härledningar  som  resulterar i en konsistent tangentstyvhetsmatris. I avhandlingen visas att den numeriska implementeringen  av  den  konsistenta  formuleringen  inte  är  tillräckligt  robust  för  att användas  vid  slumpmässigt  deponerade  fibernätverk  som  innehåller  ett  stort  antal kontakter.  I  de  två första  artiklarna  i  avhandlingen  presenteras  en  enklare,  icke- konsistent,  formulering  som  visar  sig  ha  ett  mer  stabilt  konvergensbeteende  för  ett stort antal lastfall. Utöver detta är formuleringen lika exakt som den konsistenta formuleringen.  Den  första  artikeln  behandlar  formuleringen  av  normal  och  tangentiell kontakt  och  den  andra  artikeln  innehåller  två  formuleringar  med  både  konsistenta  och icke-konsistenta linjäriserade formuleringar för rotationskontakt mellan balkar i  ett plan.

Vi  använde  de  utvecklade  formuleringarna  för  att  studera  fundamentala  problem inom fibernätverk som inte kan lösas med rent experimentella metoder. I den tredje  artikeln  undersöks  effekten  av  variationer  i  fiber-  och  fogstyrka  på  dragstyvhet och nätverksstyrka och slutsatsen kan dras att för skeva fogstyrkefördelningar leder användandet av medelvärden för fibrers och fogars styrkeegenskaper istället för hela fördelningen inte till en representativ beskrivning av nätverket.

I  den  fjärde  artikeln  undersöks  mekanismerna  bakom  förbättringar  i  styvhet  och styrka  efter  PFI-malning,  vilket  är  en  vanlig  metod  för  att  studera  effekterna  av malning  på  laboratorieskala.  Genom  användning  av  en  kombination  av  experimentella och numeriska metoder fanns att en ökning i densitet, som ofta beskrivs som en    av de huvudsakliga anledningarna bakom förbättringar av de mekaniska egenskaper efter PFI-malning, inte ensamt kan förklara de förändringar som observeras experimentellt. Slutsatsen är därför att den återstående delen av förbättringen orsakas av finmaterial, särskilt sådant som inte kan upptäckas med hjälp av moderna automatiska fiberkaraktäriseringsverktyg på grund av dessas begränsade upplösning.

Slutligen, i den femte artikeln, presenteras en flerskalig modell för att studera hygro- expansion och krympningsegenskaper hos papper. På grund av fibrernas anisotropi  har spänningsöverföringen i fiberfogarna en dominerande inverkan på pappers egen- skaper  när  det  utsätts  för  fuktförändringar.  Vi  modellerade  fogarna  mellan  fibrer med hjälp av punktkontakter, men i själva verket krävs en finit kontaktarea för att korrekt  beskriva  spänningsöverföringen  mellan  fibrerna.  För  att  överkomma  denna begränsning och samtidigt bevara fördelarna med att använda balkelement utveck- lades en flerskalig modell. I denna modell beskrivs varje kontakt i nätverket explicit. Via den aktuella fiberkonfigurationen överförs information till kontaktmodellen och denna  i  sin  tur återför  de  inelastiska  töjningarna  till  nätverkssimuleringen.  Effektiviteten  i  en  sådan  modell  demonstreras  genom  jämförelser  med  en  fullskalig  kontinuummodell. Med hjälp av den flerskaliga modellen kunde befintliga experimentella observationer  kompletteras  med  nya  insikter  tack  vare  den  obegränsade  tillgången till detaljer i nätverket i varje steg av deformationsanalysen.

Place, publisher, year, edition, pages
KTH Royal Institute of Technology, 2018. p. 19
Series
TRITA-SCI-FOU ; 2018:06
Keywords
fiber network, beam-to-beam contact, rotational contact, non-consistent, simulation, finite element, multiscale, microscale, micromechanics, paper, refining, beating, fine, hygroexpansion, shrinkage, drying
National Category
Applied Mechanics Other Mechanical Engineering Paper, Pulp and Fiber Technology
Research subject
Solid Mechanics
Identifiers
urn:nbn:se:kth:diva-223233 (URN)978-91-7729-684-3 (ISBN)
Public defence
2018-03-09, F3, Lindstedtsvägen 26, KTH, 10:00 (English)
Opponent
Supervisors
Note

QC 20180219

Available from: 2018-02-15 Created: 2018-02-15 Last updated: 2018-02-19Bibliographically approved

Open Access in DiVA

No full text in DiVA

Authority records BETA

Motamedian, Hamid Reza

Search in DiVA

By author/editor
Motamedian, Hamid Reza
By organisation
Solid Mechanics (Div.)
Applied MechanicsOther Mechanical EngineeringPaper, Pulp and Fiber Technology

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 23 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf