автореферат диссертации по технологии материалов и изделия текстильной и легкой промышленности, 05.19.01, диссертация на тему:Моделирование структуры и деформационных свойств волокнистых холстов

0050199ОЭ

На правах рукописи

Киселев Андрей Михайлович

МОДЕЛИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И ДЕФОРМАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ВОЛОКНИСТЫХ холстов

Специальность

05.19.01 - Материаловедение производств текстильной и легкой промышленности

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

"I 2 ДПР

Кострома 2012

005019935

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Костромской государственный технологический университет» (ФГБОУ ВПО «КГТУ»)

Научный руководитель Соркин Аркадий Павлович

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Смирнова Надежда Анатольевна

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Костромской государственный технологический университет», профессор кафедры технологии и материаловедения швейного производства

Тюменев Юрий Якубович

кандидат технических наук, доцент ФГБОУ ВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса», декан факультета технологии и дизайна

Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Московский государствен-

ный текстильный университет им. А. Н. Косыгина».

Защита состоится « 27 » апреля 2012 г. в 13.00 часов на заседании диссертационного совета Д212.093.01 при ФГБОУ ВПО «Костромской государственный технологический университет» по адресу: 156005 г. Кострома, ул. Дзержинского, 17, аудитория 214. ^

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Костромского государственного технологического университета (ФГБОУ ВПО «КГТУ»).

Автореферат разослан « 26 » марта 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, . ~ • ? /

доктор технических наук, профессор ! /^¡./уьУ Букалов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Легкая промышленность играет значительную роль в экономике многих стран. В США доля легкой промышленности в ВВП составляет 4%, в Германии - 6%, Италии - 12%, Китае - 21%, Португалии - 22%. В России доля легкой и текстильной промышленности во внутреннем валовом продукте за последние 14 лет снизилась в 30 раз - с 12% до 0,4%. Для исправления сложившейся ситуации в легкой и текстильной промышленности России Правительство РФ за последнее время приняло ряд важных документов и реализует комплекс мер.

Разработана Стратегия развития легкой промышленности России до 2015 года в соответствии с поручением Президента Российской федерации от 03.07.08 № Пр-1369 и поручением Правительства РФ от 15.07.08 № ВП-П9-4244. В поддержку инвесторов, работающих в отрасли, Минпромторг России осуществляет научные разработки. Из федерального бюджета на исследования и разработки в легкой промышленности в последние годы выделено: в 2008г.- 16,5 млн. руб., в 2009г. - 73,7 млн. руб., в 2010г. - 226,0 млн. рублей.

Впервые приказом Минпромторга России (27.04.2010г. № 330) утвержден к реализации важнейший инновационный проект государственного значения - «Разработка и освоение производства инновационных многофункциональных текстильных материалов двойного назначения» на 20102012 годы, предусматривающий финансирование из федерального бюджета в объеме 640 млн. руб. Целью проекта является создание промышленных технологий производства новых видов многофункциональных текстильных материалов двойного назначения из натуральных и химических волокон с заданными свойствами с использованием нанокомпозиционных препаратов.

Предстоящее в ближайший период вступление нашей страны во Всемирную торговую организацию (ВТО) предъявляет дополнительные требования к уровню свойств и качеству исходных и готовых текстильных материалов и изделий, а также методам их оценки.

Переход к рыночной экономике вызвал совершенно новый подход к выбору материалов. Если в системе плановой экономики была принята последовательность «от имеющихся материалов» то в условиях рынка сложилась прямо противоположная последовательность «от требований рынка». Таким образом, в настоящее время в области текстильного материаловедения возникла новая важная задача - прогнозировать свойства текстильных материалов по требованиям изготовителей изделий. Эта задача уже в определенной степени решается на основе накопленного эмпирического опыта. Однако эмпирический подход, к сожалению, недостаточен. Необходимо, чтобы были созданы в полной мере научно-технические методы решения

поставленной задачи, базирующиеся на современном материаловедении, смежных с ним научно-технических областях, а также применении достижений современных компьютерных технологий. В связи с этим в последнее время отмечено появление нового направления в науке - "Компьютерного материаловедения".

В прогнозировании свойств текстильных материалов, их изменений под влиянием внешних эксплуатационных воздействий, и решении задач создания материалов с заданным комплексом свойств, важное значение имеют установление физических и физико-химических закономерностей, управляющих явлениями и процессами, происходящими в волокнах и текстильных материалах на их основе.

Все рассмотренные выше современные технологии и подходы, включая математическое моделирование, ставят перед исследователем и производителем задачу уменьшения степени неопределенности при принятии окончательного решения на самых ранних стадиях реализации проекта. Совершенно очевидно, что затраты производителя на исправление ошибок проектирования на завершающих этапах реализации любого проекта существенно больше, чем те же затраты на ранних стадиях. В связи с этим решение задач прогнозирования свойств нового текстильного продукта представляется весьма актуальным.

Настоящая работа направлена на построение систем прогнозирования деформационных свойств волокнистых текстильных холстов, основанных на их реальном строении на уровне одиночных волокон, что позволит существенно повысить достоверность прогноза.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка методики прогнозирования механических свойств текстильных волокнистых холстов на основе компьютерного моделирования их структуры, составляющих волокон и контактных взаимодействий между ними.

