Содержание к диссертации
Введение
1 Методы определения жесткости и упругости текстильных материалов для одежды. Современное состояние проблемы 10
1.1 Особенности строения и свойств материалов для одежды 10
1.2 Изгиб, характеристики изгиба 17
1.3 Экспериментальные и аналитические методы оценки жесткости и упругости текстильных материалов 22
1.4 Факторы, влияющие на жесткость и упругость текстильных материалов 34
1.5 Жесткость и упругость как показатели технологичности и формоустойчивости 40
1.6 Выводы по первому разделу и постановка задач исследования 45
2 Разработка метода определения характеристик изгиба материалов для одежды 47
2.1 Метод определения характеристик жесткости и упругости при изгибе 47
2.2 Разработка измерительного устройства 59
2.3 Методы обработки результатов исследований 73
2.4 Выводы по второму разделу 80
3 Исследование жесткости и упругости при изгибе льняных тканей и пакетов материалов из них 81
3.1. Актуальность льняных материалов в связи с их уникальными свойствами 81
3.2 Выбор объектов исследования 85
3.3 Постановка эксперимента 87
3.4 Исследование жесткости и упругости льняных тканей 90
3.5 Исследование жесткости и упругости пакетов материалов 102
3.6 Выводы по третьему разделу 109
4 Прогнозирование характеристик изгиба льняных тканей 110
4.1 Выбор метода прогнозирования 110
4.2 Создание системы прогнозирования на основе искусственных нейронных сетей 113
4.3 Применение искусственных нейронных сетей к прогнозированию характеристик жесткости и упругости льняных тканей 117
4.4 Выводы по четвертому разделу 129
5 Разработка практических рекомендаций и апробация результатов исследований 130
5.1 Проектирование льняных тканей с заданной жесткостью и упругостью 130
5.2 Проектирование швейных изделий из льняных тканей с учетом жесткости и упругости при изгибе 132
5.3 Выводы но пятому разделу 145
Заключение 146
Список использованных источников 148
Приложение А. Поверка и тарировка автоматизированного устройства определения жесткости и упругости (УОЖУ) 161
Приложение Б. Характеристики объектов исследования 169
Приложение В. Методика определения характеристик жесткости и упругости материалов для одежды при изгибе 179
Приложение Г. Методика прогнозирования характеристик жесткости и упругости тканей при изгибе 187
Приложение Д. Патент и акты о внедрении результатов работы 194
- Особенности строения и свойств материалов для одежды
- Метод определения характеристик жесткости и упругости при изгибе
- Актуальность льняных материалов в связи с их уникальными свойствами
- Выбор метода прогнозирования
- Проектирование льняных тканей с заданной жесткостью и упругостью
Введение к работе
Актуальность темы. Материалы для одежды испытывают деформацию изгиба: путем изгиба достигается формообразование в одежде, материалы постоянно подвергаются изгибу в технологическом процессе изготовления одежды и при ее эксплуатации. При этом способность материалов к изгибу остается мало изученной в силу сложности самого явления, широкого ассортимента материалов, используемых в швейном производстве, несовершенства существующих методов определения характеристик изгиба. С другой стороны, информапия о жесткости материалов ігри изгибе позволит проводить научно обоснованное проектирование материалов и одежды, что обеспечит повышение качества изделий.
Существующие стандартные методы определения жесткости при изгибе не соответствуют современному уровню развития техники. Характер испытаний остается статическим, не позволяет проследить кинетику изгиба, технические средства проведения испытаний не дают результаты нужной для практики точности. Необходим автоматизированный, универсальный метод, позволяющий оценить такое важнейшее и во многом основополагающее свойство материалов, как жесткость.
Одной из актуальных задач является проектирование тканей с заданными технологическими и эксплуатационными свойствами в соответствии с требованиями конструктора одежды. Прогнозирование способности материалов к изгибу на этапах их проектирования позволит целенаправленно достигать требуемых показателей качества и выпускать продукцию, пользующуюся исключительным спросом.
В соответствии с современными представлениями об оценке качества наряду с единичными показателями свойств целесообразно использование комплексного показателя, по которому можно принять решение о пригодности материала к конкретному изделию. Такой показатель позволить реализовать механизм автоматизированного выбора материалов в САПР одежды.
Изучение свойств материалов из льна по-прежнему остается актуальным: лен практически единственный местный ресурс для текстильной промышленности, натуральные материалы пользуются высоким спросом. В литературе очень мало сведений о свойствах льняных полотен при изгибе, а без этих знаний невозможен выпуск конкурентоспособных изделий.
Диссертационная работа выполнялась в рамках 2.1-БФ-04 «Разработка швейных изделий из льняных тканей с учетом свойств, исследованных с применением новых методов оценки».
