автореферат диссертации по технологии материалов и изделия текстильной и легкой промышленности, 05.19.02, диссертация на тему:Особенности проектирования и прогнозирования свойств основовязаных геополотен

На правах рукописи ґ\

Гусев Константин Александрович

ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ СВОЙСТВ ОСНОВОВЯЗАНЫХ ГЕОПОЛОТЕН

Специальность

05.19.02 - Технология и первичная обработка текстильных материалов и сырья

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 ч НОЯ 2013

Санкт-Петербург 2013

005540153

005540153

Работа выполнена в Димитровградском инженерно-технологическом институте - филиале федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

кандидат технических наук, доцент Бронз Галина Александровна

Труевцев Алексей Викторович

доктор технических наук, профессор федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет технологии и дизайна», заведующий кафедрой технологии и художественного проектирования трикотажа

Москаева Татьяна Борисовна

кандидат технических наук, доцент федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Костромской Государственный технологический Университет», доцент кафедра технологии и проектирования трикотажа

Текстильный институт федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Ивановский государственный политехнический университет», Иваново

Защита состоится «10» декабря 2013 года в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 212.236.01 при ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет технологии и дизайна» по адресу: 191186, г. Санкт-Петербург, ул. Большая Морская, д. 18, ауд. 241.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет технологии и дизайна». Текст автореферата размещен на сайте СПГУТД: ЬМр:/\у\у\у.в1Л(1.ги

Автореферат разослан « 8» ноября 2013г.

Ведущая организация:

Ученый секретарь диссертационного совета

Витковская Раиса Федоровна

Общая характеристика работы

Актуальность работы: За последние годы геотекстиль становится важным стратегическим материалом и рынок геотекстильных материалов постоянно расширяется. Появилось множество новых видов геосинтетических материалов различного сырьевого состава и технологии получения, значительно расширилась областей их применения. Вместе с разнообразием появились и новые проблемы — потребителю необходимо сделать правильный выбор геотекстиля.

Из всего разнообразия геосинтетиков трикотажный геотекстиль, вырабатываемый на однофонтурных основовязальных машинах на базе уточных переплетений с прокладыванием продольных и поперечных уточных нитей, занимает свою сравнительно небольшую нишу на рынке геотекстиля, начиная оказывать конкуренцию использовавшимся ранее тканым и нетканым полотнам. Расширение его использования обусловлено особыми возможностями за счет структуры уточных основовязаных переплетений и параметров сырья варьировать характеристики геоматериалов, что способствует их широкому использованию в отраслях промышленности и хозяйства, в частности, в дорожном строительстве для реализации функций: армирования, дренажа, фильтрации, укрепления.

Решение проблемы эффективного подбора геоматериалов требует разработки методов проектирования структур основовязаного полотен с заданными эксплуатационными свойствами, позволяющими еще на стадии создания геополотна по заправочным данным определить его основные параметры и физико-механические свойства. Разработка таких методов должна базироваться на использовании системного подхода к этапу проектирования в структуре жизненного цикла трикотажных геополотен и широком использовании средств и методов современных информационных технологий, включая методы автоматизированного проектирования.

Поэтому исследования взаимосвязи строения и заправочных данных одинарных основовязаных геополотен с их структурными характеристиками и эксплуатационными свойствами, а также разработки методов проектирования основовязаных геополотен с заданными показателями свойств на базе информационных технологий являются актуальными.

Цели и задачи работы. Целью работы является разработка научно обоснованных, базирующихся на системном подходе и использовании информационных технологий, методов и средств проектирования параметров структуры и прогнозирования эксплуатационных свойств одинарных основовязаных геополотен, позволяющих по заправочным данным моделировать показатели их физико-механических свойств, а также подбирать заправочные данные геополотен для заданной области применения.

Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:

• анализ многообразия видов одинарных основовязаных геополотен по

строению и особенностям вязания;

з

• уточнение важнейших эксплуатационных свойств основовязаных геополотен по показателям физико-механических характеристик в зависимости от областей применения;

• уточнение информационной базы проектирования геополотен, получаемых на базе одинарных уточных переплетений и прогнозирования их свойств с использованием структурно-функционального моделирования;

• уточнение геометрических моделей структур одинарных геополотен;

• разработка методики проектирования параметров одинарных основовязаных геополотен на базе геометрических моделей структуры и уточнение расчетных моделей для определения основных показателей структуры геополотен;

• разработка методик оценки показателей важнейших эксплуатационных свойств по заправочным данным: прочности и водопроницаемости;

• разработка алгоритмов автоматизированного расчета параметров структуры основовязаных геополотен и показателей эксплуатационных свойств;

• апробации предлагаемых методов и методик;

• разработка структур одинарного основовязаного трикотажа с целью расширения ассортимента геотекстиля для различного функционального назначения: армирования, дренажа, фильтрации;

• создание единой информационной базы по основовязаным геополотнам, объединяющей сведения по типам материалов, используемому вязальному оборудованию и сырью.

Методы и средства исследования. Для решения задач, поставленных в работе, использованы теоретические и экспериментальные методы.

В теоретических исследованиях использованы общенаучные методы системного анализа, алгоритмизации, функционально-модульного подхода в программировании, современных методы IT и CALS- технологий: онтологии знаний, SADT-IDEFO диаграммы, а также методы, характерные для исследований в текстильной технологии: графоаналитические методы проектирования трикотажа, теория структурообразования основовязаных переплетений.

Инструментальные экспериментальные исследования параметров структуры геополотен проводилось с помощью цифрового микроскопасерии XSP-02 типа Intel, сканера с высокой разрешающей способностью, современных приборов для исследования свойств текстильных продуктов, включая разрывные машины и установку Инстрон. Обработка результатов экспериментов осуществлялась с помощью методов статистического анализа. Широко использована вычислительная техника и программное обеспечение Microsoft Excel, Visio, BPwin, MathCad 15.

Научная новизна диссертационной работы заключается в:

• разработке структурной модели проектирования параметров и прогнозировании эксплуатационных свойств одинарных основовязаных геополо-

тен по заправочным данным в соответствии с областью использования по методологии SADT-IDEFO;

• разработке классификации одинарных основовязаных уточных геополотен по структурно-технологическим признакам;

• уточнении геометрических моделей одинарных основовязаных геополотен различных структур: моноаксиальных, биаксиальных, мультиакси-альных и разработке математических моделей для проектирования их параметров и прогнозирования эксплуатационных свойств: прочности и водопроницаемости;

• разработке новых структур геополотен с улучшенными прочностными характеристиками;

« разработке алгоритмов автоматизированного проектирования параметров структуры геополотен с учетом многообразия их видов.

Практическая значимость и реализация результатов работы.

Предложенные показатели и разработанные методы оценки важнейших эксплуатационных свойств геполотен по прочности и проницаемости позволяют существенно сократить объем экспериментальных исследований и снизить трудозатраты как при сравнительной оценке пригодности образцов геополотен для конкретной области применения, так и при разработке конкурентоспособного геотекстиля в процессе проектирования новых видов геополотен.

Разработана экспресс-методика для сравнительной оценки водопропускной способности различных геотекстильных материалов.

Пригодность разработанного программного обеспечения для автоматизированного расчета параметров одинарного уточного геополотна и прогнозирования их свойств подтверждена двумя Свидетельствами о регистрации программ для ЭВМ, зарегистрированными в РОСПАТЕНТЕ.

Результаты работы были внедрены в учебный процесс кафедры технологии и проектирования Димитровградского института технологии, управления и дизайна (филиала) Ульяновского государственного технического университета и прошли производственную апробацию в ООО «КТС», что подтверждено соответствующими актами.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава ДИТУД УлГТУ - Димитровград, 2009-2012гг;

Всероссийской научно-технической конференции (ТЕХТЕКСТИЛЬ-2010) ДИТУД - Димитровград, 2010г.;

международной научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» ТЕКСТИЛЬ (20092010) МГТУ им. А.Н.Косыгина, Москва, 2009-2010гг;

международной конференции «Современные информационные технологии в образовании, науке и промышленности», Москва, РосЗИТЛП, 17-19мая 2011г.