Для достижения цели поставлены следующие задачи исследования:

- Провести анализ современного состояния методов компьютерного моделирования структуры, свойств и прогнозирования механических свойств текстильных холстов.

- Проанализировать возможность применения метода конечных элементов для решения задач механики разрушения текстильных волокнистых материалов.

- Разработать методику построения объемных геометрических моделей текстильных волокнистых холстов с учетом анатомических признаков одиночных волокон.

- Разработать методику определения деформационных характеристик натуральных и химических волокнистых холстов.

- Разработать модель контактного взаимодействия одиночных волокон друг с другом.

- Построить объемную конечно-элементную модель нетканого материала типа "холлофайбер" и определить его деформационные характеристики при растяжении.

- Построить объемную конечно-элементную модель льняного волокна и определить его деформационные характеристики при сжатии.

Методы исследования

Для решения поставленных задач использовались различные методы математического моделирования и компьютерной обработки объектов моделирования. В частности, при математическом моделировании деформационных свойств нетканых материалов и льняного волокна использовались численный метод конечных элементов в форме метода сил для сплошных сред в объемной постановке. Для решения задач предельного анализа использовался метод последовательных нагружений с применением критериев разрушения. Для решения геометрически нелинейных задач использован метод Нъютона-Рафсона. Для моделирования контактных явлений использован метод Лагранжа. При выполнении экспериментальной части использовались натурные эксперименты на стандартном лабораторном оборудовании и установке собственной конструкции. При статистической обработке результатов экспериментов, в том числе вычислительных, применялись корреляционный, дисперсионный анализы и другие статистические методы. Использованные методы исследования реализовались с применением ПЭВМ в ППП ANS YS 14.0, SolidWorks, Statistica 6.0, Delphi 7.0, MSExcel и оригинального программного обеспечения.

Научная новизна работы:

1. Разработана методика построения объемных вероятностных геометрических моделей текстильных волокнистых холстов с учетом анатомических признаков одиночных волокон, позволяющая повысить точность прогноза их деформационных характеристик при проектировании новых изделий.

2. Разработана объемная динамическая, вероятностная ^ конечно-элементная модель разрушения нетканого материала типа "холлофайбер" с учетом его реального строения, позволяющая прогнозировать его разрывную нагрузку при растяжении в зависимости от факторов его строения и физико-механических свойств.

3. Разработана объемная динамическая, вероятностная конечно-элементная модель льняного чесаного и трепаного волокна при сжатии, позволяющая прогнозировать деформационные свойства материала в зависимости от факторов его строения и деформационных свойств отдельных волокон.

4. На основе математических моделей разработана методика определения диаграмм деформирования льняного чесаного и трепаного волокна при сжатии.

5. Разработана модель контактного взаимодействия одиночных волокон в волокнистой массе, позволяющая существенно повысить точность прогноза деформационных характеристик текстильных материалов.

6. Определено численное значение модуля упругости льняного чесаного и трепаного волокна при сжатии.

Практическая ценность и реализация результатов работы

В работе сформулирована новая методика построения геометрической вероятностной структуры волокнистых материалов на уровне одиночного волокна, базирующаяся на возможностях современной компьютерной техники. Разработанные математические модели позволяют прогнозировать важнейшие деформационные показатели волокнистого материала, такие как прочность при растяжении и диаграмма деформирования, зависимость величины деформации от прикладываемой нагрузки при сжатии.

Разработанные методы реализованы в виде программных комплексов, реализуемых на доступной вычислительной технике и не требующих высокой квалификации персонала предприятий.

Использование математических моделей позволяет связать деформационные свойства волокнистых материалов с его геометрической структурой и ее физико-механическими характеристиками. Решение данной задачи позволяет уменьшить сроки проектирования новых волокнистых материалов или решать задачу оптимизации структуры и свойств материалов в зависимости от их эксплуатационных требований. Применение разработанного программного обеспечения позволяет резко уменьшить сроки разработки модели волокнистого материала и избежать ошибок проектирования на его ранних стадиях, что позволит избежать экономических затрат на завершающих этапах проектирования, которые всегда больше, чем на ранних этапах. Разработанные методики и программные комплексы внедрены на ряде предприятий: ОАО НПО "Костромской лен", ОАО «Научно-исследовательский институт нетканых материалов».

Разработанная модель является основой для построения сложных моделей технологических процессов получения текстильных материалов с волокнистой структурой.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на межвузовской научно-технической конференции молодых ученых и студентов «Студенты и молодые ученые КГТУ - производству» (Кострома, КГТУ, 2005 - 2006 гг); на международной научно-технической конференции «Современные наукоемкие инновационные

технологии развития промышленности региона (Лен-2008)» (Кострома, КГТУ, 2008); на VI Международной научно-методической конференции «Проблемы формирования профессиональных качеств современного специалиста в условиях модернизации высшего образования» (Кострома, КГТУ, 2009); на II Международной научно-практической конференции «Инновационные и наукоемкие технологии в легкой промышленности» (Москва, МГУДТ, 2010); на 3 (XV) международной научно-практической конференции «Материаловедение - 2010» (Москва, РГУТиС, 2010); на Международной научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности (ТЕКСТИЛЬ-2011)» (Москва, ФГБОУ ВПО «МГТУ им. А.Н.Косыгина», 2011);

на расширенном заседании кафедры «Текстильное материаловедение» Московского государственного текстильного университета им. А.Н. Косыгина (Москва, 2010, 2011 гг.);

на расширенном заседании кафедры ТМШП КГТУ (Кострома, 2011).

Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 14 печатных работ, из которых 4 входят в «Перечень...» ВАК.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка использованных источников и приложений. Работа содержит 141 страницу, в том числе 12 таблиц, 37 рисунков и приложений на 40 стр.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, изложены цели и задачи исследования, отмечены научная новизна и практическая значимость.

В первой главе

Проанализированы современные тенденции развития производства текстильных материалов. Приведен ряд правительственных документов для улучшения состояния текстильной отрасли в РФ. По данным зарубежной инжиниринговой фирмы ЕРС Engineering Consulting GmbH выявлена тенденция существенного увеличения объемов нетканых материалов из полиэфирного волокна к 2020 году. По результатам обзора работ Перепелкина К.Е, Щербакова В.П., Севостьянова А. Г., Севостьянова П. А., Николаева С.Д., Шустова Ю.С., Ломова С.В. и других исследователей определено, что важнейшей задачей современного текстильного материаловедения является прогнозирование и оптимизация свойств текстильных материалов и происходящих в них изменений под влиянием воздействия внешних факторов. Решение многовариантной задачи выбора волокнистого состава и структуры материала по заданным показателям комплекса его свойств представляет

сложную задачу. Проанализирована возможность применения нового направления в науке QSPR (quantitative structure-property relationship) для задач текстильного материаловедения. Выполнен анализ строения нетканых материалов и различных технологий их изготовления. Дано подробное описание анатомического строения натуральных волокон на примере хлопкового и льняного волокна.

Проанализированы математические модели, реализованные в текстильном материаловедении и имеющееся на сегодняшний день программное обеспечение для реализации поставленной задачи. Сделан вывод о перспективности применения метода конечных элементов для решения задач прогнозирования свойств текстильных волокнистых материалов. Выполнен обзор математических моделей в текстильном материаловедении, ориентированных на прогнозирование различных эксплуатационных свойств материалов. Показано, что при широком использовании математического моделирования для решения задач прогнозирования свойств текстильных материалов, математические модели волокнистых материалов, построенные на уровне одиночного волокна весьма ограничены. Приведена конечно-элементная геометрическая модель нетканого материала, наиболее близкая к содержанию диссертации. Выполнен критический анализ модели и намечены пути ее совершенствования.

Во второй главе

Описывается методика определения деформационных свойств волокнистого текстильного материала. На основе характеристики объекта моделирования - волокнистого текстильного материала и его свойств сформулирована общая постановка задачи определения деформационных свойств волокнистого текстильного материала.

В основу математической модели определения деформационных характеристик волокнистых материалов положен метод конечных элементов. Приведено описание уравнений метода конечных элементов в объемной постановке для динамических задач с учетом вероятностных геометрических и физико-механических свойств одиночных волокон.

Для описания уравнений движения твёрдых тел использован принцип Гамильтона:

где Ь - функция Лагранжа X - кинетическая энергия. Л - диссипативная функция

О- узловые перемещения узлов конечно-элементной сетки 0~ узловые скорости узлов конечно-элементной сетки

О)

функция Лагранжа определяется выражением:

L = Т 'ТСр (2)

где ТСр - потенциальная энергия

Т - кинетическая энергия твёрдого тела

В окончательном виде решение задачи определения деформационных характеристик волокнистых материалов сводится к решению уравнения:

\мШ)АкШ)--т

~ ' Е w (3)

где \М] - матрица масс тела |м\ = X \М \

г=\

[ К ] " матрица жёсткости тела ^ К ] = 2 [ К ]

Р - вектор узловых сил [ Р ] = £ [Р

е=1

- вектор узловых ускорений в глобальной системе.

Для описания геометрии и физико-механических свойств одиночного волокна выбран объемный восьми узловой конечный элемент.

Выполненный анализ литературных источников показал существенное влияние контактного взаимодействия одиночных волокон друг с другом в волокнистой массе на деформационные характеристики материала. Для решения контактной задачи взаимодействия одиночных волокон в материале описана технология решения контактных задач на основе метода Лагранжа.

Построена и рассчитана з-х элементная модель одиночных волокон с учетом их контактного взаимодействия.

Результаты расчетов и их сравнение с экспериментальными данными, полученными Балясовым П.Д. приведены на рис.1, 2.

б)

Рис.1. Изолинии напряжений при сжатии 3-х волокон а) экспериментальные и б) расчетные

кгс/мм

-Тху

0,25 /.ь ОТЬ»—. і

-Оу

¿-х/1

а; б;

Рис.2. Экспериментальные а) и расчетные б) напряжения в выбранных сечениях 3-х волокон при сжатии

Существенное внимание уделено построению математической геометрической модели волокнистого материала на уровне одиночного волокна. Для решения данной задачи выбран фрактальный подход. С использованием фрактального подхода разработан алгоритм и оригинальное программное обеспечение построения вероятностной 3-0 структуры волокнистого материала со случайным расположением одиночных волокон. Разработан эффективный инструментарий управления параметрами структуры волокнистого материала по единому алгоритму. Примеры моделирования приведены на рис.3.

