Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ
СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИИ
Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА * ^
1.1. Прогнозирование строения ткани 2.1
Кодирование структуры переплетения ткани
Описание геометрии нитей в ткани
1.2. Прогнозирование механических свойств ткани $4
Методы расчета структурно-зависимых механических свойств ткани
Моделирование деформирования тканых полотен и изделий
1.3. Моделирование высокоскоростного удара по ткани 49
Выводы по главе 1 5Т
Глава 2. КОДИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ТКАЦКИХ ПЕРЕПЛЕТЕНИЙ 59
2.1. Описание способа кодирования 53
Однослойные переплетения
Многослойные переплетения с переходом основы из слоя в слой
Слоисто-каркасные переплетения
2. 2. Алгоритмы обработки кодированных переплетений 12.
Описание взаимодействия нитей в ткани
Изображение переплетений на экране дисплея
Алгоритм проверки корректности кодировки переплетения Выводы по главе 2 ЯЗ
Глава 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ СТРОЕНИЯ ТКАНИ $А
3.1. Исходные данные - свойства нитей и параметры тканей &8
Размерные параметры ткани
Свойства нитей
3.2. Элементарный участок изгиба нити *іОЦ
Условия типа "свободный изгиб"
Условия типа "изгиб около опорного сечения"
3.3. Математическая модель строения трехмерных тканей !<-<
Параметры модели
Составление уравнений модели
Решение системы уравнений модели
3.4. Расчет параметров и показателей строения тканей 1^
Поверхностная плотность, толщина ткани, уработка нитей
Коэффициент заполнения ткани и объемная пористость
Сквозная пористость ткани
Применение расчета пористости для оценки воздухопроницаемости ткани
Опорная поверхность ткани
3.5. Сравнение результатов моделирования с экспериментом ^63
Расчет высот волн изгиба
Зависимость параметров однослойных тканей
от структуры переплетения
3.5.3. Сетки для бумагоделателных машин - пример
многослойных тканей
3.5.4. Многослойные ткани слоисто-каркасных переплетений
Выводы по главе 3 20Z
Глава 4. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТКАНЕЙ 2С& ПРИ ОДНОРОДНОЙ ДЕФОРМАЦИИ
4.1. Описание напряженно-деформированного состояния ткани 203
изменение размерных параметров ткани
Расчет деформаций нитей в ткани
Натяжения нитей и поперечные усилия
Расчет высот волн изгиба и строения ткани в деформированном состоянии
Расчет усилий и моментов, действующих на элемент ткани
4.2. Прогнозирование свойств ткани при растяжении 2^/9
по направлениям основы и утка
Виды испытаний на растяжение и качественный анализ поведения ткани при растяжении
Алгоритм моделирования растяжения ткани
Экспериментальные исследования растяжения многослойных тканей и сравнение расчета с экспериментом
4.3. Прогнозирование свойств ткани при сдвиге и растяжении
по произвольному направлению 35
Моделирование сдвига ткани
Расчет сопротивления ткани растяжению в произвольном направлении
Пример: расчет прочности тканой трубы
4.4. Прогнозирование свойств тканей при изгибе 2.50
Элементарный участок нити при изгибе ткани
Расчет сопротивления ткани изгибу
Сравнение расчетов изґибной жесткости ткани с экспериментом
4.5. Возможности учета фактора времени в рамках^разработанных
моделей деформирования ткани 263
Определение механических свойств нитей для заданного диапазона скорости деформации
Модификация алгоритма моделирования деформирования ткани с учетом релаксационных свойств нитей
Выводы по главе 4 2?і
Глава 5. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ПОВЕДЕНИЯ ТКАНИ ПРИ ЛОКАЛЬНЫХ
ДЕФОРМАЦИЯХ ЕЕ СТРУКТУРНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ 2?«ЭГ
5.1. Расчет сопротивления ячейки ткани искажению
-ь-
Типы искажения ячеек
Точечное искажение
Линейное искажение
5.2. Моделирование прокола ткани и вытягивания нити 2.S1
Прокол ткани иглой
Вытягивание нити из ткани
5.3. Оценка формоустойчивости редкой ткани 29А
Требования к армирующей тканой сетке
Условия формоустойчивости
Пример: проектирование армирующей сетки для абразивного диска
Выводы по главе 5 303
Глава 6. ФЕНОМЕНОЛОГИЯ ВЬЮОКОСКОРОСТНОГО УДАРА ПО ТКАНИ 3Q4
6.1. Поведение нити при ударе. Z0
Продольный удар по нити. Критическая скорость
