Введение к работе
Актуальность проблемы. Развитие и повышение эффективности производств товаров народного потребления, быстрая смена ассортимента изделий, необходимость решения задач по улучшению качества выпускаемой продукции обусловливают актуальность исследований, направленных на определение особенностей деформационного поведения и предельных состояний волокнисто-пористых натуральных материалов легкой промышленности. Как известно, что наибольшее количество дефектов, выявляемых в процессе жизненного цикла, этих материалов связано с их реологическими и прочностными свойствами.
В этой связи проведение комплексных исследований вызвано необходимостью понимания закономерностей поведения волокнисто-пористых натуральных биокомпозитов как анизотропных структурно-неоднородных сред, прогнозирования структурных изменений при направленных физико-механических воздействиях и разработкой новых композиционных материалов с заранее заданными свойствами.
Сложность проблемы связана с отсутствием в настоящее время системности исследований и предопределяет проведение глубокого анализа таких материалов с использованием структурно-системного подхода, методов механики сплошных сред, современных методов математического и физического моделирования.
Важной задачей является не только создание теоретических основ получения волокнисто-пористых биокомпозитов с прогнозируемыми свойствами, но и разработка неразрушающих методов и устройств для диагностирования структуры материалов, как на различных технологических этапах создания, так и в процессе изготовления изделий из них.
Исследования, связанные с эффективным использованием волокнисто-пористых натуральных биокомпозитов при существующих объемах их использования и экологических проблемах при их производстве, имеют важное научное и народнохозяйственное значение.
Диссертационная работа выполнялась в соответствии с тематическими планами НИР ГОУВПО МГУДТ и НТИ МГУДТ (филиал), в рамках НИР «Разработка методологии моделирования напряженно-деформированного состояния носочно-пучковой части обуви при формовании» (отчет по НИР/НТИ МГУДТ госрег. № 01.2.007 02829 М.: ВНТИЦентр. 2007) и договором о творческом сотрудничестве НТИ МГУДТ (филиал) и ИГД СО РАН (согласно целевой программе «Интеграция науки и высшего образования в РФ на 2002-2006 годы»).
Цель работы – разработка комплекса методологических принципов по созданию и совершенствованию неразрушающих методов и технических систем контроля реологических и прочностных свойств волокнисто-пористых биокомпозитных материалов.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
- разработать методологические принципы исследования физико-механических свойств волокнисто-пористых биокомпозитных материалов на основе системно-структурного подхода;
- исследовать закономерности изменения прочности кожевой ткани на различных этапах технологического цикла выделки кожи и меха, выявить эмпирические и теоретические зависимости предельных состояний с учетом анизотропии, скорости деформирования и многослойности материала;
- выявить параметры акустической эмиссии (АЭ), отражающие закономерности кинетики накопления повреждений в кожевой ткани и разработать методику неразрушающего определения прочности волокнисто-пористого биокомпозита;
- разработать и реализовать методологической подход к прогнозированию прочностных свойств кожевой ткани, позволяющий повысить эффективность исследований;
- получить математические модели физико-механических свойств кожевой ткани и на их основе исследовать влияние структурных изменений на ее деформационные свойства;
- разработать методики оценки реологических свойств волокнисто-пористых биокомпозитов;
- разработать методологические принципы направленного синтеза реологических свойств кожевой ткани, с учетом связи между критерием, характеризующими структуру материала, и параметрами технологических воздействий;
- разработать методику управления технологическими процессами изготовления изделий по оценке состояния внутренней структуры материала.
Объектами исследования являются методы и средства испытаний волокнисто-пористых биокомпозитов, используемых для производства товаров народного потребления, технологические и технические системы, обеспечивающие изменение этих свойств как на этапе процесса создания материалов, так и на этапах получения изделий с их использованием. В качестве модельного материала использовалась кожевая ткань, имеющая сложную волокнисто-пористую структуру с вероятностными свойствами.