Примеры моделирования волокнистого материала

ЩИ

Волокнистый материал с плотностью 7%

Волокнистый материал с плотностью 80%

Волокнистый материал с плотностью 9%

Волокнистый материал с плотностью !%

Волокнистый материал с длинными волокнами

Волокнистый материал с регулярной структурой

Рис.3. Результаты моделирования геометрической структуры волокнистых материалов с различной плотностью заполнения и формой

Указано, что разработанный алгоритм имеет некоторые недостатки с точки зрения материаловедения, заключающийся в ступенчатом (дискретном) изменении размеров поперечного сечения волокон при его конечно-элементной аппроксимации в пределах длины стороны конечного элемента и погрешности описания поперечного сечения любого волокна в виде квадрата. Несмотря на указанные недостатки, данная модель материала может быть рекомендована для определения деформационных характеристик волокнистых материалов поскольку требует относительно невысоких затрат на решение задачи.

Для устранения указанных недостатков разработан усовершенствованный алгоритм построения геометрической модели волокнистого материала. Графическое изображение одиночных волокон различных материалов, полученное с использованием модифицированного алгоритма, представлено на рис.4.

Рис. 4. Графическое изображение одиночных волокон различных материалов в геометрической модели волокнистых материалов

Разработанный алгоритм построения геометрической модели волокнистого материала позволяет с высокой степенью точности воспроизводить его структуру на основе геометрических характеристик одиночных волокон. На рис.5, представлен увеличенный фрагмент структуры волокнистого материала, полученной по усовершенствованному алгоритму.

Рис. 5. Пример формирования геометрической структуры волокнистого материала с поперечным сечением в форме круга

На основе разработанной вероятностной динамической конечно-элементной и геометрической модели разработана и описана методика определения деформационных свойств волокнистых нетканых и натуральных материалов с произвольной структурой материала на уровне одиночного волокна с произвольной формой поперечного сечения.

В третьей главе

Демонстрируется применение разработанных геометрических моделей и методик определения деформационных характеристик волокнистых материалов для нетканого материала "холлофайбер". В качестве исследуемых материалов выбраны Холлофайбер Софт Р 5190, Холлофайбер Медиум Р 173, Холлофайбер Хард Р 274, Холлофайбер Хард Б Р 205 с поверхностными плотностями 70 г/м , 300г/м2, 170 г/м2 и 230 г/м2 соответственно. Для данных материалов на основе экспериментальных данных показателей структуры материалов таких как: средняя фактическая длина волокна, средняя частота извитости, средняя степень извитости, объёмная плотность материала и толщина построены геометрические модели данных материалов.

Пример геометрической модели структуры материала и сопоставление с опытным образцом приведены на рис.б.

Рис.6. Структура нетканого материала «Холлофайбер Софт 70г/м2 Р 5190» 1- разработанная геометрическая модель структуры, 2 - фотография образца

Применение разработанной методики определения деформационных свойств волокнистых материалов позволило определить теоретическую величину разрывной нагрузки для исследуемых образцов. Для оценки адекватности разработанных моделей были выполнены испытания исследуемых образцов материалов при растяжении на машине РТ-250, согласно методике по ГОСТ Р 532262008. Максимальное отклонение средних расчетных и экспериментальных значений разрывной нагрузки для всех испытуемых образцов составило 20,3%. Приведены результаты статистической обработки экспериментальных и теоретических данных.

В четвертой главе

Демонстрируется применение разработанных геометрических моделей и методик определения деформационных характеристик волокнистых материалов для натуральных материалов - льняного чесаного и трепаного волокна. Разработана геометрическая вероятностная конечно-элементная модель исследуемых материалов. Один из вариантов геометрической модели льняного чесаного волокна приведен на рис.7.

Построенная геометрическая модель учитывает реальное строение льняного волокна, состоящее из совокупности отдельных комплексов с различным количеством элементарных волокон в нем. Из литературных данных известно значение модуля упругости элементарного льняного волокна при растяжении, но нет числовых данных о данной величине при сжатии.

Разработан теоретико-экспериментальный метод определения величины модуля упругости элементарного льняного волокна при сжатии.

Рис.7. Вариант геометрической вероятностной З-Б модели льняного чесаного волокон

Используя разработанную методику определения деформационных характеристик волокнистых материалов путем проведения вычислительного эксперимента построены теоретические диаграммы сжатия трепаного и чесаного льняного волокна.

Проверка адекватности разработанных моделей проверялась путем проведения собственных экспериментов и по данным других исследователей. Сравнение теоретических и экспериментальных диаграмм сжатия исследуемых материалов приведено на рис.8.

Диаграммы сжатия трёпаного льна (100 текс) Диаграммы сжатия чёсаного льна (62,5 текс)

1 - экспериментальная 3 - экспериментальная

2 - теоретическая 4 " теоретическая

Рис.8. Сравнение экспериментальных и теоретических диаграмм сжатия

льняного волокна

Учитывая разброс физико-механических свойств натуральных волокон, 1 достигающий величины около 1 порядка и более, полученные результаты прогнозирования деформационных свойств волокнистых материалов можно признать удовлетворительными. '

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Обзор существующих математических моделей прогнозирования строения и | деформационных свойств текстильных материалов показал, что, в подавляющем большинстве, строение текстильных материалов описывается на уровне нити, полотна или ткани как единого изделия, обладающего своими геометри- | ческими характеристиками.