Поперечный удар по нити
6.2. Механические свойства высокомодульных нитей "52.0
Ассортимент нитей, используемых в средствах индивидуальной защиты
Свойства высокомодульных нитей
6.3. Особенности динамической деформации "2.23
при высокоскоростном ударе по ткани
Распространение волн деформаций по ткани и движение нитей
Разрыв нитей в ткани
Поведение многослойных тканей при высокоскоростном ударе
Выводы по главе 6 25~0
Глава 7. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВЫСОКОСКОРОСТНОГО
УДАРА ПО ТКАНИ 3 Si
7.1. Поперечный удар по нити J
Дискретная модель деформирования нити
Сравнение с точным решением
7.2. Удар недеформируемого ударника по тканевому пакету по
нормали к нему ЪъА.
Постановка задачи. Система исходных данных
Движение ударника
Расчет деформаций преграды. Дискретная модель
Исследование разностной схемы
Разрыв слоев ткани
Сравнение результатов моделирования с экспериментом
Оценка влияния сопротивления ткани изгибу и сдвигу на защищающую способность тканевого пакета
7.3. Косой удар недеформируемого ударника
по тканевому пакету ~5 Постановка задачи Движение ударника Расчет деформаций преграды. Дискретная модель Сравнение результатов моделирования с экспериментом Выводы по главе 7 394 ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Обсуждение результатов работы зЯ~ ОБЩИЕ ВЫВОДЫ L/ Об СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 1(44 ПРИЛОЖЕНИЯ г<37 I. Акты внедрения результатов диссертационной работы II. Методика расчета многослойных тканей СЕТКА 1.1 III. Методика расчета высокоскоростного Введение к работе Исследователь механических свойств ткани, конструктор тканых изделий, технолог ткацкого производства сталкиваются со сложной задачей количественного описания строения ткани в свободном состоянии и ее поведения при различных видах напряженно-деформированного состояния. Эта задача и составляет предмет настоящей работы. Научное направление, разрабатываемое в ней, можно сформулировать так: прогнозирование параметров строения и механических свойств тканых материалов при проектировании тканей технического назначения по заданным эксплуатационным требованиям. Прогнозирование осуществляется путем построения математических моделей, которые описывают свойства ткани как свойства составляющих ее нитей, опосредованные структурой переплетения. При этом свойства нитей считаются заданными. Другими словами, в цепочке преобразования текстильных волокнистых материалов волокно -> інить -> тканы-> изделие мы рассматриваем лишь выделенный переход, оставляя вопросы прогнозирования свойств нитей по заданной их структуре и свойств тканых изделий по заданной их конструкции за пределами работы. Содержанием моделей будет математический аппарат и алгоритмические средства, позволяющие по заданным свойствам нитей и структуре их переплетения рассчитать геометрию внутреннего строения ткани и характеристики ее сопротивления деформированию. Методы прогнозирования реализуются в виде программных комплексов, использующих разработанные алгоритмические средства. Главной при прогнозировании свойств ткани является не -в- технологическая, а материаловедческая сторона вопроса: нас будет интересовать не то, как изготовлена ткань, а то, что она собой представляет. Задачи прогнозирования строения и механических свойств наиболее актуальны для тканей технического назначения, которым в первую очередь и посвящена работа. Это ограничение области моделируемых объектов проявляется в номенклатуре прогнозируемых свойств ткани, в которую не входят важные в первую очередь для бытовых тканей показатели гигроскопичности, теплопроводности, сминаемости, драпируемости, туше, блеска и т.п. С другой стороны, применяемые нами модели механических свойств нитей в большей степени отражают поведение прочных химических нитей, нежели хлопчатобумажной или шерстяной пряжи со сложной внутренней структурой, хотя, с определенной степенью допущения, могут быть применены и к ним. Ткань - это материал, обладающий сложными механическими свойствами в силу присущей ей внутренней структуры. Достаточно сложно дать определение этому классу текстильных полотен, которое охватывало бы все многообразие структур переплетения и формы нитей. Говоря о тканом материале, мы будем иметь в виду текстильное полотно, образованное переплетением основы и утка -двух систем нитей, которые при изготовлении ткани на станке взаимно перпендикулярны и сохраняют эти преимущественные направления в готовом материале. Из рассмотрения, таким образом, исключаются т.