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Title
Numerical simulation of the thermal and thermomechanical behaviour of metal matrix composites / Sergio Nogales Tenorio
AuthorNogales Tenorio, Sergio
CensorBöhm, Helmut ; Bolt, Harald
Published2008
DescriptionXII, 167 Bl. : Ill., graph. Darst.
Institutional NoteWien, Techn. Univ., Diss., 2008
Annotation
Zsfassung in dt. Sprache
LanguageEnglish
Bibl. ReferenceOeBB
Document typeDissertation (PhD)
Keywords (DE)Kontinuumsmikromechanik, Verbundwerkstoffe, Wärmeleitung, Thermoelastoplastizität, MMC, Diamantverstärkung
Keywords (EN)Continuum micromechanics, Composites, Thermal conduction, Thermo-elastoplasticity, MMC, diamond reinforcement
Keywords (GND)Metallischer Werkstoff / Verbundwerkstoff / Verstärkungswerkstoff / Diamant / Wärmeleitung / Thermoelastizität / Simulation
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-24807 Persistent Identifier (URN)
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Numerical simulation of the thermal and thermomechanical behaviour of metal matrix composites [4.9 mb]
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Abstract (German)

Das Wärmeleitungs- und thermomechanische Verhalten von Werkstoffen, die in Vorrichtungen zum Temperaturmanagement zum Einsatz kommen, kann bei der Entwicklung neuer Technologien in vielen wichtigen Bereichen eine Schlüsselrolle spielen. Beispiele dafür sind Hochleistungsmikroprozessoren, Fusionsreaktoren oder hocheffiziente Wärmekraftmaschinen. Daher besteht ein dringender Bedarf an neuen Werkstoffen, die bei extremen Bedingungen eingesetzt werden können.

Die vorliegende Dissertation ist auf die Entwicklung computergestützter Werkzeuge zur Unterstützung der Entwicklung und Herstellung neuer Werkstoffe ausgerichtet. Analytische, semianalytische und numerische Beschreibungen auf Kontinuumsebene, die zur Untersuchung des thermophysikalischen und thermomechanischen Verhaltens diskontinuierlich verstärkter Verbundwerkstoffe dienen, werden diskutiert, erweitert und/oder entwickelt. Das Schwergewicht liegt dabei auf Verbunden, deren diskontinuierliche Verstärkungen nichtellipsoidale Formen und beliebige Größenverteilungen haben. Von besoderem Interesse sind dabei die Auswirkungen nicht idealer Interfaces zwischen den Konstituenten auf das makroskopische Wärmeleitungsverhalten. Die Methoden werden auf diamantverstärkte Metallmatrix-Verbundwerkstoffe (DRMMCs) angewendet.

Der Einsatz semianalytischer "Ersatztensor"-Mori-Tanaka-Methoden zur Abschätzung der effektiven Wärmeleitfähigkeit von DRMMCs mit moderaten bis hohen Partikelvolumsfraktionen wird validiert. Windowing-Methoden, die notwendige, natürliche und gemischte gleichförmige Randbedingungen verwenden, sowie Verfahren auf Basis periodischer Mikrofelder (PMAs) werden auf computergenerierte Volumselemente angewandt, um die Wärmeleitung in DRMMCs zu modellieren. Eine gute Übereinstimmung der mit den verschiedenen Methoden errechneten Resultate konnte festgestellt werden, was die Gültigkeit dieser Modellierungszugänge stützt.

Weiters werden semianalytische und PMA-Methoden zur Bestimmung der makroskopischen Elastizitäts- und Wärmeausdehnungstensoren von DRMMCs herangezogen, wobei wiederum eine gute Übereinstimmung der Vorhersagen der beiden Verfahren beobachtet wird. Einheitszellenanalysen des thermoelastoplastischen Verhaltens von DRMMCs weisen auf eine Tendenz dieser Werkstoffe hin, bereits bei relativ geringen Temperaturänderungen Plastifizieren der Matrix zu zeigen. Weiters werden Mori-Tanaka-Methoden implementiert, um das Verhalten von aus inhomogenen Werkstoffen hergestellten Komponenten unter dem Einfluss thermisch-zyklischer Belastungen zu studieren.

Die in der vorliegenden Arbeit besprochenen, erweiterten bzw.

entwickelten Modellierungsmethoden stellen einen Satz von Werkzeugen dar, mit dem das makroskopische Verhalten inhomogener Werkstoffe voraussagend beurteilt werden kann. Die Werkzeuge decken einen breiten Bereich sowohl hinsichtlich des Detaillierungsgrads als auch der numerischen Anforderungen ab. Sie helfen beim Erreichen eines besseren Verständnisses des thermomechanischen und thermophysikalischen Verhaltens inhomogener Werkstoffe auf der Mikroskala.

Abstract (English)

The thermal conduction and thermomechanical properties of materials used for making thermal management devices often constitute bottlenecks in the development of new technologies in many important fields, such as the development of faster microprocessors, of fusion nuclear reactors, or more efficient heat engines, amongst others. There is an urgent need for new materials than can withstand increasingly extreme working conditions.

The present thesis is devoted to the development of computer tools for supporting the design and manufacturing of new materials. Analytical, semi-analytical and numerical continuum-level descriptions for studying the macroscopic and local thermophysical and thermomechanical behaviours of discontinuously reinforced composites that contain reinforcements of non-ellipsoidal shapes and general size distributions are reviewed, extended and/or developed. An issue of special interest are the effects of thermally imperfect interfaces between the constituents on the macroscopic thermal conduction behaviour. The methods are applied to diamond reinforced metal matrix composites (DRMMCs).

The use of semi-analytical "replacement tensor" Mori-Tanaka methods for estimating the effective conductivity of DRMMCs at moderate and elevated particle volume fractions is validated. Windowing methods using essential, natural and mixed uniform boundary conditions as well as Periodic Microfield Approaches (PMAs) are applied to computer-generated volume elements for studying the thermal conduction of DRMMCs. Good agreement between the results obtained with the different approaches is found, which supports the validity of the different modeling approaches.

Semianalytical methods and PMAs are used for extracting the macroscopic elasticity and coefficient of thermal expansion tensors of DRMMCs, with good agreement between the prections of the two approaches. Unit cell analyses of the thermoelastoplastic behaviour of DRMMCs indicate a tendency towards yielding of the matrix for rather moderate temperature excursions. In addition, incremental Mori-Tanaka methods for studying the behaviour of components made of inhomogeneous materials exposed to thermal cycling are implemented.

The modelling methods reviewed, extended or developed in this work contribute a set of tools for the assessment of the macroscopic conductivity of inhomogeneous materials. These tools cover considerable ranges of detail that can be resolved and of numerical requirements.

Moreover, they help in achieving an improved understanding of the local thermomechanical and thermophysical behavior of these composites at the microscale.