Методы исследований включают методологию системного анализа; статические и квазистатические экспериментальные методы исследования реологических и прочностных свойств волокнисто-пористых биокомпозитов, метод акустической эмиссии, метод планирования эксперимента, статистические методы обработки, анализа и моделирования экспериментальных данных. При обработке данных использовался регрессионный анализ и стандартные пакеты вычислительных программ. При теоретических исследованиях использовались методы математического моделирования с применением основных положений механики деформируемого твердого тела, теории конечных элементов, методы нейронных сетевых моделей.
Достоверность выводов и рекомендаций работы обеспечивается использованием апробированных средств и методик проведения исследований, достаточным объемом и сходимостью результатов теоретических и лабораторных исследований.
Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:
- развиты методологические принципы исследования физико-механических свойств волокнисто-пористых биокомпозитов, основанные на системно-структурном подходе изучения системы «материал»;
- установлены закономерности изменения предельных деформаций и напряжений, прочности лицевого слоя, прочности сцепления лицевого и основного слоя кожи и кожевой ткани на отдельных технологических операциях в зависимости от направления и скорости деформирования материала;
- выявлена связь между параметрами акустической эмиссии и структурными изменениями при деформации волокнисто-пористого материала, что позволяет проводить анализ кинетики образования дефектов структуры;
- предложены методы для прогнозирования прочности кожевой ткани и алгоритмы их реализации на основе использования контрольного эталона и определения прочности по начальной скорости нарастания импульсов акустической эмиссии;
- разработан методологический подход к прогнозированию прочностных свойств волокнисто-пористых биокомпозитов с использованием нейронных сетей, что позволяет повысить эффективность исследований;
- предложены математические модели для описания физико-механических свойств волокнисто-пористых биокомпозитов используемых в легкой промышленности, разработаны методы и устройства, позволяющие определить величину единичного спектра напряжения, среднее время релаксации, величину временной фрактальной размерности материала;
- доказано, что использование коэффициента редукции в качестве критерия направленного изменения вязкоупругих свойств волокнисто-пористого биокомпозита на механических операциях обработки позволяет определять смещение спектра релаксации в зависимости от параметров технологических воздействий;
- разработаны методологические принципы получения биокомпозита с заранее заданными вязкоупругими свойствами за счет задания оптимальных по коэффициенту редукции параметров проведения технологических операций;
- методом численного моделирования получено распределение напряжений и деформаций в волокнисто-пористом материале при объемном формовании, что позволило обосновать техническое решение управления технологическим процессом по спектрам акустической эмиссии.
Практическая ценность и реализация. Разработанные на единой методологической основе методики и технические средства неразрушающего контроля и прогнозирования физико-механических свойств позволяют:
- прогнозировать прочностные показатели кожевенного и мехового материала, к которым относятся предельные напряжения и деформации при треске лицевого слоя и разрыве кожевой ткани, коэффициент сцепления лицевого с основным слоем, в зависимости от направления и скорости деформирования при минимальном количестве опытов, что позволяет уменьшить трудоемкость исследований, решить ряд задач по рациональному использованию сырья и ресурсосбережению;
- прогнозировать прочность кожевой ткани кожи и меха методами контрольного эталона и определения прочности по начальной скорости нарастания импульсов акустической эмиссии;
- получать кожевую ткань с заранее заданными свойствами за счет оптимального по коэффициенту редукции проведения технологических операций и рекомендаций по модернизации оборудования;
- оценивать напряженно-деформированное состояние изделия и управлять технологическим процессом по спектрам акустической эмиссии в процессе технологических операций.
Отдельные методики, локальные информационные подсистемы и функциональные устройства для обеспечения определения и прогнозирования свойств кожевенных материалов апробированы и внедрены в ЗАО «Сибирская кожгалантерея», ЗАО СОК «Вестфалика», ЗАО КОРС, на ООО МК «ЛИС», ООО НПЦ «ЛОГОС».
Материалы исследований и разработок широко используются в учебном процессе при чтении лекций, курсовом и дипломном проектировании в Новосибирском технологическом институте МГУДТ и на кафедре материаловедения МГУДТ.