Целью диссертационной работы является разработка методов оценки жесткости льняных тканей при изгибе, позволяющих проектировать ткани с заданными характеристиками изгиба и обеспечивающих изготовление качественных швейных изделий.
Достижение поставленной цели предусматривает решение следующих научных и технических задач: разработка метода оценки жесткости материалов для одежды при изгибе, пригодного для материалов различной жесткости; разработка современного измерительного устройства и программного обеспечения для реализации метода; - исследование жесткости льняных тканей и пакетов материалов из них при : изгибе; изучение взаимосвязи характеристик строения льняных тканей и их способности к изгибу; разработка метода прогнозирования показателей изгиба тканей; разработка рекомендаций по проектированию льняных тканей и швейных изделий с учетом жесткости; - разработка рекомендаций по практическому использованию результатов :± диссертационной работы и апробирование технических решений.
Основные методы исследований. Методологической основой представленных в диссертации теоретических и экспериментальных исследований являются сложившиеся в материаловедении изделий текстильной и легкой промышленности традиционные и новые научные представления о жесткости материалов. Применены методы экспериментального исследования механических свойств, методы математического моделирования, математической статистики, корреляционного, регрессионного и системного анализа, метод экспертных оценок, программное обеспечение Mathcad 2000 Professional, STATISTICA, MS Excel, NeuroOffice.
Научная новизна результатов работы заключается в том, что впервые: разработан метод определения свойств материалов текстильной и легкой промышленности при изгибе (патент РФ на изобретение №2267784); установлена функциональная зависимость работы изгиба от характеристик строения льняных тканей; получены математические модели анизотропии жесткости при изгибе льняных тканей; разработана методика прогнозирования показателей жесткости и упругости тканей при изгибе; предложен комплексный показатель способности льняных тканей костюмно-платьевого ассортимента к формообразованию путем изгиба. Практическая ценность работы связана с возможностью проектировать ткани с заданными свойствами и разрабатывать швейные изделия с учетом характеристик изгиба используемых материалов благодаря разработанным методам оценки жесткости, прогнозирования свойств тканей при изгибе.
На основании проведенных исследований получены справочные данные по характеристикам изгиба костюмно-платьевых льняных тканей.
Предложенная методика прогнозирования характеристик изгиба и эмпирические зависимости позволяют проектировать льняные ткани с требуемыми свойствами и применять разработанную систему для решения аналогичных задач прогнозирования.
Па основе разработанной градации льняных тканей по жесткости и работе изгиба, и комплексного показателя разработаны рекомендации по конфекционированшо материалов для одежды в соответствии с конструкцией проектируемых изделий.
В результате проведения исследований льняных тканей и пакетов материалов получены данные по анизотропии характеристик изгиба. На их основе разработаны рекомендации, позволяющие научно обоснованно выбирать направление раскроя деталей одежды, формировать пакеты материалов для обеспечения требуемой жесткости и формоустойчивости.
Рекомендации по проектированию одежды из льняных тканей используются на швейных предприятиях г. Костромы (ателье «На Кузнецкой», ООО «Светлана»), Разработанные методы, программное обеспечение и экспериментальные данные апробированы и используются при проведении научно-исследовательских работ и в учебном процессе МГУДТ г. Москва. ИГТА г. Иваново, РосЗИТЛП, ОГИС г. Омск, КГТУ г. Кострома.
Апробация результатов работы. Материалы диссертации были доложены и получили положительную оценку на международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы переработки льна в современных условиях» (Леі-ь2004), Костромской государственный технологический университет, 2004 г.; на межвузовской научно-технической конференции «Молодые ученые -развитию текстильной и легкой промышленности» (Поиск-2005), Ивановская государственная текстильная академия, 2005 г.; на межвузовской научно-технической конференции молодых ученых и студентов «Студенты и молодые ученые КГТУ - производству», Костромской государственный технологический университет, 2005 г,, 2006 г.; - на научных семинарах КГТУ и заседаниях кафедры технологии и материаловедения швейного производства КГТУ.
Публикации. Результаты диссертационной работы опубликованы в 1.4 печатных работах и 4 тезисах.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 разделов с выводами, списка использованных источников, включающего 119 наименование и приложений. Работа изложена на 147 страницах, имеет 21 таблицу, 48 рисунков.
1 Методы определения жесткости и упругости материалов для одежды. Современное состояние проблемы
Особенности строения и свойств материалов для одежды
Метод определения характеристик жесткости и упругости при изгибе
Изделия легкой и текстильной промышленности являются материальными телами, для которых действуют законы и методы механики. Изучение механических свойств этих объектов имеет практический интерес: проектирование изделий и разработка технологического процесса их производства с учетом механических свойств материалов для повышения качества выпускаемой продукции.