2. Имеющиеся математические модели структуры волокнистых холстов на уров- | не одиночного волокна обладают недостатками и возможны пути их совершенствования. ^ Г

3. Разработана методика автоматизированного построения геометрической структуры волокнистого текстильного холста на уровне одиночных волокон, позволяющая учесть форму поперечного сечения ВОЛОКОН. |

4. Разработана динамическая конечно-элементная модель волокнистого холста, позволяющая определить его деформационные свойства с учетом контактно- ^ го взаимодействия волокон друг с другом. ;

5. На основе предложенных алгоритмов построения геометрической модели волокнистых холстов разработана вероятностная модель структуры нетканого I материала типа «Холлофайбер» и теоретически рассчитана величина его разрывной нагрузки.

6. Разработана теоретико-экспериментальная методика определения модуля упругости элементарного льняного волокна при сжатии. Определено его значе- |

ние для льняного волокна с линейной плотностью 100 и 62,5 текс.

7. Разработана вероятностная трёхмерная динамическая конечно-элементная модель сжатия льняного трепаного и чесаного волокна в массе и программное обеспечение для её построения в зависимости от различных геометрических и физико-механических факторов и на ее основе построены теоретические диаграммы сжатия данных материалов.

8. Доказана адекватность разработанных методик и моделей на примере натуральных и синтетических волокон путем проведения собственных экспериментов и сравнения полученных результатов с данными других исследователей.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

Статьи в журнале, рекомендованном ВАК для опубликования основных научных результатов диссертаций:

1. Киселев, A.M. Математическое моделирование контактных явлений в процессе вытягивания льняного волокна / М.В. Киселев, А.М.Киселев, А.П. Соркин // Изв. вузов. Технология текстильной промышленности. - 2007. -№6С. - С. 61-63.

2. Киселев, A.M. Исследование процесса дробления льняного комплекса методами математического моделирования / М.В.Киселев, A.A. Смирнов, А.М.Киселев // Изв. вузов. Технология текстильной промышленности. - 2009. -№4С (319).- С. 64 -66.

3. Киселев, A.M. Математическое моделирование процесса сжатия волокнистых материалов в массе / Изв. Вузов. Технология текстильной промышленности. - 2010. - №5 (326). С. 14-17.

4. Киселев, A.M. Прогнозирование разрывной нагрузки нетканых материалов на основе математического моделирования их геометрической структуры / А.М.Киселев, А.П.Соркин, М.В.Киселев // Изв. вузов. Технология текстильной промышленности. - 2011. — №5. С 14-17.

Статьи в других журналах

5. Киселев, A.M. Теоретическое и экспериментальное построение диаграммы деформирования при сжатии льняного волокна / А.М.Киселев // Вестник Костромского государственного технологического университета: рецензируемый периодический научный журнал / Костромской гос. технол.ун-т. - Кострома: КГТУ, 2010. - №1 (23). С 50.

Материалы конференций

6. Киселев, А.М. Алгоритм разбиения произвольной двумерной области на треугольные конечные элементы / A.M. Киселев // «Студенты и молодые ученые КГТУ - производству»: сб. матер. 57-й межвуз. науч.-технич. конф. молодых ученых и студентов / КГТУ. - Кострома, 2005. - С. 140.

7. Киселев, A.M. Определение величины модуля упругости межклеточного вещества льна / А.М.Киселев, М.В. Киселева // «Студенты и молодые ученые

КГТУ - производству»: сб. матер. 58-й межвуз. науч.-технич. конф. молодых ученых и студентов / КГТУ. - Кострома, 2006. - С. 100.

8. Киселев, A.M. Исследование влияния коэффициента трения на эпюру контактных напряжений в вытяжной паре» / А.М.Киселев, А.П.Соркин // Тез. докл. 10 юбилейной международной науч.-практич. конф. Высокоэффективные разработки и инновационные проекты в льняном комплексе России / Вологда. - 2007,-С. 168.

9. Киселев. A.M. Определение зависимости максимальных контактных напряжений от геометрических и физико-механических свойств льняного комплекса в вытяжном приборе / А.М.Киселев, А.П.Соркин // Современные наукоемкие инновационные технологии развития промышленности региона (Лен-2008): Сборник трудов международной научн.-технич. конф. (9 октября 2008). -Кострома: КГТУ, 2008. - С. 48.

10. Киселев, A.M. Актуальность изучения сжатия текстильных волокон в массе / Тез. докл. VI Международн. науч.- метод, конф. Проблемы формирования профессиональных качеств современного специалиста в условиях модернизации высшего образования (23 октября 2009 год). - Кострома: КГТУ, 2009. - С. 96.

11. Киселев, A.M. Математическое моделирование контактного взаимодействия элементарных волокон при сжатии / Соркин А.П., Киселев A.M. // Тез. докл. II Международн. научн.-практич. конф. «Инновационные и наукоемкие технологии в легкой промышленности». - Москва, МГУДТ. - 2010,- С.25.

12. Киселев, A.M. Алгоритм построения геометрической модели массы элементарных волокон при сжатии / А.П.Соркин, А.М.Киселев // Тез. докл. II Международ, и науч.-практич. конф. «Инновационные и наукоемкие технологии в легкой промышленности». - Москва, МГУДТ. - 2010. - С. 57.

