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Optimal time-temperature curves for heat-treatable aluminum alloys
Bram Bastiaansen
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Mathematik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Mathematik
Betreuer*in
Yurii Malitskyi
DOI
10.25365/thesis.80086
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-16342.28898.404530-0
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Aluminiumlegierungen werden aufgrund ihrer Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit häufig in industriellen Anwendungen eingesetzt und können durch Wärmebehandlung weiter verstärkt werden. Eine effiziente Wärmebehandlung von Aluminiumlegierungen erfordert die Abwägung zwischen mechanischer Leistungsfähigkeit, Energieverbrauch und Prozessdauer. In dieser Arbeit wird die optimale Steuerung von Zeit-Temperatur-Profilen in einem Industrieofen (Modell N $120/85$ HA) für die aushärtbare Legierung EN AW-6082 (Al-Mg-Si) untersucht. Es wird ein transienter, physikalisch basierter Ofenmodellansatz entwickelt, der konvektiven und radiativen Wärmetransport, transiente Wärmeleitung durch mehrschichtige Ofenwände sowie die thermischen Wechselwirkungen zwischen den Ofenkomponenten berücksichtigt. Das Modell wird in MATLAB unter Verwendung eines impliziten Zeitschrittverfahrens implementiert. Die Kalibrierung anhand experimenteller Messungen zeigt eine enge Übereinstimmung zwischen den vorhergesagten und beobachteten Temperaturen und bestätigt damit die Prognosefähigkeit des Modells. Die Optimierung über zeitabhängige Ofenluft-Temperaturverläufe wird durchgeführt, um den Energieverbrauch und die Prozessdauer zu minimieren und gleichzeitig die geforderten mechanischen Eigenschaften zu erreichen. Hierfür werden Surrogatmodelle zur Abbildung von Zugfestigkeit, Streckgrenze und Dehnung eingesetzt. Die vorgeschlagene Lösungsstrategie erzeugt erfolgreich realisierbare Temperaturprofile für verschiedene Betriebsszenarien und liefert konsistente, physikalisch plausible Ergebnisse. Die Ergebnisse zeigen, dass die Kombination aus kalibriertem Modell und trajektorienbasierter Optimierung einen zuverlässigen und flexiblen Rahmen für eine effiziente, datengestützte Wärmebehandlung von Aluminiumlegierungen in industriellen Anwendungen bietet.
Abstract
(Englisch)
Aluminum alloys are widely used in industrial settings for their strength and corrosion resistance, and can be made even stronger through heat-treatment. Efficient heat treatment of aluminum alloys requires balancing mechanical performance, energy consumption, and processing time. This thesis investigates the optimal control of time-temperature profiles in an industrial furnace (model N $120/85$ HA) for the heat-treatable alloy EN AW-6082 (Al-Mg-Si). A transient, physics-based model of the furnace is developed, capturing convective and radiative heat transfer, transient conduction through multilayered furnace walls, and the thermal interactions between furnace components. The model is implemented in MATLAB using an implicit time integration scheme. Calibration against experimental measurements demonstrates close agreement between predicted and observed temperatures, confirming the model's predictive capability. Optimization over furnace air time-temperature curves is performed to minimize energy use and process duration while achieving target mechanical properties, with surrogate models incorporated to represent tensile strength, yield strength, and elongation. The proposed solution strategy successfully generates feasible temperature profiles across multiple operating scenarios, showing consistent, physically reasonable outcomes. These results demonstrate that the combination of calibrated modeling and trajectory-based optimization provides a reliable and flexible framework for efficient, data-driven heat treatment of aluminum alloys in industrial settings.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Optimierung Numerische Modellierung Aluminiumlegierungen Zeit-Temperatur-Kurven Ofenmodellierung Thermische Simulation Finite-Volumen-Methode Modellkalibrierung Optimierungsrahmen Trajektorienoptimierung MATLAB-Simulation Industrielle Wärmebehandlung Numerische Analyse Numerische Algorithmen Anwendungsbasierte Modellierung
Schlagwörter
(Englisch)
Optimization Numerical modelling Aluminum alloys Time-temperature curves Furnace modelling Thermal simulation Finite volume method Model calibration Optimization framework Trajectory optimization MATLAB simulation Industrial heat treatment Numerical Analysis Numerical Algorithms Application-based modelling
Autor*innen
Bram Bastiaansen
Haupttitel (Englisch)
Optimal time-temperature curves for heat-treatable aluminum alloys
Publikationsjahr
2025
Umfangsangabe
v, 115 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Yurii Malitskyi
Klassifikationen
31 Mathematik > 31.76 Numerische Mathematik ,
31 Mathematik > 31.80 Angewandte Mathematik
AC Nummer
AC17753091
Utheses ID
78801
Studienkennzahl
UA | 066 | 821 | |