Väitöstiedote:

Uusia menetelmiä paperin materiaalimallinnukseen

Paino- ja paperikoneen ajettavuushäiriöt, kuten ratakatkot ja radan epävakaus aiheuttavat painotaloille ja paperinvalmistajille sekä aika- että materiaalihukkaa. Paperinvalmistuksessa paperiradan ja paperikoneen väliset moninaiset fysikaaliset vuorovaikutukset kohdistavat rataan ajasta riippuvia kuormituksia ja vaikuttavat radassa vallitsevaan jännitykseen. Radan jännitystaso vaikuttaa radan katkoalttiuteen ja hallittavuuteen. Liian korkea ratajännitys kasvattaa katkoalttiutta, ja liian matala ratajännitys aiheuttaa radan epävakautta.

Paperiradan jännityskäyttäytymisen simulointi mahdollistaa radan ajettavuuden tutkimuksen paperinvalmistuksessa ilman kalliita ja aikavieviä koeajoja. Simulointia varten tarvitaan materiaalimalli paperille. Materiaalimallit kuvaavat matemaattisin keinoin materiaalien fysikaalista käyttäytymistä voimien ja kuormitusten alaisuudessa.

Paperiradan simuloinnin kannalta on tärkeää, että oleelliset fysikaaliset ilmiöt pystytään kuvaamaan materiaalimallissa. Paperinvalmistusprosessi on luonteeltaan dynaaminen. Paperirataan kohdistuu tasaisen kuormituksen lisäksi nopeita vetorasituksia, jotka aiheuttavat ratajännitykseen paikallisia, ajasta riippuvaisia vaihteluja. Paperin ajasta riippuva käyttäytyminen voidaan kuvata viskoelastisen materiaalimallin avulla.

Materiaalimalli on matemaattinen kuvaus fysikaalisesta ilmiöstä. Kuvaus sisältää parametreja eli suureita, jotka täytyy matemaattisesti määrittää kokeellisten testien mittaustuloksista ennen kuin malli voidaan verifioida. Materiaaliparametrit täytyy määrittää tarkasti, jotta materiaalimalli kuvaisi tarkasti kyseisiä fysikaalisia ilmiöitä. Viskoelastiset materiaalimallit määritetään yleensä viruma- tai relaksaatiotestien avulla. Näitä aikariippuvaisia ilmiöitä voidaan tarkastella monessa aikaskaalassa. Paperiradan käyttäytymisen kannalta on oleellista että tarkasteltava aikaskaala on lyhyt, koska vuorovaikutukset radalla ovat nopeita. Kuitenkin viskoelastisten materiaalimallien parametrien määrittäminen lyhyen aikaskaalojen testeistä on vaikeaa.

Tämän tutkimuksen tavoitteena oli kehittää matemaattisia menetelmiä viskoelastisten materiaalimallien parametrien määrittämiseksi. Väitöskirjatyössä tarkasteltiin erityisesti parametrien määrittämistä lyhyiden aikaskaalojen testeistä. Työssä tutkittiin lisäksi viskoelastisten materiaalimallien numeerisia ratkaisumenetelmiä, jotka ovat tärkeitä monissa mallien sovelluksissa. Tulokset osoittavat, että tutkimuksessa kehitetyt menetelmät mahdollistavat menestyksekkään paperin viskoelastisen materiaalimallinnuksen erityisesti lyhyillä aikaskaaloilla.

Väitöskirja on julkaistu sarjassa Kuopion yliopiston julkaisuja C, ISBN 978-951-27-1195-6. Sitä voi tilata yliopiston kirjaston julkaisumyynnistä, sähköposti: yrjo.valtanen@uku.fi tai verkko-osoitteesta http://www.uku.fi/kirjasto/julkaisutoiminta/julkmyyn.shtml

Lisätietoja:
Tutkija Joonas Sorvari
Valtion teknillinen tutkimuslaitos VTT
p. 020 722 4310
joonas.sorvari@vtt.fi

Kuopion yliopisto
Viestintä
tiedotus@uku.fi