Введение к работе
Актуальность темы диссертационной работы обоснована необходимостью изучения деформационных свойств материалов, применяемых в качестве куполов парашютов, где используются полиамидные ткани. При эксплуатации указанные материалы, как правило, подвергаются большим нагрузкам, действующим в течение малых времен. При этом максимальная эксплуатационная нагрузка принимает значения до 30% от разрывного усилия. Работоспособность куполов парашютов, в основном, определяется деформационными свойствами используемых технических тканей. Исследование деформационных свойств указанных материалов составляет одну из основных задач текстильного материаловедения, так как на основе его производиться отбор материалов, обладающих оптимальными качествами по критериям эксплуатации, надежности и физико-механических характеристик. Современные методы оценки деформационных свойств и прогнозирования деформационных процессов основаны на математическом моделировании одноименных процессов, которое возможно лишь на основе учета экспериментальных данных. Для моделирования деформационных свойств часто бывает достаточным проведение кратковременного эксперимента, что, несомненно, облегчает и удешевляет исследования. Выборочный повторный эксперимент бывает необходим для подтверждения адекватности построенной математической модели деформационных свойств и определения степени достоверности прогнозирования одноименных процессов.
Известные и широко применяемые в настоящее время методики прогнозирования деформационных процессов синтетических волокон и нитей не всегда применимы для исследования аналогичных свойств текстильных материалов более сложной макроструктуры - технических тканей. Указанная сложность исследования вызвана тем, что механическое поведение таких материалов зависит не только от деформационных свойств образующих материал нитей, но и от структуры переплетения нитей в материале и других геометрических факторов.
Особую актуальность имеет исследование и прогнозирование деформационных свойств парашютных куполов, относящихся к классу вязкоупругих твердых тел, в области действия неразрушающих нагрузок, близких к условиям их эксплуатации, т.к. для эксплуатации парашютов первоочередную роль играет его надежность, исключающая разрушение парашюта силовыми нагрузками. Такие исследования возможны на основе математического моделирования процессов деформирования, которые включают в себя как вязкоупругую релаксацию, так и вязкоупругую ползучесть.
Разработка численных методик расчета деформационных процессов парашютных куполов и, на их основе, компьютерных программ неразрывно связано с решением задач по сравнительному анализу свойств материалов, с исследованиями взаимосвязи свойств со структурой, с целенаправленным технологическим регулированием свойств, а также с прогнозированием кратковременных и длительных механических воздействий.
На изучаемые деформационные свойства парашютных куполов оказывают влияние различные факторы. Среди них основными являются: температурные воздействия, влажность, различные погодные условия, а также уровни и длительности механических воздействий.
Для сравнительного анализа и прогнозирования деформационных свойств парашютных куполов необходима разработка адекватной математической модели на основе физически обоснованного аналитического описания вязкоупругости. Следует заметить, что изучение механических свойств парашютных куполов, проявляющихся в условиях эксплуатации, гораздо сложнее, чем измерение только лишь разрывных характеристик, по которым нельзя получить полноценную объективную оценку свойств материала. Особую ценность имеет решение задачи прогнозирования деформационных процессов для парашютных куполов, когда помимо сопоставления их механических свойств, приходится учитывать и условия эксплуатации.
Появление современных материалов для изготовления парашютных куполов обосновывает поиск новых математических моделей деформационных свойств и применение для их исследования соответствующих компьютерных методов обработки экспериментальной информации. Создание новых методов исследования механических свойств парашютных куполов способствует повышению достоверности прогнозирования деформационных процессов.
