Введение к работе
Актуальность работы. При эксплуатации обуви в различных климатических зонах возникает ситуация создания таких условий, при которых стопа человека должна ощущать комфортность в течение всего времени нахождения человека в этих условиях. Для реализации такой задачи использовались специальные эксперименты, позволяющие проследить ситуацию изменения теплового состояния стопы в исследуемых образцах обуви при различной температуре воздуха.
Если носчик ощущал дискомфорт, то принималось решение, что такое соотношение выбранных материалов для верха и низа обуви не обеспечивает защиту стопы от воздействия на нее низких температур. Естественно, что такие эксперименты являлись затратными и материалоемкими, так как требовали проведения большого количества опытов в естественных условиях, или в специальных климатических камерах с привлечением большого числа носчиков, но это все равно не гарантирует от ошибок и практически неосуществимо при рассмотрении всего ассортимента обуви, который выпускается обувными предприятиями.
Кроме экспериментальных методов определения теплозащитных свойств обуви, используются аналитические, основанные на определении суммарного сопротивления теплопереходу от поверхности стопы к внешней среде через пакеты материалов для верха и низа обуви. В выражение этого суммарного сопротивления входит средний коэффициент теплообмена обуви с внешней средой, который обычно рассчитывается по критериальным уравнениям и не позволяет выявить те участки обуви, которые наиболее подвержены влиянию холода, и защитить именно их от теплопотерь. Поэтому так важно разработать математическую модель для обоснования выбора пакетов материалов для верха и низа обуви с целью создания комфортности стопы с учетом продолжительности воздействия на нее низких температур.
Работа направлена на решение актуальной проблемы разработки пакетов материалов для защиты стопы от воздействия низких температур с обеспечением комфортных условий в течение заданного времени эксплуатации.
Работа выполнена в Южно-Российском государственном университете экономики и сервиса в рамках научно-исследовательской работы по федерально-целевой программе «Разработка инновационных технологических процессов производства обуви с использованием нанотехнологий», а также в соответствии с утвержденной «Стратегией развития легкой промышленности до 2020г.» в том числе в ЮФО и СКФО, что позволило прогнозировать теплозащитные свойства обуви, базирующиеся на использовании экспериментальных и теоретических подходов, позволяющих получить результаты, адекватные реальным условиям эксплуатации.
Цель работы.
Целью работы являлась разработка пакета материалов для создания комфортности стопы в условиях эксплуатации для различных климатических зон за счет обеспечения специального подбора материалов и оптимизации конструкции обуви.
Для решения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Анализ тепловых сопротивлений пакетов материалов не только для различных материалов, но и их различных форм, чтобы обосновать необходимость учета формы пакета при построении математической модели процесса теплообмена.
-
Построение геометрического образа базового вида обуви (ботинок) с помощью геометрических объектов для рассмотрения процесса теплообмена при стационарной и нестационарной теплопроводности для плоской пластины, цилиндрических и сферических сегментов с краевыми условиями 1-го - 4-го рода.
-
Разработка программного обеспечения для расчёта изменения температуры при теплообмене в системе «стопа – обувь – окружающая среда», учитывающего зависимость теплопроводности обуви от температуры материалов пакета.
-
Обоснование выбора пакетов материалов для защиты стопы от воздействия на нее низких температур. Проведение экспериментальных исследований для трех моделей базового вида обуви (ботинок) в микроклиматической камере.
Методы исследования: в работе для решения поставленных задач использовались современные и стандартные методики. Их результаты сравнивались и сопоставлялись с известными экспериментальными и теоретическими данными. Были применены численные методы при решении систем нелинейных уравнений, вычислении интегралов и приближенных значений сумм сходящихся рядов. При исследовании краевых задач для систем дифференциальных уравнений теплопроводности с различными граничными условиями использован классический метод Фурье, позволяющий представить решения в виде абсолютно сходящегося ряда по собственным функциям соответствующего дифференциального оператора. В работе использованы программные продукты операционной среды Windows XP, 3Д Studio MAX5, Maple 9,5, EXCEL, что позволило прогнозировать теплозащитные свойства, базирующиеся на использовании экспериментальных и теоретических подходов, позволяющих получить результаты, адекватные реальным условиям эксплуатации. Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждены результатами теоретических и экспериментальных исследований.
