Введение к работе
Актуальность темы. Необходимость реализации инновационной стратегии развития России ставит перед швейной промышленностью задачи, решение которых требует разработки новых высокоэффективных малооперационных технологий и перехода на новый уровень производства текстильных изделий. Задача расширения области применения текстильных изделий находится в рамках одного из основных направлений инновационно-ориентированных целевых фундаментальных исследований государственной корпорации «Ростехнологии»: «Фундаментальные исследования по созданию новых материалов с градиентными и уникальными физико-механическими свойствами».
Применение швейных изделий, как оболочек, в настоящее время выходит за рамки легкой промышленности. А требования активно развивающегося рынка спецодежды и композиционных материалов на тканой основе определяют не только особенности конструкции изделия и технологии его изготовления, но и необходимость обеспечения ряда специфических свойств, таких как строгое соответствие заданной внешней форме, отсутствие швов, двусторонность, устойчивость к деформационным разнонаправленным нагрузкам, изотропность или, наоборот, градиентность свойств и других. Реализация таких требований может быть осуществлена благодаря использованию особых переплетений нитей и созданию оболочек с минимальным числом швов. Однако существующие технологии изготовления цельнотканых оболочек не могут обеспечить ни малошовности объемных оболочек сложных форм, ни заданной анизотропии или изотропности свойств, что определяет актуальность разработки принципиально новой технологии изготовления малошовных оболочек сложных форм с заданными уникальными свойствами.
Эксплуатация специальной одежды и изделий из технических текстильных материалов может осуществляться в особо сложных условиях, что формирует потребность в новых малошовных и бесшовных оболочках, характеризующихся следующими факторами: увеличивающейся сложностью их промышленного изготовления, значительной ответственностью выполняемых функций, повышенными требованиями к качеству изделия и его свойствам. В связи с этим в основе теоретических аспектов разработки методологии изготовления принципиально новых малошовных оболочек сложных форм должна лежать система надежности, а сложное текстильное изделие следует рассматривать как техническое устройство с учетом комплексного и системного подхода к его проектированию.
Одним из распространенных на сегодняшний день способов получения малошовных оболочек является производство нетканых изделий, имеющих широкий спектр применения, как в одежде, так и в технических изделиях, однако они обладают одним существенным недостатком: необходимо изготовление форм внешнего вида для каждого отдельного образца. Помимо этого, из-за отсутствия сетчатой структуры, не достигается присущая ткани формоустойчивость, что ограничивает ассортимент изделий.
Методы изготовления цельновязанных изделий позволяют получить трикотаж, который обладает анизотропией свойств, а также плохо сопротивляется деформационному воздействию и накапливает остаточную часть деформации, что ведет к потере изначально заданной формы и ухудшению внешнего вида изделия.
Повысить надежность текстильной оболочки, а именно устойчивость к различным видам деформационных воздействий, можно при условии проектирования и изготовления оболочки с максимально устойчивой структурой, каковой является тканая. Таким образом, для удовлетворения требований, предъявляемых к объемным малошовным изделиям как бытового, так и технического назначения, целесообразно использовать тканые оболочки. Однако существующие методы проектирования тканых оболочек не получили широкого применения из-за таких недостатков, как неравномерность структуры и невозможность резкого изменения кривизны поверхности создаваемой объемной оболочки.
Использование ткацких переплетений, состоящих из двух систем нитей, в малошовных оболочках характеризуется тем, что четырехугольная элементарная ячейка ткани является достаточно подвижной, легко деформируемой под внешним воздействием. Для уменьшения изменения сетевых углов целесообразно ввести третью систему нитей, тем самым, получая элементарные ячейки треугольной формы, являющиеся более устойчивыми, что подтверждено как теоретическими, так и экспериментально, благодаря сравнительным испытаниям тканей с двух- и трехниточными переплетениями. Введение четвертой и последующих дополнительных систем нитей в структуру ткани позволит снизить анизотропию свойств и повысить устойчивость к деформационным воздействиям. Поэтому при разработке новых методов проектирования и изготовления малошовных тканых изделий эффективно использовать модифицированные виды переплетений, обладающие минимальной анизотропией свойств. При этом введение модифицированных видов переплетений требует детального исследования их свойств, как в плоских тканях, так и в объемных оболочках.