Значительные работы в области исследования механических свойств текстильных материалов принадлежат Г.Н. Кукину, А.Н. Соловьеву, А.Г. Бостанджяну, Б.А. Бузову, Т.А. Модестовой, К.Е. Перепелкину, А. В. Куличенко, А.И. Коблякову, В.П. Склянникову, Ы.Я. Третьяковой и др. Наибольшее внимание они уделяли деформации растяжения текстильных материалов и исследованию релаксационных явлений, вызванных внешними явлениями на материалы [1,2].
Под механическими свойствами материалов следует понимать совокупность показателей, характеризующих сопротивление материала воздействующей на него нагрузке, его способность деформироваться при этом, а также особенности его поведения в процессе разрушения [3].
Механические характеристики определяются следующими факторами:
- веществом, его структурой и свойствами;
- конструктивными особенностями элемента, то есть размерами, формой, наличием концентраторов, состоянием поверхности;
- условиями при нагружении: температурой, скоростью, повторяемостью нагрузки и др. [4] В швейном производстве в качестве основных материалов используют текстильные полотна, кожу, натуральный и искусственный мех, искусственную кожу, комплексные материалы, картон, синтетические полимеры [2]. Значительная часть ассортимента швейных изделий изготовляется из текстильных материалов: тканей, трикотажных и нетканых полотен с применением швейных ниток, пряжи, лент, ваты, ватина [1]. Материалы изделий легкой промышленности являются высокомолекулярными соединениями (полимерами) природного, искусственного и синтетическою происхождения [2], Они имеют сложную пространственную структуру и неоднородный химический состав, что заставляет предполагать сложные механические свойства. Свойства текстильных материалов определяются комплексом свойств элементов строения: нити (волокна), пучка волокон, волокна, фибриллы, микрофибриллы, волокно образующего полимера.
Фундаментом механических особенностей текстильных материалов является свойства полимера, из которого состоит большинство текстильных волокон [1]. Важнейшие из свойств полимеров: способность образовывать высокопрочные анизотропные высокоориентированные нолокна и плёнки; способность к большим (до многих сотен процентов), длительно развивающимся обратимым высокоэластическим деформациям с низкими значениями модуля эластичности1 ОД—10 МН/м2 (1—100 кгс/см2) [3].
Актуальность льняных материалов в связи с их уникальными свойствами
Реанимация предприятий текстильной отрасли в Костромской и Ивановской областях неизменно обуславливает увеличение оборотов в производстве льняной пряжи и тканей. Основные направления по развитию льняной промышленности связаны с реструктуризацией ассортимента производимых льняных изделий, повышение эффективности использования льняного сырья (до 75% используются неэффективно), разработка прогрессивных технологий и систем для проектирования и производства тканей, соответствующих мировым стандартам качества [90]. Проблема производства качественных льняных тканей остается, что обусловлено недостаточной изученностью их эксплуатационных и потребительских свойств, поведения и изменения свойств при переработке в швейные изделия [35].
Изменение ассортимента и повышение конкурентоспособности создаваемых новых видов тканей, в том числе тонких чистольняных, обусловило необходимость глубокого изучения начальных механико-физико-химических свойств льняных волокон, нитей и тканей.
По прогнозам международных экспертов в области моды актуальность использования льняных волокон не пойдет на снижение, напротив, все больше будут применяться и другие виды лубяных волокон (конопля, рами). Поэтому изучение механических свойств является перспективным направлением.
Отчасти кризис льняной промышленности 90-х годов произошел от несоответствия ассортимента льняных тканей реальным потребностям. К 1995г. технические и тарные ткани составляли около 64% всего объема выпускаемой продукции, на одежные приходилось 7%, постельное белье 23%, мебельные ткани 6%.
На основе последних маркетинговых исследований ассортимент льняных тканей должен измениться в пропорциях: костюмно-платьевые - 30%, постельное и нательное белье - 43 %, столовое белье - 21%, декоративные -6%. При этом из 30% костюмяо-платьевых тканей должно производится: 10% чистольняпьгх, 4,2% льнохлопковых (50%л+50%х или х/б), 15,8% льносмесовых (ВЛ, ВВМ, ПЭ, ПЛН, НПЭ). В настоящее время вырабатываются чистольняные (100% льняного волокна), льняные (не менее 92% льна) и полульняные (не менее 30% льна) материалы [90-92].
Производители, вынужденные действовать в рамках рынка, меняют свой ассортимент продукции в соответствии с указанными долями для баланса спроса и предложения и получения максимального дохода.