Работа выполнялась в рамках Федеральной целевой программы "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России" на 2009 -2013 годы в соответствии с тематикой государственных контрактов:
- 16.740.11.0082 "Разработка и исследование новых видов авиационных
материалов на основе конструкционных композитов с повышенной удельной
прочностью и жесткостью";
- 16.740.11.0143 "Научные основы моделирования деформационных
свойств полимерных композиционных материалов в условиях переменной
температуры";
16.740.11.0265 "Разработка термопластичных гибридных композиционных авиационных материалов с повышенной удельной прочностью и жесткостью";
- 16.740.11.0300 "Математическое моделирование и компьютерное
прогнозирование вязкоупругости композиционных материалов повышенной
деформационной жесткости";
- 16.740.11.0382 "Разработка научных основ и новых методов
прогнозирования деформационных свойств наномодифицированных
полимерных материалов на основе учета конфомационно-энергетических
релаксационных и деформационных переходов";
Цель работы состоит в разработке комплекса компьютерных методов исследования вязкоупругих свойств и прогнозирования деформационных процессов полимерных тканей парашютных куполов на основе математического моделирования вязкоупругости для осуществления целенаправленного технологического отбора материалов, обладающих
наилучшими свойствами по критериям эксплуатации, надежности и соответствия заданным физико-механическим характеристикам. Основными задачами исследования являются:
- разработка компьютерных методик прогнозирования релаксационных,
деформационных и восстановительных процессов полимерных тканей для
парашютных куполов;
разработка программного обеспечения, позволяющего производить расчет упругих и вязкоупруго-пластических компонент деформации, а также, соответствующих им компонент механической работы деформирования полимерных тканей для парашютных куполов;
сравнительный анализ вязкоупругих свойств полимерных тканей для парашютных куполов и выявление влияния геометрических характеристик, линейной плотности, способа переплетения нитей, компонентного состава и других факторов на их деформационные свойства.
Методы исследования. Теоретической и методологической основой исследования явились классические и современные научные представления, разработки и положения, применяемые в текстильном материаловедении с использованием закономерностей, изложенных в физике, физико-химии полимеров, механике и термодинамике. Широко используются различные математические методы (интегральные уравнения, уравнения математической физики, численные методы и др.), а также методы вычислительной математики и информатики.
Научная новизна работы состоит:
в разработке компьютерных методик прогнозирования релаксационных, деформационных и восстановительных процессов полиамидных тканей для парашютных куполов на основе математического моделирования вязкоупругости по результатам кратковременных экспериментов в режимах простой релаксации и простой ползучести;
в разработке компьютерных методик разложения полной деформации и механической работы деформирования полиамидных тканей для парашютных куполов на упругую и вязкоупруго-пластическую компоненты на основе математического моделирования вязкоупругости по результатам кратковременных экспериментов в режимах простой релаксации и простой ползучести;
- в разработке программного обеспечения (см. список официально
зарегистрированных программ [7-18]), являющегося составной частью
целостного комплекса программ по прогнозированию релаксационных,
деформационных и восстановительных процессов полиамидных тканей для
парашютных куполов, а также по разложению их полной деформации и
механической работы деформирования на упругую и вязкоупруго-
пластическую компоненты;
- в разработке рекомендаций по целенаправленному технологическому
отбору полиамидных тканей для парашютных куполов, обладающих заданным
физико-механическим характеристикам, в зависимости от линейной плотности
нитей и поверхностной плотности тканей, способа переплетения нитей и
компонентного состава.
Практическая значимость работы состоит в том, что разработаны методики и соответствующее программное обеспечение, позволяющие производить:
прогноз релаксационных, деформационных и восстановительных свойств полиамидных тканей для парашютных куполов;
расчет компонент деформации и полной механической работы деформирования полиамидных тканей для парашютных куполов с целью получения рекомендаций по их применимости в парашютных системах того или иного класса, в зависимости от преобладания упругих или вязкоупруго-пластических свойств;
- технологический отбор полиамидных тканей для парашютных куполов,
обладающих заданными физико-механическими свойствами, по расчетным
параметрам математической модели вязкоупругости, зависящим от
компонентного состава, линейной плотности нитей, поверхностной плотности
тканей, геометрических характеристик и других факторов.
Материалы диссертации используются в учебном процессе и в научных исследованиях СПГУТД, а также при курсовом и дипломном проектировании.
Апробация результатов работы. Результаты работы докладывались на международных и всероссийских научно-технических конференциях: V Международная конференция "Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений", 2010, Тамбов; Всеросийская научная конференция молодых ученых "Инновации молодежной науки", 2011, С.-Петербург.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 18 печатных работ, среди которых 3 статьи в рецензируемых журналах из "Перечня ВАК РФ...", 12 свидетельств об официальной регистрации программ в Российском агентстве по патентам и товарным знакам.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованной литературы (185 наименований) и приложений. Основное содержание диссертации изложено на 126 страницах машинописного текста, иллюстрировано 28 рисунками и содержит 11 таблиц.
