Investigating Hydrogen Diffusion in Filled Polymers with Simple Geometries: An ABAQUS Simulation Study

Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenMasterarbeit

Autoren

  • Alexander Lukas Graf

Abstract

Diese Arbeit wurde im Rahmen des Moduls "Polymers 4 Hydrogen" am Polymer Competence Center Leoben GmbH durchgeführt. Ziel dieser Arbeit war die Erstellung eines FEM Modells zur Simulation der Wasserstoffdiffusion durch partikelgefüllte Membranen mit einer Interface-Zone um die Partikel. Dieses FEM-Modell basiert auf einem erweiterten Nielsen-Modell und wurde in ABAQUS implementiert. Am Ende dieser Arbeit wurde ein Vergleich zwischen dem Interface-Modell, einem Standard-FEM-Modell ohne Interface-Zone und der analytischen Lösung des erweiterten Nielsen-Modells durchgeführt. Für alle in dieser Arbeit durchgeführten Simulationen wurde angenommen, dass die Polymermatrix ein homogenes Material ist und die Füllstoffpartikel als absolute Barrieren wirken, welche daher als Löcher in der Matrix implementiert wurden. Jeder Füllstoffpartikel wurde an seinen Rändern mit einer dünnen Interface-Zone modelliert, die das Partikel von der Matrix trennt. In dieser Interface-Zone wird eine Materialorientierung auf die Netzknoten angewendet, die es ermöglicht, die Diffusivität der Interface-Zone in Abhängigkeit von der Flussrichtung und dem Adhäsionskoeffizienten zu bestimmen. Der Zweck dieser Interface-Zone ist es, das tatsächliche Grenzflächendiffusionsverhalten zwischen einem Füllstoffpartikel und dem Matrixmaterial darzustellen. Es wurden mehrere Möglichkeiten zur Implementierung einer solchen Interface-Zone in ein FEM-Modell untersucht. In der endgültigen Version des Modells wurde die Interface-Zone auf der Netzknotenebene mit Hilfe von ABAQUS-Subroutinen implementiert. In diesen Modellen wurden die Füllstoffpartikel nach den Annahmen des Nielsen-Modells regelmäßig und periodisch in der Membran angeordnet. Die Auswertung und der Vergleich der Ergebnisse des analytischen Modells mit den Ergebnissen der FEM-Simulationen mit und ohne Interface-Zone zeigten, dass die FEM-Simulationen mit Interface-Zone besser mit den analytischen Daten übereinstimmen als die Simulationen ohne Interface-Zone.

Details

Titel in ÜbersetzungUntersuchung von Wasserstoffdiffusion in gefüllten Polymeren mit einfachen Geometrien: Eine ABAQUS Simulationsstudie
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDipl.-Ing.
Gradverleihende Hochschule
Betreuer/-in / Berater/-in
Datum der Bewilligung28 Juni 2024
DOIs
StatusVeröffentlicht - 2024