Constitutive modelling and computational simulation of nip mechanics and winding of paper rolls

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.author Ärölä, Kilwa
dc.date.accessioned 2012-02-24T07:57:03Z
dc.date.available 2012-02-24T07:57:03Z
dc.date.issued 2006-12-01
dc.identifier.isbn 951-22-8513-4
dc.identifier.issn 1457-7577
dc.identifier.uri https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/2810
dc.description.abstract In this thesis the behaviour of paper rolls under different loading conditions as well as the winding process are studied using computational simulations. First, the mechanics of a rolling nip contact on a paper stack is investigated. The development of the micro-slip pattern of the contacting surfaces under the rolling nip is elaborated, in particular. It is found that the interlayer slippage between paper layers below the surface of the paper roll substantially influences the events taking place in the nip contact. This implies that a purely elastic, continuous simulation model cannot accurately describe the nip contact phenomena. Second, the modelling of paper rolls is studied. Due to the immense computational cost of a full contact mechanical analysis of a paper roll, a much more effective continuum model with interlayer slippage for wound rolls of orthotropic material is developed. The constitutive behaviour of the roll is modelled using the theory of plasticity, with plastic shear deformation used to describe the layer-to-layer slippage. The model can be readily implemented in a modern finite element analysis software. The proposed model is used to study the stresses, interlayer slippage and permanent deformations in paper rolls loaded by nip rollers and clamping devices. To validate the model, the calculated nip contact results are compared to experimental findings. The advantages of the new model are computational efficiency as compared to a full contact mechanical model and the ability to effectively simulate the interlayer slippage, permanent deformations as well as hysteresis in repeated loading, any of which cannot be simulated using a purely elastic model. Finally, a two-dimensional large deformation axisymmetric winding model for wound rolls of hyperelastic orthotropic material is developed. The roll build-up is modelled as an incremental accretion process, where successive pre tensioned hoops are shrunk-fit onto the underlying roll. The model is used to study the effects of the material parameters, winding speed, and tension profiles of the incoming paper web to the stresses in the finished paper roll. en
dc.description.abstract Tässä työssä tutkitaan laskennallisen simuloinnin keinoin sekä paperirullan käyttäytymistä kuormituksessa että itse rullausprosessia. Aluksi tarkastellaan erillisten paperiarkkien päällä vierivän nippikontaktin mekaniikkaa. Erityisesti keskitytään paperikerrosten välisten luistojen määrittämiseen. Todetaan paperikerrosten välisen luiston vaikuttavan merkittävästi nippikontaktissa havaittaviin ilmiöihin. Tämä osoittaa, että puhtaasti elastisella jatkuva-aineisella simulointimallilla ei pystytä realistisesti kuvaamaan paperirullan käyttäytymistä nippikontaktissa tai suurten paikallisten kuormitusten alaisena. Seuraavaksi perehdytään paperirullan simulointimallin kehittämiseen. Koska kokonaiseksi rullaksi kierretyn paperirainan kontaktimekaaninen analyysi on laskennallisesti niin raskas tehtävä, että se ei nykyisillä tietokoneilla ole mahdollista, kehitetään työssä plastisuusteoriaan pohjautuva jatkuva-aineinen malli, jossa rullassa tapahtuvat kerrosten väliset liukumat kuvataan plastisena leikkausmuodonmuutoksena. Kehitetty malli on helposti sisällytettävissä nykyaikaiseen elementtimenetelmäohjelmistoon. Mallin avulla tutkitaan paperirullan jännityksiä, kerrosten välisiä luistoja ja rullan pysyviä muodonmuutoksia kuormitettaessa rullaa kantotelaa vasten sekä nostolaitteella. Mallin toiminnan todentamiseksi nippikontaktille laskettuja tuloksia verrataan kokeellisesti saatuihin tuloksiin. Kehitetyn mallin etuina ovat laskennallinen tehokkuus verrattuna täydelliseen kontaktimekaaniseen malliin ja kyky silti kuvata realistisesti kerrosten välistä luistoa, pysyviä muodonmuutoksia ja hystereesiä, joita ei voida kuvata puhtaasti elastisella mallilla. Lopuksi kehitetään kaksiulotteinen suurten siirtymien pyörähdyssymmetrinen rullausmalli hyperelastisen ortotrooppisen materiaalin rullauksen mallintamiseksi. Rullan rakentuminen kuvataan vaiheittaisena prosessina, jossa yhä lisää esijännitettyjä kerroksia liitetään jo olemassa olevan rullan ulkopinnalle. Mallia käyttäen tutkitaan materiaaliominaisuuksien, rullausnopeuden ja saapuvan rainan kireysjakaumien vaikutusta valmiin rullan jännitystilaan. fi
dc.format.extent 21, [66]
dc.format.mimetype application/pdf
dc.language.iso en en
dc.publisher Helsinki University of Technology en
dc.publisher Teknillinen korkeakoulu fi
dc.relation.ispartofseries Research reports / Helsinki University of Technology, Laboratory for Mechanics of Materials en
dc.relation.ispartofseries 39 en
dc.relation.haspart K. Ärölä, R. von Hertzen. Development of sheet tension under a rolling nip on a paper stack. International Journal of Mechanical Sciences 47 (1) 2005, 110-133.
dc.relation.haspart K. Ärölä, R. von Hertzen. An elastoplastic continuum model for a wound roll with interlayer slippage. Finite Elements in Analysis and Design 42 (6) 2006, 503-517.
dc.relation.haspart K. Ärölä, R. von Hertzen. Deformation of a paper roll loaded against a nip roller. Journal of Structural Mechanics 38 (3) 2005, 55-58. [article3.pdf] © 2005 by authors.
dc.relation.haspart K. Ärölä, R. von Hertzen. Two-dimensional axisymmetric winding model for finite deformation. Helsinki University of Technology, Laboratory for Mechanics of Materials Research Reports, TKK-LO-38, 2006. Computational Mechanics, submitted for publication. [article4.pdf] © 2006 by authors.
dc.subject.other Paper technology en
dc.subject.other Mechanical engineering en
dc.title Constitutive modelling and computational simulation of nip mechanics and winding of paper rolls en
dc.type G5 Artikkeliväitöskirja fi
dc.description.version reviewed en
dc.contributor.department Department of Mechanical Engineering en
dc.contributor.department Konetekniikan osasto fi
dc.subject.keyword nip en
dc.subject.keyword winding en
dc.subject.keyword constitutive model en
dc.subject.keyword paper roll en
dc.subject.keyword nippikontakti fi
dc.subject.keyword rullaus fi
dc.subject.keyword konstituuvinen mallinnus fi
dc.subject.keyword paperirulla fi
dc.identifier.urn urn:nbn:fi:tkk-008682
dc.type.dcmitype text en
dc.type.ontasot Väitöskirja (artikkeli) fi
dc.type.ontasot Doctoral dissertation (article-based) en
dc.contributor.lab Laboratory for Mechanics of Materials en
dc.contributor.lab Lujuusopin laboratorio fi


Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search archive


Advanced Search

article-iconSubmit a publication

Browse

My Account