н. трехосные ткани, в которых имеется несколько систем переплетающихся нитей, не перпендикулярных друг другу в процессе ткачества, и ткани, нити в которых образуют петли (ворсовые, махровые ткани), или оплетают друг друга, как в ажурных тканях. В то же время под это определение подпадают многослойные и трехмерные ткани, в которых нити одной системы -например, основы - сильно изогнуты, и могут даже на отдельных участках иметь направление, близкое к нормали к поверхности ткани, но при этом сохраняется перпендикулярность преимущественных направлений утка к плоскостям, осредненно представляющих направление нитей основы. Конечно, говорить о перпендикулярности гибких нитей, достаточно легко отклоняющихся от направлений, которые они имели при формировании ткани на станке, можно лишь условно, имея в виду интуитивное представление о "преимущественном" направлении нитей в ткани. Четкая формулировка предположений о рассматриваемых структурах ткацких переплетений и форме нитей в ткани будет дана в главах 1 и 2. Другое ограничение, накладываемое на модели, рассматриваемые нами, касается временного аспекта процесса деформирования. Мы ограничиваемся рассмотрением двух крайностей. Первая квазистатическое деформирование. При этом предполагается, что реально развивающийся во времени процесс деформирования можно представить как последовательность статических состояний материала, каждое из которых определяется условиями его равновесия Са не динамики). Вязко-упругие свойства нитей при этом не учитываются, а параметры сопротивления нитей должны быть определены в том же диапазоне скоростей деформации, в котором происходит деформирование ткани. Вторая крайность высокоскоростное деформирование при поперечном ударе по ткани (скорость деформации превышает 1000 1/с). При этом состояние ткани определяется уравнениями динамики Сс учетом сил инерции), - lu- однако свойства нитей считаются не зависящими от скорости деформации, хотя и отличающимися (порой значительно) от их "статических" значений. Эти две крайних на шкале скоростей деформации постановки задачи объединяет то, что и в том и в другом случае можно ориентироваться на некоторые a priori заданные деформационные свойства нитей, не зависящие от скорости, хотя физические предпосылки такого упрощения разные: в первом случае это медленность процесса, небольшое изменение скоростного диапазона деформации за время его развития, а во втором, наоборот, чрезвычайно высокая скорость, при которой зависимость "сопротивление-скорость" испытывает насыщение. Разработанные модели, однако, дают возможность их дальнейшего развития с учетом фактора времени. Итак, главной задачей разрабатываемых моделей будет выяснение структурной зависимости геометрических параметров Сстроения) и механических свойств ткани в следующих ситуациях: свободное состояние; различные виды напряженно-деформированного состояния ; высокоскоростной поперечный удар. Актуальность проблемы Сформулированную проблему можно трактовать как создание теоретических основ автоматизированного проектирования ткани на стадии разработки технических условий на ткань по заданным эксплуатационным характеристикам Сследующей стадией будет проектирование технологического процесса по заданным техническим условиям). Эта задача в первую очередь актуальна при создании технических тканей, к которым предъявляются повышенные эксплуатационные требования. Возможно также решение задач выбора нитей для сохранения или обеспечения эксплуатационных характеристик и т.