Computational modelling of surface interactions
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Date
2025
Authors
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Alternative Title(s)
wear, material separation and deposition
Abstract
In dieser Arbeit werden numerische Modellierungsansätze zur Simulation von Formänderungen durch Oberflächenwechselwirkungen entwickelt und damit ein Beitrag zur Verbesserung der Modellierung industrieller Prozesse hinsichtlich Verschleiß, Materialtrennung und additiver Fertigung geleistet. Für die Verschleißmodellierung wird ein Coulomb-Reibmodell mit einer Begrenzung der maximalen Scherspannung in Verbindung mit einem modernen Archard Verschleißmodell basierend auf dissipierter Reibarbeit verwendet. Formänderungen durch Verschleiß werden in einem Python-basierten Postprozessor umgesetzt, der Reibkräfte und Geschwindigkeitsdaten aus Finite Elemente Simulationen in Abaqus verarbeitet. Simulierte und experimentelle Verschleißmuster zeigen, dass dissipationsbasierte Archard-Formulierungenrealistischer sind als druckbasierte Ansätze im Fall von nicht konstanten Reibkoeffizienten. Mikrostrukturierte Werkzeugoberflächen können mit Hilfe des Modells optimiert werden, um maßgeschneiderte Mikrostrukturen zu entwerfen und deren Einlaufverhalten und Verschleißfestigkeit vorherzusagen. Für die Materialtrennung wird die Partikel-Finite-Elemente-Methode (PFEM) in einem Matlab-basierten Forschungscode adaptiert, um das adhäsionsfreie Abscheren
einzelner Oberflächenerhebungen auf mikroskopischer Ebene zu simulieren. Dabei wird die Verformung der Erhebung aus Stahl mit großen volumenerhaltenden plastischen Verformungen modelliert. Eine Untersuchung zeigt, dass etablierte gemischte Elemente gut für hyperelastische, quasi-inkompressible Materialien geeignet sind, während die vorgeschlagenen quadratischen Elemente glattere Spannungsfelder unter elastoplastischen
Bedingungen in PFEM liefern. Ein verbessertes lokales Übertragungsschema für Zustandsvariablen erhöht zusätzlich die numerische Robustheit. Die adaptive Vernetzung auf Basis der äquivalenten plastischen Dehnung wird durch Einfügen und Entfernen von Punkten realisiert und durch eine alpha-Formerkennung mit Schädigungskriterium zur Rissmodellierung in stark plastisch verformten Regionen ergänzt. Als neuer Beitrag zur PFEM-Literatur wird außerdem die Selbstkontakt-Vernetzung eingeführt. Für den Materialauftrag wird ein thermomechanisches PFEM-Modell zur Simulation von Hochgeschwindigkeits-Schmelzeströmen auf kalte Substrate entwickelt. Ein neues Vernetzungskriterium für die Verbindungszone basiert auf der Verbindungsfront im Auftragsprozess. Darüber hinaus ermöglicht das entwickelte konstitutive Modell für Schmelzefluss und Erstarrung bei großen Deformationen die Analyse von Eigenspannungen während der Abkühlung und liefert wertvolle Erkenntnisse zur Prozessoptimierung beim Laser-Pulver-Auftragschweißen. Die entwickelten Modellierungsansätze verbessern die Simulationsmöglichkeiten für Verschleißmechanismen, Materialtrennungsprozesse und additive Fertigungstechnologien.