13. Киселев, A.M. Исследование деформационных характеристик льняного волокна при сжатии / А.М.Киселев // Материаловедение - 2010: Материалы 3 (XV) международ, научно-практич. конференции / Москва: РГУТиС. — 2010. — С.117

14. Киселев, A.M. Системный подход при построении геометрической структуры нетканых материалов / А.М.Киселев, М.В.Киселев // Тез. докл. Международ. научн.-технич. конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности. (ТЕКСТИЛЬ-2011) - М.: ФГБОУ ВПО «МГТУ им. А.Н.Косыгина», 2011-С, - 169-170.

Подписано в печать 23.03.12. Формат бумаги 60x84 1/16. Печать трафаретная. Печ. л. 1,0. Заказ 148. Тираж 100.

РИО КГТУ, Кострома, ул. Дзержинского, 17

61 12-5/3390

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ

ФЕДЕРАЦИИ

КОСТРОМСКОЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Киселев Андрей Михайлович

МОДЕЛИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И ДЕФОРМАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ВОЛОКНИСТЫХ ХОЛСТОВ

Специальность 05.19.01- Материаловедение производств текстильной и легкой промышленности

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор А.П. Соркин

Кострома, 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.............................................................. 4

Глава 1. Актуальность задач прогнозирования свойств текстильных

материалов............................................................... 9

1.1. Современные тенденции развития производства текстильных материалов.......................................................... 21

1.2. Строение и свойства нетканых материалов........................ 28

1.3. Строение и свойства натуральных волокон........................ 34

1.4. Математическое моделирование строения и свойств текстильных материалов в текстильном материаловедении....... 42

1.5. Цель работы и постановка задач исследования................... 62

1.6. Выводы по главе......................................................... 63

Глава 2. Разработка математической модели прогнозирования деформационных свойств текстильных волокнистых материалов.......................................................................... 67

2.1. Общая постановка задачи определения деформационных свойств волокнистого текстильного материала.................. 69

2.2. Математическая модель деформирования волокнистых текстильных материалов с применением метода конечных элементов..................................................................... 72

2.3. Моделирование контактного взаимодействия волокон в волокнистой массе......................................................... 83

2.4. Моделирование геометрической структуры волокнистых текстильных материалов. Примеры моделировния.............. 93

2.5. Выводы по главе......................................................... 106

Глава 3. Исследование деформационных свойств нетканых материалов при растяжении..................................................... 108

3.1. Моделирование геометрической структуры нетканого материала типа "холлофайбер"............................................ 110

3.2. Определение разрывной нагрузки теоретическим и экспериментальным методом. Оценка адекватности модели......... 115

3.3. Выводы по главе......................................................... 120

Глава 4. Исследование деформационных свойств льняного волокна

в массе при сжатии...................................................... 121

4.1. Исследование деформационных свойств льняного волокна

при сжатии экспериментальным методом......................... 122

4.2. Построение диаграммы деформирования льняного волокна

при сжатии теоретическим методом..............................125

4.3. Оценка адекватности разработанной модели льняного волокна при сжатии..............................................................................................................134

4.4. Выводы по главе........................................................ 138

Общие выводы........................................................... 138

Список использованных источников .............................. 140

Приложение 1. Исходные тексты программы моделирования геометрической структуры волокнистых материалов на языке Visual Basic............................................................ 151

Приложение 2. Исходные тексты batch-файла для определения деформационных характеристик нетканого материала

"холлофайбер" при растяжении в среде ANS YS................ 179

Приложение 3. Исходные тексты batch-файла для определения деформациионных характеристик льняного волокна при сжатии в среде ANSYS................................................ 182

ВВЕДЕНИЕ

По данным экономических аналитиков [1] общий объем мирового рынка текстиля сегодня оценивается в $450 млрд. с устойчивой тенденцией роста этого рынка. В 2009 г. легкая промышленность РФ насчитывала 18 производителей льняных тканей, при этом льняное производство стало единственным сегментом легкой и текстильной промышленности, объемы выпуска которой упали практически в два раза. В целом, текстильные предприятия произвели за этот год 2,6 млрд.м2 тканей, что на 3% больше, чем в 2008 году, тогда как объем выпуска льняных тканей составил 52,3 млн.м2., что характеризует спад производства на 46,6%.

По мнению чиновников, помимо мирового финансового кризиса, который привел к сокращению спроса на внутреннем и внешнем рынках, сложившуюся ситуацию можно объяснить технической и технологической отсталостью отрасли и узостью выпускаемого ассортимента льняных тканей. Президент РФ Дмитрий Медведев полагает, что для восстановления российской текстильной промышленности необходимо качественно модернизировать отрасль, внедрить передовые технологии, повысить производительность труда, а также использовать зарубежный опыт, в том числе Китая, Гонконга, Германии и Турции, которые буквально за десять лет обновили парк станков.

«Устаревшее оборудование не позволяет предприятиям выпускать современные ткани, хотя они пытаются следить за современными тенденциями, модой, но это далеко не всегда получается», — заявил глава государства в сентябре 2010 г. на заседании президиума Госсовета по проблемам модернизации текстильной отрасли. Он подчеркнул, что раньше доля России, где могут быть созданы условия для быстрого прорыва, на мировом рынке льна составляла 50 - 60%, а сейчас она снизилась до 14%. Благодаря повышению технической оснащенности отрасли и внедрению современных технологий, в 2010 году российским предприятиям удалось несколько расширить ассортимент продукции, выпускаемой льняной отраслью, и остановить падение производства. В январе - октябре 2010 года выпуск льняных тканей составил

40,1 млн.м2, что на 8,2% больше, чем за аналогичный период 2009 г. В целом отечественные текстильные предприятия произвели 2,6 млрд. м2 тканей, увеличив производство на 19%. [2].