д. Усилия разработчиков САПР ткани в настоящее время (работы МГТА, ИвТИ и др.) направлены прежде всего на обеспечение технологического процесса, поэтому данная работа заполняет определенную "нишу" в потребностях производства и представляет практический интерес. Наибольшую ценность при этом будет представлять модель, позволяющая проектировать ткань по широкому комплексу технических требований. В перечень свойств, предъявляемых для расчета при проектировании ткани с использованием разрабатываемых нами методов, входят: 1) параметры строения ткани: уработка нитей (соотношение длины нитей в ткани к длине участка ткани); заполнение ткани волокнистым материалом; пористость (в том числе форма и размеры пор) и оценка воздухопроницаемости; опорная поверхность и др. 2) характеристики сопротивления ткани нагружению: (одно- и двухосном) и сдвиге; диаграмма "момент-кривизна" при изгибе; анизотропия этих свойств; сопротивление ткани проколу, вытягиванию нити и другим видам местных деформаций. - rz- Что касается задачи о высокоскоростном ударе, то ее практическая ценность определяется состоянием работ по конструированию баллистических тканевых защитных устройств. После завершения периода "бури и натиска" 70х-80х годов, теперь, когда базовые конструкции уже созданы и речь идет об их оптимизации, актуальность прогнозирования защитных свойств и численного эксперимента для оценки технических решений весьма высока. Эта актуальность подкрепляется и экономическими соображениями. Высокомодульные волокна и нити из них Сарамиды, высокомодульный полиэтилен) стоят дорого, дороги и баллистические испытания, поэтому соотношение стоимости натурного и численного эксперимента служит лучшей агитацией за математическое моделирование. Успех практического применения методов моделирования во многом определяется "дружественностью" программ, реализующих эти методы, и их сервисными возможностями. Разработанные программные комплексы имеют развитое графическое обеспечение, которое позволяет инженеру быстро оценивать результаты численного эксперимента без трудоемкого анализа распечаток и облегчает сопоставление этих результатов с опытом. Научная ценностьи новизна Проблема моделирования поведения тканых материлов может рассматриваться как подраздел различных дисциплин: текстильного материаловедения, механики деформируемого твердого тела, механики композиционных материалов. Со времени пионерских работ F.Т.Peirce'at290-292], Н.Г. Новикова!122-124], Б. П. Позднякова!139] в области описания строения и деформирования ткани и G.T.Taylor'at 317], yon Karman'at2503 и X. А. Рахматуллина С146] в области высокоскоростного удара библиография по данной теме составляет десятки наименований, Однако, как показывает рассмотрение этих работ Сем. главу 1), состояние вопроса может быть охарактеризовано так: существующие модели либо подробно описывают ткани простейшей структуры Сполотно), либо элементарно, в самых грубых предположениях - ткани более сложной структуры. Примером таких грубых предположений может служить принятое в практических руководствах по проектированию ткани представление формы изогнутой линии нити в ткани в виде ломаной. Поэтому научная ценность и новизна работы, по убеждению автора, определяется решением следующих проблем: создание методологической основы для прогнозирования строения ткани в достаточно широком классе структур и сырьевого состава с учетом комплекса геометрических и механических свойств нитей; разработка общего подхода к описанию деформированного состояния ткани и расчетных методов для отдельных видов испытаний ткани на основе модели ее пространственной структуры; построение методов расчета сопротивления ткани местным деформациям - смещениям нитей в структуре ткани при локальных воздействиях; обобщение экспериментальных данных о поведении ткани при высокоскоростном ударе и выделение системы базовых механических явлений и процессов, моделирование которых необходимо для адекватного описания процесса; разработка численных методов для моделирования высокоскоростного удара по тканевому пакету, в том числе по направлениям, отклоняющимся от нормали; создание алгоритмических и программных средств, реализующих эти теоретические результаты и применимых для решения практических задач. Автор осознает, что многие важные вопросы остались за бортом проведенных исследований и что от многих сделанных предположений и упрощений можно будет отказаться при дальнейшем развитии механики ткани. Представляется, что это должно делаться в