Thermo-hyrgo-mechanical processes for the densification and forming of wood: Continuum-mechanical material formulation and structural simulations

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Michael Kaliske
• Subject Area: Applied Mechanics, Statics and Dynamics ; Mechanics
• Term: from 2013 to 2021
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 233962626

• Final Report Year: 2021

Final Report Abstract

Im vorliegenden Projekt wurden thermo-hygro-mechanische Prozesse zur Verdichtung und Umformung von Holz mittels kontinuumsmechanischer Materialmodellierung und anschließenden Struktursimulationen untersucht. Als numerisches Grundkonzept wurde die Finite-Elemente-Methode (FEM) sowohl für die Beschreibung als auch Analyse der Probekörper und Strukturen eingesetzt. Als Erstes wurde ein realitätsnahes thermo-hygro-mechanisches Materialmodell für große Deformationen entwickelt, das inelastisches Materialverhalten aufgrund von mikrostrukturellen Veränderungen abbilden kann. Die Entwicklung wurde erfolgreich auf thermo-dynamische Konsistenz geprüft und durch korrektes numerisches Konvergenzverhalten hinsichtlich der Implementation in die FEM verifiziert. Zusätzlich wurde ein physikalisch realistisches Vorhersageverhalten anhand von Validierungsuntersuchungen verzeichnet. Im Weiteren wurde der Einfluss der Dichteänderung durch kapillar gebundene Holzfeuchte modelliert und berücksichtigt. Dies erfolgte durch die Modifikation der Massenbilanz offener Systeme und wurde im konstitutiven Materialverhalten sowie dessen numerischer Modellierung berücksichtigt. Die Entwicklung wurde erfolgreich numerisch verifiziert und auch im Hinblick auf Realitätsnähe validiert. Im Projekt wurden auch erfolgreich das thermische Konvektions- und das hygroskopische Sorptionsverhalten von Holz durch konstitutive Entwicklungen in Form von Finiten-Oberflächenelementen abgebildet. Entsprechende erfolgreiche Verifizierung und Validierung erfolgte im Projekt ebenfalls. Abschließend wurden numerische Simulationen des Verdichtungsprozesses bei der Herstellung von Formholzprofilen durchgeführt, deren Ergebnisse erfolgreich verifiziert und validiert werden konnten. Ebenso ist die Realitätsnähe der im Projekt durchgeführten Struktursimulationen an Formholzprofilen validiert worden.

Publications

• Modelling and Experimental Investigations of Densification of Wood for Forming Processes. In: Füssl, J.; Bader, T.K.; Eberhardsteiner, J. (Eds.): CompWood 2017: International Conference on Computational Methods in Wood Mechanics – from Material Properties to Timber Structures, TU Verlag, Technische Universität Wien,Wien, 2017
  Fleischhauer, R.; Hartig, J.U.; Haller,P.; Kaliske, M.
  
• Multiphysical Simulations of Wood and Wooden Structures. In: Füssl, J.; Bader, T.K.; Eberhardsteiner, J. (Eds.): CompWood 2017: International Conference on Computational Methods in Wood Mechanics – from Material Properties to Timber Structures, TU Verlag, Technische Universität Wien,Wien, 2017
  Kaliske, M.
  
• Hygro- and Thermo-Mechanical Modeling of Wood at Large Deformations: Application to Densification and Forming of Wooden Structures. In: Altenbach, H.; Jablonski, F.; Müller, W.H.; Naumenko, K.; Schneider, P. (Hrsg.): Advances in Mechanics of Materials and Structural Analysis, Vol. 80, Springer, Cham, 2018
  Fleischhauer, R., & Kaliske, M.
  (See online at https://doi.org/10.1007/978-3-319-70563-7_4)
• Finite-Element-Modelling of moisture-induced cracks in wood and wooden structures. In: Bader, T.K.; Füssl, J.; Ollson, A. (Eds.): CompWood 2019: International Conference on Computational Methods in Wood Mechanics – from Material Properties to Timber Structures, Linneaus University, Växjö, 2019
  Kaliske, M.; Reiher, P.; Fleischhauer, R.
  
• Moisture-dependent thermo-mechanical constitutive modeling of wood. Engineering Computations 36 (2019) 2-24
  Fleischhauer, R., Hartig, J.U., Haller, P. , Kaliske, M.
  (See online at https://doi.org/10.1108/EC-09-2017-0368)
• Multi-physikalische und bruchmechanische Finite- Elemente-Modellierung von Strukturen aus verdichtetem und umgeformtem Holz. In: Bischoff, M.; von Scheven, M.; Oesterle, B. (Hrsg.): Berichte der Fachtagung Baustatik – Baupraxis 14, Institut für Baustatik und Baudynamik, Universität Stuttgart, 2020
  Kaliske, M.; Reiher, P.; Fleischhauer, R.
  
• Modelling of Wood Forming Processes and Multi-Physical Material Characteristics of Moulded Wooden Structures. In: Chinesta, F.; Abgrall, R.; Allix, O.; Nerón, D.; Kaliske, M. (Eds.): 14th WCCM & ECCOMAS Congress 2020, International Centre for Numerical Methods in Engineering (CIMNE), Barcelona, 2021
  Kaliske, M.; Fleischhauer, R.