Легкая промышленность играет значительную роль в экономике ряда стран. В США доля легкой промышленности в ВВП составляет 4%, в Германии - 6%, Италии - 12%, Китае - 21%, Португалии - 22%. В России доля легкой и текстильной промышленности во внутреннем валовом продукте за последние 14 лет снизилась в 30 раз - с 12% до 0,4%.

Лидер мирового рынка текстиля - Китай. В конце 2004 года Китай занимал на мировом рынке текстиля по разным оценкам 23% - 28%. Его экспансия продолжает развиваться. Так, в январе 2005 года истек срок Соглашения по текстилю и тканям, принятого в 1995 году США, Канадой, Евросоюзом и Норвегией для ограничения экспорта текстиля из развивающихся стран. В результате, с начала 2005 года экспорт дешевого китайского текстиля в страны ЕС вырос на 400%.

Легкая промышленность России состоит из 17 подотраслей. Наибольший удельный вес в объеме производства занимает текстильная отрасль -примерно 45% (1,67 млрд. $), доля швейной - около 32% (1,22 млрд. $), а кожевенной, меховой и обувной - 23% (860 млн. $). Во многих регионах - Ивановской, Владимирской, Костромской областях - текстильные производства являются градообразующими предприятиями. Учитывая негативные явления в легкой промышленности для усиления ее позиций на Российском рынке в июне 2008 года в г. Иваново состоялось заседание Президиума Госсовета. На заседании Комитета Государственной Думы Российской Федерации по экономической политике и предпринимательству выступил директор Департамента лесной и легкой промышленности Минпромторга России Михаил Клинов с докладом на тему «О мерах государственной поддержки легкой и текстильной промышленности в Российской Федерации». По итогам заседания Президиума Госсовета был выпущен перечень поручений Президента Российской Федерации и перечень поручений Председателя Правительства

Российской Федерации. С этого момента начались активные действия в легкой промышленности. В частности, был увеличен размер субсидирования процентных ставок по кредитам, полученным предприятиями легкой промышленности на закупку сырья и материалов, техническое перевооружение. В декабре 2008 года Минпромторг России, МВД России и ФТС России создали межведомственную комиссию по борьбе с контрабандной и контрафактной продукцией легкой промышленности (совместный приказ трех ведомств от 23.12.2008 г. № 341/1633/1170). Разработан проект Стратегии, с участием бизнеса, отраслевых союзов, научно-исследовательских и образовательных организаций согласованный с заинтересованными федеральными органами исполнительной власти и рассмотрен на заседании Президиума Правительства РФ 01.06.2009года. Проект в целом был одобрен и после доработки утвержден приказом Минпромторга России в сентябре 2009 года (приказ № 853 от 24.09.2009г).

Для поддержки инвесторов, государство со своей стороны, отменило взимание ввозных таможенных пошлин на импортное оборудование, не производимое в России, а в 2009 году отменило взимание НДС по ввозимому оборудованию, аналоги которого в России не производятся. Министерство работает по вопросу предоставления дополнительных льгот инвесторам, реализующим пилотные проекты. Есть соответствующие поручения Правительства Российской Федерации на этот счет, но окончательное решение на сегодняшний день не принято. В поддержку инвесторов, работающих в отрасли, министерство осуществляет научные разработки. Из федерального бюджета на исследования и разработки в легкой промышленности составили: в 2008г.- 16,5 млн. руб., в 2009г. - 73,7 млн. руб., в 2010г. - 226,0 млн. рублей.

Впервые приказом Минпромторга России (27.04.2010г. № 330) утвержден к реализации важнейший инновационный проект государственного значения - «Разработка и освоение производства инновационных многофункциональных текстильных материалов двойного назначения» на 20102012 годы, предусматривающий финансирование из федерального бюджета в

объеме 640 млн. руб., с привлечением внебюджетных средств в адекватной сумме. Целью проекта является создание промышленных технологий производства новых видов многофункциональных текстильных материалов двойного назначения из натуральных и химических волокон с заданными свойствами с использованием нанокомпозиционных препаратов [3].

Реализация разработанной стратегии нашла отражение в межрегиональном экономическом форуме «Золотое кольцо» в г. Иваново в 2008 и 2011 годах, на котором было заявлено о финансировании строительства новых современных предприятий сразу пяти регионам. По словам заместителя директора департамента лесной и легкой промышленности министерства торговли и промышленности РФ Олега Кащеева: «В текстильную отрасль исторически не вкладывались деньги, и она отстала и технически, и с кадрами беда, и у нас затрат больше на производство продукции, чем в Китае». Государство намерено эту ситуацию исправить. Заявление Олега Кащеева на форуме - с будущего года увеличится компенсация ставки по кредитам на покупку нового текстильного оборудования с 50 до 67 процентов ставки рефинансирования. Кроме того, будут отменены ввозные пошлины на зарубежные станки. Большую помощь получат исконно текстильные регионы. Государство на условиях софинансирования с инвесторами поможет создать здесь новые современные производства. Ивановская область уже подала заявку на 400 миллионов рублей для строительства коммуникаций нового производства хлопчатобумажной пряжи на предприятии «Кохлома». Таким образом, объемы производства фабрики вырастут на треть, и она сможет обеспечить недорогой и качественной хлопчатобумажной пряжей наши льнокомбинаты. Это даст толчок развитию всей отрасли в регионе [4].