This thesis develops numerical modelling approaches to simulate shape changes induced by surface interactions, addressing critical challenges in wear modelling, material separation and additive manufacturing processes. For wear modelling, a Coulomb friction model with a shear-stress limit is employed alongside a modern Archard law based on dissipated frictional work. Shape updates are performed by developing a Python-based postprocessor that processes traction and velocity data from Abaqus Finite Element simulations. The comparison between simulated and experimental wear patterns supports the literature’s proposition that dissipation-based formulations are more realistic than the classic pressure-based relation when the friction coefficient varies. Microstructured tool surfaces are investigated, demonstrating how the modelling framework can help to design tailored microstructures for optimised effective friction properties and asses their run-in behaviour and wear resistance. In material separation, the Particle Finite Element Method (PFEM) is adapted in a Matlab-based research code to simulate adhesion-free asperity shearing at the microscopic level, targeting steel deformation under large volume-preserving plastic flow. A study of element types reveals that while established mixed formulation elements perform well for hyperelastic quasi-incompressible materials, the proposed quadratic elements provide smoother stress fields in elastoplastic conditions in PFEM. Additionally, an improved local state-variable transfer scheme enhances numerical robustness compared to traditional methods. Adaptive meshing based on equivalent plastic strain is implemented with point insertion and removal schemes, while alpha-shape detection is enriched with a fracture criterion for crack modelling in highly plastically deformed regions. Notably, self-contact meshing is introduced as a novel contribution to PFEM literature. For material deposition, thermo-mechanical PFEM simulates high-velocity hot fluid melt streams deposited onto cold substrates. A mesh generation criterion is proposed for the bonding zone based on material progression fronts, alongside a large-strain constitutive model for melt flow and solidification using a deformation based framework. This approach enables analysis of residual stresses during cooling, providing valuable insights into process optimisation for Directed Energy Deposition with a Laser Beam technology. The developed frameworks advance simulation capabilities in wear mechanisms, material separation processes, and additive manufacturing technologies.
This thesis develops numerical modelling approaches to simulate shape changes induced by surface interactions, addressing critical challenges in wear modelling, material separation and additive manufacturing processes. For wear modelling, a Coulomb friction model with a shear-stress limit is employed alongside a modern Archard law based on dissipated frictional work. Shape updates are performed by developing a Python-based postprocessor that processes traction and velocity data from Abaqus Finite Element simulations. The comparison between simulated and experimental wear patterns supports the literature’s proposition that dissipation-based formulations are more realistic than the classic pressure-based relation when the friction coefficient varies. Microstructured tool surfaces are investigated, demonstrating how the modelling framework can help to design tailored microstructures for optimised effective friction properties and asses their run-in behaviour and wear resistance. In material separation, the Particle Finite Element Method (PFEM) is adapted in a Matlab-based research code to simulate adhesion-free asperity shearing at the microscopic level, targeting steel deformation under large volume-preserving plastic flow. A study of element types reveals that while established mixed formulation elements perform well for hyperelastic quasi-incompressible materials, the proposed quadratic elements provide smoother stress fields in elastoplastic conditions in PFEM. Additionally, an improved local state-variable transfer scheme enhances numerical robustness compared to traditional methods. Adaptive meshing based on equivalent plastic strain is implemented with point insertion and removal schemes, while alpha-shape detection is enriched with a fracture criterion for crack modelling in highly plastically deformed regions. Notably, self-contact meshing is introduced as a novel contribution to PFEM literature. For material deposition, thermo-mechanical PFEM simulates high-velocity hot fluid melt streams deposited onto cold substrates. A mesh generation criterion is proposed for the bonding zone based on material progression fronts, alongside a large-strain constitutive model for melt flow and solidification using a deformation based framework. This approach enables analysis of residual stresses during cooling, providing valuable insights into process optimisation for Directed Energy Deposition with a Laser Beam technology. The developed frameworks advance simulation capabilities in wear mechanisms, material separation processes, and additive manufacturing technologies.
Description
Table of contents
Keywords
Tool wear, Additive manufacturing, Remeshing, Particle Finite Element Method
Subjects based on RSWK
Werkzeugverschleiß, Rapid Prototyping <Fertigung>, Selektives Laserschmelzen, p-Methode, ABAQUS, Verschleißprüfung, Coulombsches Reibungsgesetz, Deformation, Rissbildung, Oberflächeneigenschaft, Simulation, Experiment