Для теории имеет существенное значение: развитие теоретических аспектов исследования деформационных свойств волокнисто-пористых биокомпозитов, методики определения предельных напряжений и деформаций неразрушающим методом по показателям акустической эмиссии, применение нейеросетевых моделей для прогнозирования прочностных свойств, структурная и феноменологическая модели деформации материалов, новые методы и средства оценки деформационных свойств, установленные закономерности изменения структуры и свойств материалов как при производстве биокомпозитного материала, так и изделий из него.
Автор защищает:
- методологические принципы исследования физико-механических свойств волокнисто-пористых биокомпозитов;
- результаты экспериментальных, теоретических исследований, технические решения устройств и алгоритмы реализации методологических принципов неразрушающего контроля и прогнозирования деформационных и прочностных свойств кожевой ткани;
- метод и алгоритмы оптимизации физико-механических свойств кожевой ткани на механических операциях обработки кожевенного и мехового полуфабриката;
- метод, алгоритмы моделирования и технические решения для управления технологическим процессом формования изделий из волокнисто-пористых биокомпозитов.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на:
- втором международном Сибирском конгрессе по прикладной и индустриальной математике (ИНПРИМ-96, Новосибирск); втором и третьем Корейско-Российском международном научно-техническом симпозиуме (КОРУС-97 Ульсан, Ю. Корея, 1997 г., KORUS-99 Новосибирск, 1999 г.); 6th International Symposium on science and technology Novosibirsk State Technical University 24-30 June 2002; международных научно-технических конференциях «Актуальные проблемы науки, техники и экономики легкой промышленности» (Москва, 2000), «Динамика систем, механизмов и машин» (Омск, 2009); международных научно-практических конференциях «Новое в дизайне, моделировании, конструировании и технологии изделий из кожи» (Шахты, 2003), «Научно-образовательный потенциал нации и конкурентоспособность страны» (республика Казахстан, Тараз, 2008, 2010); международных научных конференциях «Актуальные проблемы науки, техники и экономики производства изделий из кожи» (Витебск, 2004), «Экологические и ресурсосберегающие технологии промышленного производства» (Витебск, 2006), «Новое в технике и технологии текстильной и легкой промышленности» (Витебск, 2009); всероссийских научно-практических конференциях "Образование в условиях реформ: опыт, проблемы, научные исследования" (Юрга Кем. обл., 1999 г.), «Новые технологии в научных исследованиях и образовании» (Кемерово, 2001), «Новые материалы и технологии» («МАТИ», Российский государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского, 2008), «Актуальные проблемы проектирования и технологии изготовления текстильных материалов специального назначения» (ТЕХТЕКСТИЛЬ-2007, ТЕХТЕКСТИЛЬ-2009, Димитровград); на региональных научно-практических конференциях «Образование в условиях реформ: опыт, проблемы, научные исследования» (Кемерово, 1997 г.); на семинарах лаборатории статической прочности (1985 г.) и динамической прочности (1986 г.) Института гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН, семинаре «Трудосберегающие технологии и техническое перевооружение в легкой промышленности» МДНТП (Москва, 1985 г.).
Личный вклад автора состоит в обобщении известных результатов, постановке задач и разработке методик экспериментальных исследований, разработке математических моделей и алгоритмов численного моделирования, обработке, анализе и формулировке выводов по полученным результатам. Экспериментальные исследования и конструкторские решения осуществлялось при непосредственном участии автора. Автору принадлежат основные идеи работ, опубликованных в соавторстве, использованных при написании настоящей диссертации.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы изложены в 65 научных публикациях, в том числе: 2 монографиях, 12 статьях в журналах входящих в список ВАК, авторском свидетельстве СССР, 3 свидетельствах об официальной регистрации программ для ЭВМ.
Объём и структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложения. Работа изложена на 273 страницах основного текста, в том числе содержит 103 рисунка и фотографии, библиографию 242 наименований.