Научная новизна работы:
– разработано программное обеспечение для расчета распределения температуры внутри пакета материалов и расчета зависимости удельных и абсолютных теплопотерь с поверхности различных конструктивных узлов обуви;
– построены математические модели процесса теплообмена для систем «стопа – обувь – окружающая среда», которые реализуют возможность решения краевых задач для многослойных плоских, цилиндрических и сферических пакетов с граничными условиями 1–4 рода;
– реализован геометрический образ базового вида обуви (ботинок) с помощью программы 3D Studio MAX 5, представляющий собой совокупность составных многослойных плоских, цилиндрических и сферических пакетов обувных материалов;
– разработана методика определения времени комфортного пребывания стопы в обуви при условии воздействия на нее низких температур;
– построены математические модели для процессов локального теплообмена в системе «стопа – обувь – окружающая среда», учитывающие форму многослойных пакетов материалов и описывающие зависимость распределения температуры внутри обуви от времени воздействия низких температур;
– разработана методика выбора пакета материалов верха и низа обуви в различных климатических зонах для обеспечения комфортного температурного режима стопы в течение заданного времени эксплуатации.
Практическая ценность работы:
– разработан программный продукт «Программное обеспечение для расчета задачи теплообмена системы «стопа – обувь – окружающая среда», «Программный продукт для решения задач нестационарных процессов теплообмена для системы «стопа – обувь – окружающая среда» при условии зависимости коэффициентов теплопроводности от температуры»;
– построен геометрический образ базового вида обуви (ботинок) с помощью плоских пластин, цилиндрических и сферических сегментов;
– изготовлены мужские ботинки разных моделей, которые были подвергнуты исследованиям в микроклиматической камере. Результаты опытной носки подтвердили высокую эффективность построенных математических моделей для обоснованного выбора пакетов материалов и обеспечения комфортности стопы при воздействии на нее низких температур;
– получена новая база данных, подтвержденная построенными математическими моделями, обеспечивает комфортные условия стопе в течение всего периода эксплуатации и позволяет использовать их в качестве адекватного прогностического показателя степени охлаждения организма человека и соответствия обуви условиям ее использования.
Разработанные программные продукты были апробированы на обувных предприятиях ООО «Рант» и ООО «Виктория» г. Новочеркасск и подтвердили свою высокую эффективность по обеспечению комфортных условий стопе при воздействии на нее низких температур. Кроме того, они используются в учебном процессе на кафедрах «ТШИиМ», «МКиД», «ТИКСС» для студентов специальностей 260905 «Технология изделий из кожи» и 260906 «Конструирование изделий из кожи», в лабораторных курсах по дисциплинам «Материаловедение в производстве изделий легкой промышленности» и «Конфекционирование материалов для изделий из кожи», а также при выполнении курсовых работ по данным дисциплинам и по дисциплине «Исследовательская работа на стыке фундаментальных дисциплин».
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Концепция комплексного исследования стационарных и нестационарных процессов теплообмена в системе «стопа – обувь – окружающая среда».
2. Разработка геометрического образа базового вида обуви (ботинок) с помощью плоской пластины, цилиндрических и сферических сегментов.
3. Результаты экспериментальных исследований зависимости температуры внутриобувного пространства от времени воздействия низких температур для системы «стопа – обувь – окружающая среда».
4. Программный продукт по обоснованному выбору пакетов материалов для обеспечения комфортного пребывания человека в течение всего периода его нахождения в климатических зонах с пониженной температурой на основе адекватного прогностического показателя степени охлаждения организма человека и соответственно обуви, условиям ее использования.
5. Рекомендации по обоснованному выбору пакета материалов для обуви, эксплуатируемой в различных климатических зонах.
Личный вклад автора в опубликованных в соавторстве работах состоит в обосновании и постановке целей исследования, формирования задач, выбор методов и направления исследования, анализ и систематизация полученных результатов, теоретического заключения, положения и выводы по работе, организация и непосредственное участие в экспериментальных исследованиях диссертации принадлежит лично автору. Ряд положений методологического, теоретического и экспериментального характера в разработке и исследовании пакетов материалов для защиты стопы человека от воздействия на нее низких температур использованы при выполнении диссертационной работы на соискание ученой степени кандидата технических наук аспирантом Михайловой И.Д. с участием автора.
Апробация результатов работы. Основные результаты работы докладывались на межвузовских научно-технических конференциях ЮРГУЭС в 2007–2011 гг. г. Шахты, Ростовской области; международных научно-практических конференциях «Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте» в 2006–2010 гг. г. Одесса, Украина и «Новое в технике и технологии текстильной и легкой промышленности» в 2007–2011 гг. г. Витебск, Республика Беларусь; а также в научно-технических конференциях гг. Киев, Сочи, Пятигорск, Пенза, Краснодар; конкурсе проектов по программе «У.М.Н.И.К.» в 2007–2011 гг. г. Шахты, Ростовской области.
Основные результаты работы изложены в 42 публикациях, из которых 12 статей опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК РФ и в 5 свидетельствах о регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем работы:
Диссертационная работа изложена на 258 страницах машинописного текста, состоит из введения и 4 глав, 36 таблиц, 104 рисунков, общих выводов и библиографического списка, насчитывающего 160 наименований, а также приложений, изложенных на 91 страницах.