Объемные малошовные оболочки являются трехмерными объектами, поэтому для их проектирования не подходят традиционные методики конструирования, основанные на аппроксимированном построении разверток поверхностей. Разработка метода проектирования, все этапы которого осуществляются в трехмерном пространстве, позволит создать малошовную объемную оболочку строго заданной внешней формы, а также в перспективе автоматизировать процесс проектирования и изготовления тканых изделий сложных форм.
Проведенные исследования выявили проблему создания малошовных оболочек сложных пространственных форм, обладающих заданной анизотропией или изотропностью свойств, строгим соответствием проектируемой форме и равномерностью структуры с целью обеспечения высокой эксплуатационной надежности изделий. Данная проблема требует радикальных инновационных решений, базирующихся на глубокой проработке теоретических аспектов проектирования и изготовления малошовных оболочек, обладающих особыми свойствами, которые являются новыми как для швейной отрасли, так и для областей, где в перспективе будет широко востребован текстиль, таких как авиационная, космическая и электронная промышленности.
Перспективность исследований в направлении разработки новых методов проектирования и изготовления малошовных оболочек показали разработки Московского государственного университета дизайна и технологии (МГУДТ), научных текстильных центров США, Германии, Великобритании.
Тема диссертации утверждена Ученым Советом МГУДТ. Работа выполнялась в рамках реализации важнейших проектов государственного значения по приоритетным направлениям в области технологии глубокой переработки отечественного сырья и материалов в легкой промышленности, технологий авиа-космической отрасли, создания новых материалов с градиентными и уникальными физико-механическими свойствами.
Работа выполнялась по тематическому плану НИР МГУДТ, 2006-2008 гг. комплексная тема: «Разработка методов проектирования бесшовных объемных оболочек», в рамках госбюджетных тем НИР 64.01.07; 64.33.14; 1.1.06: «Разработка теоретических основ проектирования тканых бесшовных оболочек объемных тел повышенной формоустойчивости и износостойкости с использованием принципов неевклидовой геометрии» и «Тео-
рия неевклидовой геометрии при расчете тканых бесшовных оболочек объемных тел повышенной формоустойчивости и износостойкости», «Теория триангуляционного расчета оболочек сложных трехмерных тел при расчете тканых бесшовных оболочек с буфинированной поверхностью».
Целью работы является разработка теоретических основ проектирования объемных малошовных оболочек с триаксиальной и мультиаксиаль- ной структурой, обладающих заданной эксплуатационной надежностью, устойчивостью к деформации, строгим соответствием форме одеваемой поверхности.
Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
анализ современного состояния процессов проектирования и изготовления малошовных текстильных изделий;
анализ видов переплетений, используемых при производстве тканых оболочек с минимальным числом швов;
разработка методологии проектирования объемных малошовных три- и мультиаксиальных оболочек с заданными свойствами;
разработка методики проектирования структуры цельнотканых оболочек на основе системы показателей надежности;
выявление особенностей проектирования и изготовления плетеных оболочек с триаксиальной и квадроаксиальной структурой из кожаных и текстильных лент;
разработка методики проектирования три- и мультиаксиальных оболочек из лент с декоративными эффектами;
разработка теоретических основ моделирования малошовных тканых оболочек на основе триангуляции Делоне;
разработка концепции плетельного станка для производства объемных оболочек с три- и квадроаксиальной структурами ;
разработка методики проектирования и способа изготовления триак- сиальных цельнотканых оболочек с усилительными элементами;
исследование свойств объемных цельнотканых оболочек с усилительными элементами;
разработка метода проектирования объемных цельнотканых оболочек с комбинацией двуаксильного и триаксиального переплетений;
промышленная апробация разработанных методов проектирования и изготовления малошовных тканых оболочек.
Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в том, что:
развито новое перспективное научное направление по разработке методов проектирования и способов изготовления малошовных три - и муль- тиаксиальных оболочек в строгом соответствии с заданной пространственной формой и параметрами структуры для обеспечения планируемых эксплуатационных свойств и на этапе проектирования;
предложена классификация объемных текстильных оболочек, учитывающая современные направления совершенствования малошовных и бесшовных технологий и определяющая перспективные области их применения;
разработана концепция проектирования цельнотканых оболочек, представляющая собой поэтапное формирование сложной технической системы и позволяющая проектировать изделия с заданной эксплуатационной надежностью;
составлена методика проектирования цельнотканых оболочек в трехмерном пространстве без перехода к двухмерным разверткам, что обеспечивает высокую точность расчетов;
разработаны методы проектирования:
o три- и мультиаксиальных оболочек, универсальные для создания малошовных изделий любой пространственной формы и любого назначения;
o оболочек с визуальными эффектами для производства текстильных
изделий с новыми декоративными решениями; o цельнотканых триаксиальных оболочек с усилительными элементами для изделий с высокой формоустойчивостью; o оболочек сложных пространственных форм, состоящих из комбинации двуаксиального и триаксиального переплетений, для производства малошовных изделий с градиентными свойствами;
на основе триангуляции Делоне разработаны методы проектирования траектории расположения нитей в тканой структуре для системы автоматизированного проектирования триаксиальных оболочек;
разработаны принципиально новые способы проектирования и изготовления малошовных оболочек, научная новизна которых подтверждена тремя патентами РФ: (№2384749, № 2346092, № 2358049);
создана концепция оборудования для производства триаксиальных и квадроаксиальных малошовных оболочек, включающая четыре способа модификации стандартного плетельного оборудования.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждена корректностью теорети-
ческих предпосылок постановки задач и современными методами их решения, использованием известных положений фундаментальных наук, сходимостью полученных теоретических результатов с данными эксперимента и результатами промышленной апробации созданных малошовных оболочек с три- и мультиаксиальной структурами.
Основные методы исследования. Методологическую основу проведенных теоретических и экспериментальных исследований составили как классические, так и новые научные представления о проектировании малошовных текстильных изделий. В работе использованы методы теоретического анализа, классификации, математического моделирования, трехмерного описания пространственных моделей, методы аппроксимации и интерполяции, основные положения теории алгоритмизации и программирования, принципы неевклидовой геометрии, современные методы и технические средства исследования свойств текстильных материалов.
Использование системного и комплексного подхода при разработке новых методов проектирования позволило создать теоретические основы проектирования, применимые к широкому спектру малошовных оболочек различного назначения и свойств. В работе использовались программы Microsoft World, Microsoft Excel, AutoCAD, Adobe Photoshop, ParaSolid, Coral Draw для операционной системы Windows XP.
Объекты исследования. Объектами исследования в работе являлись: малошовные оболочки с три- и мультиаксиальными ткаными структурами, методы их проектирования и изготовления, в том числе методы триангуляционного проектирования малошовных мягких оболочек и плетельное оборудование для производства изделий с три- и квадроаксиаль- ным переплетениями.
Практическая значимость результатов работы:
предложены новые виды трехниточных переплетений и способы изготовления тканых оболочек с зональной модификацией переплетения, что позволяет создавать широкий ассортимент малошовных изделий бытового и технического назначения;
разработан способ проектирования и изготовления малошовных тканых триаксиальных оболочек заданной пространственной формы;
составлены алгоритмы триангуляционного проектирования оболочек с триаксиальной структурой:
o для расчета малошовных оболочек с горизонтальным расположением уточных нитей;
o для расчета бесшовных оболочек со спиралевидным расположением уточной нити;
o для расчета структуры оболочек поверхностей сложных форм.