следующих направлениях: учет временных факторов - релаксации напряжений и деформаций; подробное исследование контактных задач взаимодействия нитей в ткани; развитие теории сложного напряженно-деформированного состояния ткани; исследование влияния технологических факторов на строение и свойства ткани. Структура работы Последовательное рассмотрение названных проблем и определяет структуру работы. Глава 1 посвящена обзору состояния вопроса. В главе 2 описан метод кодирования трехмерных ткацких переплетений, позволяющий, в отличие от традиционных технологических подходов, описать пространственную структуру, топологию переплетения нитей в ткани, в том числе ткани с вертикальными ткаными слоями. Метод применяется в главе 3 при построении модели геометрии нитей в ткани - строения ткани в свободном состоянии. Эта модель позволяет полностью описать пространственное расположение нитей, а значит - рассчитать перечисленные выше геометрические параметры ткани. В главе 4 мы переходим к квазистатическому деформированию / ткани. Рассмотрев с единых позиций накопленные к настоящему времени экспериментальные факты и теоретические представления о поведении ткани при различных видах деформированного состояния, удалось сформулировать общий подход к построению модели деформирования ткани, реализованный в этой главе для расчета сопротивления ткани деформированию при различных видах испытания и в главе 5 - для расчета сопротивления ткани локальным деформациям ее структурных элементов. Этот подход весьма существенно опирается на описанную ранее модель строения ткани. Наконец, главы 6 и 7 посвящены высокоскоростному удару по тканевой панели. Они построены аналогично предыдущим - от обобщения экспериментальных фактов к созданию численных методов расчета. Сравнение модели с экспериментом проводится в каждом разделе работы; используются и литературные данные, и специально поставленные опыты. Сравнение проводится поэтапно: сначала отбираются эксперименты, позволяющие "заглянуть внутрь" моделируемого явления (например, исследование срезов ткани; подробные диаграммы деформирования; импульсная рентгенография высокоскоростного удара), и на них проверяется чувствительность модели к качественным изменениям поведения ткани (например: позволяет ли модель описать разницу между сильно и слабо сжимаемыми нитями? между нитями с сильной нелинейностью деформации и практически линейно упругими?); затем рассматриваются эксперименты, в которых определяются "конечные" свойства ткани4 (поверхностная плотность; толщина; избыточная длина нитей; прочность; пористость; скорость предела сквозного пробития и т.д.), но в достаточно широком диапазоне параметров Спереплетение, сырье, плотность и т.д.) - они служат для проверки пригодности модели в целом для решения практических задач, в том числе - для оценки границ адекватности моделирования. Практическая реализация результатов Разработанные методы моделирования позволили создать реализующие их программные средства - систему автоматизированного расчета многослойных тканей СЕТКА и пакет прикладных программ для расчета защитных баллистических свойств тканых пакетов IMPACT (Приложения II и III). Реультаты выполненных с их помощью расчетов приведены во всех разделах работы. Система СЕТКА используется АО "Невская мануфактура" (Санкт- Петербург) при разработке многослойных тканей - одежды бумагоделательных машин. Программы IMPACT используются рядом организаций - разработчиков защитной одежды: НИИ Стали (Москва), АО "Сумма технологии" и "Завод Ильич" (Санкт-Петербург), и др. Результаты испытания и использования этих программных комплексов отражены в прилагаемых актах внедрения (Приложение I). Настоящая работа была выполнена в 1989-1994 гг. Она проводилась на кафедре Механической технологии волокнистых материалов Санкт-Петербургского Государственного университета технологии и дизайна как в рамках федеральных госбюджетных программ (темы Лентек 32, Лентек 34, Лентек 25 ), так и по прямым хоздоговорам с промышленными организациями. Работы по защитным устройствам с применением тканых материалов были начаты автором в 1981-1989 гг. во ВНИИ Транспортного машиностроения (Санкт-Петербург); часть