Костюмно-платъевые и декоративные ткани занимают существенную долю ассортимента. Изделия, изготавливаемые из них более сложны по конструкции, к ним предъявляются боле высокие требования, чем, например к бельевым. Поэтому неслучайно пристальное внимание к механическим свойствам тканей именно этой группы [93, 94].
Причина популярности, казалось бы, древних, несовременных с точки зрения производства льняных изделий заключается в естественном происхождении волокна и уникальных гигиенических и медикаментозных свойствах [90. 95], обусловленных неповторимым сочетанием химического состава волокна и физико-механических свойств льняных тканей. Натуральность сырья поддерживает моду и спрос на льняные изделия, особенно сейчас, когда стали придавать особое значение проблемам экологии [90, 35]
Выбор метода прогнозирования
Прогнозирование может осуществляться на основе опроса мнений экспертов (квалитативные методы), применения математических моделей и интеллектуальных систем (квантитативные методы), их интерполяции и экстраполяции, что определяет уровень вероятности прогноза.
Математическую модель получают в результате обобщения данных пассивного или активного эксперимента. Процесс обобщения производит человек, подыскивая наиболее простую и удобную в использовании математическую форму, полностью удовлетворяющую первичным данным. В поиске оптимальной математической формы исследователь может прибегнуть к помощи машины, которая на основе алгоритмов численных методов способна обработать большое количество данных и построить аналитическую модель.
Математическая модель для прогнозирования жесткости материалов по характеристикам структуры, построенная на основе наблюдений входных и выходных параметров является по сути статистической, не отражающей физической взаимосвязи указанных характеристик, но необходимой для достижения экономического эффекта.
Аналитическая модель хороша тем, что ее можно использовать для построения систем уравнений, описывающих более сложные процессы или структуры. Известность формы дает возможность анализа и научных выводов [109,П0].
Полученные в процессе экспериментов данные о строении и характеристиках жесткости и упругости при изгибе исследуемых льняных материалов позволило получить зависимости в математической форме (см. раздел 3). Они справедливы для костюмно-платьевой группы тканей, выработанных при аналогичных технических условиях. Изменение технологического процесса, волокнистого состава повлечет изменение свойств, а следовательно, математической модели. Ее трансформация требует дополнительных исследований. В условиях производства при интенсивном изменении требований к материалам и ассортименту такие исследования по отдельной группе показателей будут быстро устаревать, а проведение дополнительных исследований требует времени и финансовых вложений.
Поэтому появляется задача создания интеллектуальной системы, которая способна обобщать накопленный опыт в рамках конкретного технологического процесса, выдавать рекомендации, прогнозы в отношении свойств материалов при заданных вариантах строения, развиваться и обновлять свою структуру на основе новых поступающих данных, при этом не требуя глубоких научных знаний в области моделирования.
Проектирование льняных тканей с заданной жесткостью и упругостью
При проектировании льняных тканей, исходя из технологических возможностей и доступного сырья, задаются следующими характеристиками строения ткани: линейная плотность основной нити Т„ и уточной нити Ту, плотность ткани по основе П0 и по угіку Пу, раппорт по основе R , и по утку Ry, число основных перекрытий в раппорте по основе t0 и число уточных перекрытий в раппорте по утку ty. По формулам (3.4) и (3.5) определяют поверхностную плотность и коэффициент переплетения проектируемой ткани, по формуле (3.6) определяют значение средней жесткости ткани А,р.
Далее проводится анализ анизотропных свойств ткани. По формуле (ЗЛО) определяют коэффициент анизотропии работы изгиба кА. Знание этого коэффициента позволяет добиться сбалансированности ткани по жесткости в ортогональных направлениях (по основе и утку). Как правило, значение кА лежит в диапазоне [0,5; 1,5].
Процесс проектирования ткани с заданным строением и жесткостью является итерационным. Поэтому удобно использовать реализацию эюго расчета в VlathCad, оперируя не отдельными значениями характеристик строения, а векторами со всеми возможными вариантами значений.
Кроме жесткости при проектировании ткани учитывают изменение различных размерных показателей ткани в процессах ткачества и отделки (усадка и т.п.), характеристики деформации растяжения, пластичности, несминаемости. Достоинство представленных расчетных формул в том, что их легко использовать в составе с другими эмпирическими формулами показателей свойст
Предложенная в разделе 4 методика и программные средства для прогнозирования жесткости и упругости на основе искусственных нейронных сетей могут быть успешно использованы при проектировании ткани в производственных условиях благодаря следующим возможностям:
- адаптация искусственной нейронной сети в процессе обучения к сырьевому составу и особенностей технологии конкретного производства;
- уточнение прогноза за счет пополнения обучающей выборки сведениями о вновь произведенных материалах;
- автоматический расчет результатов без интеллектуальных затрат в короткий срок.
