Constitutive modelling and computational simulation of nip mechanics and winding of paper rolls
No Thumbnail Available
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Doctoral thesis (article-based)
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Instructions for the author
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Author
Date
2006-12-01
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
21, [66]
Series
Research reports / Helsinki University of Technology, Laboratory for Mechanics of Materials, 39
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.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.Description
Keywords
nip, winding, constitutive model, paper roll, nippikontakti, rullaus, konstituuvinen mallinnus, paperirulla
Other note
Parts
- 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.
- 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.
- 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.
- 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.