предложены два принципиально новых алгоритма перемещения ните- держателей станка Herzog 3-D-Flechtmaschine CAB 9-32-220 для изготовления оболочек с триаксиальной и квадроаксиальной структурой без внесения изменений в конструкцию оборудования;
разработаны методы введения усилительных систем нитей в триакси- альную объемную оболочку для обеспечения заданных свойств в одежде специального назначения и повышения ее эксплуатационной надежности;
предложен способ закрепления третьей системой нитей формы объемной цельнокроеной оболочки, полученной за счет изменения сетевых углов элементарных ячеек ткани;
разработан принципиально новый способ проектирования силовой оболочки скафандров космонавтов и других малошовных объемных оболочек специального назначения с заданной эксплуатационной надежностью.
Апробация и реализация результатов работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на следующих собраниях научной общественности:
трех научно-практических межвузовских конференциях "Молодые ученые - ХХІ веку";
научной конференции стипендиатов программы «Михаил Ломоносов» 2006/07г. DAAD (Бонн, ФРГ);
научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых II и III Московских фестивалей науки, МГУ;
П Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы современных наук - 2011» (Польша);
П Международной научно-практической конференции «Научный прогресс на рубеже тысячелетий - 2011» (Чехия);
І Международной научно-практической конференции «Workshop Design-Innovation-Development» (Румыния);
П Международной научно-практической конференции «Актуальные достижения европейской науки - 2011» (Болгария);
I Международной Корейско-Российской конференции «Grand fashion";
научно-практических семинарах в ОАО «НПП «Звезда» и ОАО «НИАТ».
Исследования свойств разработанных цельнотканых объемных деталей силовой оболочки скафандра космонавта показали перспективность разработанного метода проектирования и изготовления малошовных оболочек и его внедрения в производство скафандра космонавта. На основе разработанной методики проектирования цельнотканых оболочек с усилительными элементами проводится разработка технологии изготовления цельнотканой силовой оболочки перчатки для скафандра космонавта в рамках договора о сотрудничестве МГУДТ с ОАО «НПП «Звезда» по программе Федерального Космического Агентства по разработке усовершенствованного скафандра для внекарабельной деятельности. Разработанный метод проектирования малошовных оболочек с комбинацией дву- и триак- сиальных переплетений использован при разработке узлов для экспериментальных образцов скафандра космических туристов по заказу Американо-Российской компании «Final Frontier Design»; в настоящий момент ведутся работы по внедрению результатов в массовое производство скафандров для космических туристов и подана заявка на грантовую поддержку в Национальное агентство по аэронавтике и исследованию космического пространства NASA.
Апробация разработанных методов проектирования и способов изготовления малошовных оболочек с заданными визуальными эффектами осуществлена на предприятиях швейной и обувной промышленности, получены рекомендации для внедрения в производство одежды и обуви специального назначения, в частности медицинского.
Апробация разработанного метода проектирования и изготовления малошовных оболочек осуществлена на предприятии авиационной отрасли при разработке композиционных материалов нового поколения, где получены положительные отзывы. Проводятся работы по организации серийного производства авиационных композитных деталей на основе разработанных малошовных технологий.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы изложены в 45 работах, из них 16 в научных изданиях, включенных в список, утвержденный Высшей Аттестационной Комиссией.
Личный вклад автора состоит в выявлении и формировании основного содержания исследований, определившего развитие нового перспективного научного направления по разработке методов проектирования и способов изготовления малошовных оболочек с три- и мультиаксиальными структурами, имеющих широкую область применения для текстильных изделий бытового и технического назначения, разработке путей реализации этого направления, постановке и разработке основных проблем теоретических и экспериментальных исследований по данному направлению. При непосредственном участии автора разработаны методы проектирования и изготовления малошовных три- и мультиаксиальных оболочек, выполнены эксперименты и разработаны рекомендации по использованию разработанных технологий. Автору принадлежит теоретическое обобщение результатов работ, опубликованных в соавторстве и использованных при написании данной диссертационной работы.
Автор защищает научно обоснованные технические и технологически решения в области проектирования и изготовления малошовных оболочек с три- и мультиаксиальными структурами, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие швейной промышленности и экономики страны.
Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованных источников из 136 наименования и приложения. Работа изложена на 303 страницах машинописного текста, содержит 106 рисунков, 7 таблиц. Приложения представлены на 56 страницах.
