Development of a utility in OpenFOAM to predict fiber orientation in fiber reinforced thermoplastic materials

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Main Author: Oliveira, Marta Cláudia Baptista
Publication Date: 2023
Format: Master thesis
Language: eng
Source: Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP)
Download full: https://hdl.handle.net/1822/86930
Summary: Dissertação de mestrado integrado em Polymer Engineering
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spelling Development of a utility in OpenFOAM to predict fiber orientation in fiber reinforced thermoplastic materialsOrientação de fibrasTermoplásticos reforçados com fibrasModelação numéricaOpenFOAM®Fiber orientationFiber reinforced thermoplastic materialsNumerical modelingEngenharia e Tecnologia::Outras Engenharias e TecnologiasDissertação de mestrado integrado em Polymer EngineeringOs termoplásticos reforçados com fibras utilizam frequentemente fibras de vidro ou carbono para melhorar as propriedades de termoplásticos simples. As propriedades deste tipo de materiais compósitos depende das propriedades dos seus constituintes base, no ambiente termo-mecânico desenvolvido durante o seu processamento e nos parâmetros de distribuição das fibras, nomeadamente a sua concentração e orientação, tendo a última uma relevância maior na propriedades finais da peça. Atualmente existem vários modelos fenomenológicos desenvolvidos com o objetivo de prever a evolução da orientação das fibras para diversos fluxos. Alguns destes modelos estão presentes em software proprietário, cujo acesso ao código é limitado ou inexistente, o que compromete a verificação e adaptação do mesmo. Como alternativa, software de código-aberto oferecem aos utilizadores acesso irrestrito ao código, permitindo assim análises cientificas detalhadas e contínuo melhoramentos. O OpenFOAM® é uma biblioteca computacional de fonte aberta, que contém diversos solvers capazes de simular diferentes problemas da mecânica computacional, com especialização na dinâmica computacional de fluídos, o que o torna uma ferramenta adequada para o trabalho a realizar. Neste dissertação é proposta uma estratégia inovadora para a implementação de um modelos estado-de-arte de orientação de fibras no ambiente do OpenFOAM®. Os modelos foram implementados na forma de um utilitário, que pode ser utilizado juntamente com outros solvers, desde que exista acesso ao campo de velocidades. Com a finalidade de realizar verificações numéricas, foi desenvolvido um código em python capaz de calcular a evolução da orientação das fibras num domínio sujeito a um campo de velocidades variável e os resultados obtidos foram verificados com base em informação obtida da literatura. Este código foi posteriormente implementado como uma referência para verificar o utilitário introduzido no OpenFOAM®, que foi testado em casos semelhantes aos encontrados em condições realistas para típicas aplicações poliméricas, como fluxo de corte simples e estiramento, tal como o fluxo na injeção de um disco ao centro. Os resultados obtidos nos casos de estudo permitiram concluir que a implementação dos modelos foi adequada, o que transforma esta ferramenta numa alternativa confiável a software proprietário, para a previsão da evolução da orientação de fibras em diversos tipos de fluxo.Fiber reinforced thermoplastic materials commonly employ glass or carbon fibers as structural reinforcements to enhance the properties of single thermoplastic materials. The properties of this class of composite materials depend on the properties of the individual constituents, the thermomechanical environment developed during its processing, but also on the fibers distribution parameters, namely the concentration and orientation. The latter has a special relevance in the final part performance. Currently, there are various phenomenological models devised to predict the evolution of fiber orientation in general flows. Some fiber orientation models are available in proprietary software, which work on a black-box concept, where the users are not allowed to check the underlying code and have limited or no possibilities to adapt the code to their own needs. On the other side, open-source software supplies the end-users with full access to the code, making it available for scientific scrutiny and continuous improvement. OpenFOAM® is an open-source computational library with a wide range of solvers able to simulate different continuum mechanics problems, with special focus on computational fluid dynamics. Such properties make the software a suitable tool to work as base to the proposed work. In this dissertation a novel strategy for implementing state-of-the-art fiber orientation models is proposed and implemented in the OpenFOAM® framework. The fiber orientation models were implemented as an utility, which can be used with other existing solvers, in which there is access to the velocity field. For numerical verification purposes, a python script able to compute the fiber orientation evolution in a location subjected to variable velocity gradient field, was implemented and verified against data found in literature. This python script was subsequently employed as a benchmark to verify the implementation of the novel OpenFOAM® utility, which was tested considering some flows that represent the ones found in practice, in typical polymer processing applications (simple shear flow and stretch flow), as well as the flow in a standard center-gated disk. The results obtained in the tested case studies allowed to conclude that the fiber orientation models were properly implemented. Consequently, this new OpenFOAM® utility is now a reliable alternative to proprietary software for predicting the evolution of fiber orientation in different flow environments.Nóbrega, J. M.Ramôa, Bruno Manuel OliveiraUniversidade do MinhoOliveira, Marta Cláudia Baptista2023-10-092023-10-09T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttps://hdl.handle.net/1822/86930eng203367286info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP)instname:FCCN, serviços digitais da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologiainstacron:RCAAP2024-05-11T05:36:01Zoai:repositorium.sdum.uminho.pt:1822/86930Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireinfo@rcaap.ptopendoar:https://opendoar.ac.uk/repository/71602025-05-28T15:23:45.075906Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP) - FCCN, serviços digitais da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologiafalse
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