экспериментальных результатов, полученных в это время и опубликованных в [88,891, представлена в диссертационной -1/- работе. Апробация работы и публикации Результаты работы докладывались: на Международных, Всесоюзных и Всероссийских научных конференциях: "Динамическая прочность и трещиностойкость конструкционных материалов" СКиев, Институт проблем прочности, 1988), "Прогресс-90", "Прогресс-93", научно-техническая конференция института (Ивановский текстильный институт, 1990, 1991, 1993), "Теория и практика бесчелночного ткачества" (Московская государственная текстильная академия, 1993), "Текстильные композиты и текстильные структуры" (Laboratoire Mechanique Materiaux, Universite Lion I, Лион, 1995), IMTEX'95 (Institut Technicznych Wyrobow Wlokienniczych, Лодзь, 1995), "Одежда и экипировка солдата на поле боя - 2000" (Defence Clothing & Textile Agency, Колчестер, Великобритания, 1995). на научных семинарах Университета De Montfort (г. Лестер, Великобритания, 1994,1995) и Universite of Manchester Institute Science & Technique (Манчестер, 1995); на научных семинарах кафедр Механичской технологии ткстильных материалов (1992,1994), Текстильного материаловедения (1995), Сопротивления материалов СПбГУТД (1992), Вычислительной математики и Динамики и процессов управления СПбГТУ (1994), Текстильном коллоквиуме СПбГУТД (1994); на технических совещаниях и семинарах АО "Невская Мануфактура" (1991,1992). Система СЕТКА была представлена на Международной выставке PAP-F0R (1993, Санкт-Петербург). Результаты опубликованы в 26 печатных работах [88-103, 114, - la - 141, 143, 202, 330-3323, вошли в монографию- справочное пособие [1143, использовались при создании нескольких изобретений [104-1063. В значительной степени на них основан курс лекций "Прикладная механика ткани", подготовленный и прочитанный автором для студентов СПбГУТД (специальность "Технология ткачества"); они также входят составной частью в курс "Моделирование технологических процессов" и используются в курсе "Механическая технология текстильных материалов". СШШЩтОБШЧЕИШш -49- Размерность всех величин указана с помощью формул размерности, при этом обозначено: EF3 - размерность силы Ш - размерность длины СМ] - размерность массы [ТЗ - размерность времени При записи всех формул предполагается, что входящие в них величины выражены в согласованной системе единиц, поэтому какие-либо размерные коэффициенты не указываются, о высота волны бокового изгиба, EL3 В изгибная жесткость, [F-L23 с скорость звука, [L/T3 С коэффициент уплотненности переплетения по В. П. Склянникову 053 d ,d поперечники сечения нити (меньший и больший), [L3 Е относительный модуль растяжения нити, [F/CM/D3; F сила растяжения ткани, в расчете на одну нить, [F3 6 натяжения нитей в ткани, EF3; модуль сдвига ткани, [F/L3 h высота волны изгиба, [L3 И толщина ткани, Ш і индекс нити Сзоны) основы j индекс нити (ряда) утка к индекс элементарного участка изгиба нити индекс слоя утка количество слоев утка поверхностная плотность ткани, CM/L] моменты, изгибающие ткань, на единицу ширины образца, CF] количество зон основы/рядов утка в раппорте ткани нормальные усилия, на единицу ширины образца, CF/L3 расстояния между средними положениями нитей по основе и утку, Ш плотность ткани по основе и утку, C1/L] Q перерезывающая сила; поперечная нагрузка на нить, Ко, R раппорт ткани по основе и утку Г линейная плотность нити, [M/L] Т сдвиговое усилие, на единицу ширины образца, EF/L3 U воздухопроницаемость ткани, [L/T3 W энергия изгиба, [F-L3 х координата вдоль основы, Ш у координата вдоль утка, Ш 2 координата перпендикулярно поверхности ткани, Ш у деформация сдвига с деформация растяжения Aj смещения слоев нитей утка, Ш 8 угол наклона средней линии нити 77 коэффициент бжатия нити я кривизна изогнутой линии нити, I1/L3 Индексы: "о" - основа; "у" - уток; "а" - произвольная нить в раппорте ткани
удара по тканевой преграде IMPACT 1.1
поверхностная плотность;
толщина;
прочность и диаграмма "усилие-деформация" при растяженииПохожие диссертации на Прогнозирование строения и механических свойств тканей технического назначения методами математического моделирования