В рамках пленарного заседания VI Международного текстильно-промышленного форума «Золотое кольцо», который прошел в городе Плёсе Ивановской области 2-3 сентября обсуждались вопросы сырьевого обеспечения отечественной текстильной отрасли в современных условиях. По результатам работы форума было отмечено значительное перераспределение струк-

туры рынка натуральных и химических волокон в пользу последних. В соответствии с данной тенденцией на форуме была представлена презентация проекта строительства комбината по производству синтетического волокна на территории Ивановской области. Проект участникам форума представил управляющий директор инжиниринговой фирмы ЕРС Engineering Consulting GmbH (Германия) Енс Хенкель. Реализация проекта обеспечит увеличение производства пряжи до 200 тысяч тонн в год, производство 200 тыс. тонн штапельного волокна в год, производство 100 тысяч тонн ПЭТ-гранул, увеличение производства тканей из синтетических волокон до 1,5 млрд.м2.

На заседании президент Российского Союза предпринимателей текстильной и легкой промышленности Борис Фомин отметил, что в 2011 году в России уровень производства натуральных тканей по сравнению с 2010 годом сократился на 15% [5].

Меняются и требования к текстильным материалам и изделиям. Современное развитие окружающей среды, увеличение количества техногенных ситуаций, экологических, биологических катастроф, рост аллергических заболеваний населения вызывают необходимость создания нового поколения текстильной продукции, обладающей комплексом функциональных свойств. Одежда человека из чисто утилитарного предмета постепенно превращается в некую интеллектуально-защитную субстанцию, «вторую кожу», защищающую его от вредных воздействий окружающей среды, осуществляющую коррекцию физиологических и иммунозащитных функций организма, гарантирующую человеку комфортные условия. Этим объясняется также и повышенное внимание к проблеме адекватности одежды условиям ее эксплуатации в системе «человек - одежда - среда» [6].Требования к эксплуатационным свойствам текстильных изделий постоянно возрастают, поэтому производство конкурентоспособной продукции возможно лишь за счет повышения ее качества и проектирования текстильных изделий с заданными свойствами, что и является в настоящее время актуальной проблемой для текстильной промышленности.

Глава 1. Актуальность задач прогнозирования свойств текстильных материалов

Требования рынка к функциональным свойствам каждого определенного вида волокнистого материала для текстильных изделий сегодня можно разбить на две основные группы [7]:

• эксплуатационные, в значительной степени определяемые волокнистым составом материала и в определенной степени также его строением;

• эстетические, определяемые, прежде всего строением материала (переплетением и др. показателями), его колористическим оформлением (в том числе рисунком, выбором цветов и др.), то есть его дизайном.

В зависимости от функционального назначения создаваемых изделий (одежды, интерьера, технических изделий и др.) комплекс требований к исходным волокнистым материалам, строению и дизайну готового материала существенно различается. Переход к рыночной экономике вызвал совершенно новый подход к выбору материалов для изделий бытового назначения. Ранее в системе плановой экономики была принята последовательность «от имеющихся материалов» (см. рис.1.1.):

Имеющиеся Конструирование

(производимые) и производство

текстильные | изделии

материалы из имеющихся

материалов

Потребительский рынок_|

Рис. 1.1 Старый подход к выбору материалов

Теперь в условиях рынка сложилась прямо противоположная последовательность «от требований рынка» (см. рис. 1.2.):

Покупательский спрос

и требования рынка

(мода, дизайн)

Конструирование и производство изделий по требованиям рынка

Заказ и создание текстильных материалов с заданными свойствами

Рис. 1.2 Новый подход к выбору материалов

Предстоящее в ближайший период вступление нашей страны во Всемирную торговую организацию (ВТО) предъявляет дополнительные требования к уровню свойств и качеству исходных и готовых текстильных материалов и изделий, а также методам их оценки.

Таким образом, в настоящее время в области текстильного материаловедения возникла новая важная задача - прогнозировать свойства текстильных материалов по требованиям изготовителей изделий. Эта задача уже в определенной степени решается на основе накопленного эмпирического опыта. Однако эмпирический подход, к сожалению, недостаточен; необходимо, чтобы были созданы в полной мере научно-технические методы решения поставленной задачи, базирующиеся на современном материаловедении, смежных с ним научно-технических областях, а также применении достижений современных компьютерных технологий [8]. В соответствии с рассмотренной тенденцией появилось значительное число публикаций в научно-технической сфере. В последнее время издан ряд современных книг по дизайну и конструированию одежды, в том числе с применением компьютерных методов. Однако в области других видов текстильных изделий, особенно технического назначения, наблюдается заметное отставание. Следует, однако, упомянуть работы А. Н. Могильного, С. Ф. Привалова и др. [9, 10] . Пробел в современной литературе по отделке и колорированию текстиля недавно заполнен. В 2001 г. издана современная работа профессора Г. Е. Кри-чевского [11]. Это трехтомный труд, который досконально освещает методы придания текстильным полотнам современного колористического дизайна