Публикации.Основное содержание диссертации отражено в 14 публикациях, в том числе 6 статей, из них 3 в журналах, входящих в "Перечень ВАК...", 1 патенте на полезную модель, 2 свидетельствах об официальной регистрации программ для ЭВМ ив 5 сообщениях в сборниках материалов научно-технических конференций.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, заключения, 8 приложений. Работа выполнена на 148 страницах, содержит 51 рисунок, 15 таблиц, список использованных источников состоит из 101 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы основные цели, поставлены задачи. Показана научная новизна и практическая значимость.

В первой главе проведен обзор источников информации по выбранной теме диссертации. Были изучены основные труды, связанные с использованием, производством и проектированием геосинтетиков. Базовым материалом для исследований в области вязаных геотекстилей были работы отечественных ученых В.А. Агапова, О.В. Кащеева, Г.К.Мухамеджанова, A.B. Труевцева, А.Ю.Баранова, О.Н. Столярова. Их разработки стали основой действующей классификации геосинтетиков.

Из работ зарубежных исследователей следует отметить фундаментальный труд ученого из Гонг-Конга Jinlian HU «3-D fibrous assemblies», где представлены наиболее полный обзор видов геотекстиля, опубликованы результаты многочисленных испытаний, а также указаны области применений геосинтетиков. Большой вклад в изучение геосинтетиков внесли также члены IGS (International Geosynthetics Society), в частности RJ. Bathurst, который обосновал возможности применения геотекстиля в особо сложных строительных конструкциях.

Выполненный обзор позволил утвердить цели и задачи диссертационной работы. Сравнительно небольшой объем информации по методам проектирования и оценки свойств вязаных геотекстилей определило целесообразность установления взаимосвязи между параметрами и свойствами полотен для дальнейшего прогнозирования свойств, а также расширение ассортимента за счет разработки новых структур.

Во второй главе разработана концепция проектирования параметров и оценки эксплуатационных свойств по заправочным данным вязаных геополотен с использования системного подхода и информационных технологий. В рамках данной концепции разработано поуровневое структурирование взаимосвязи между основными функциональными свойствами геополотен с их областью применения, а для описания многообразия видов создана классификация одинарных основовязаных геополотен по структурно-технологическим признакам, которая дополнила действующую в части геополотен вязаных. В качестве классификационных признаков выделены:

• наличие и число армирующих уточных нитей (Кун):моноакснальные с вертикальным (УВ) или горизонтальным (УГ) утком; биаксиальные: с вертикальным и горизонтальным утком (УВ и УГ); мультиаксиальные (УМ) с утками, проложенными в разных направлениях, чаще 0°, +45°, 90 45°;

• число уточных нитей каждого вида в раппорте прокладывания;

• число используемых грунтовых нитей (Кгн=1..2);

• виду переплетений из грунтовых нитей: цепочка, трико, сукно и др.;

• наличие дополнительных уточных нитей для повышения прочности и снижения растяжимости: связующего (УС) и каркасного (УК) утка;

• другие технологические признаки: проборка грунтовых и уточных гребенок, величина и направление кладки уточных гребенок за иглами.

С использованием 8АГ_)Т- ГОЕБО технологи разработана структурно-функциональная модель этапов проектирования и прогнозирования свойств геополотна, позволяющая детализировать преобразование заправочных данных геополотен в показатели эксплуатационных свойств (рис.1).

свойств геополотен Разработанная модель позволила синтезировать задачи методического и информационно-компьютерного обеспечения при проектировании геополотен для заданной области использования.

Третья глава полностью посвящена разработке методики проектирования параметров и свойств геополотен по геометрической модели их структуры.

7

Был выделен единичный базовый элемент структуры одинарного вязаного геотекстильного полотна (рис.2), учитывающий многообразие его видов. На базе единичного элемента получены несложные математические выражения для расчета диаметра уточных нитей Бу (выражение 1) и определения основных параметров структуры А, В и толщины М (выражения 2-4), исходя из заправочных данных сырья, вида и числа уточных нитей (Ту, уу, Ыус Ыуг, Кув, ЫУК), количества грунтовых нитей (ГН) и вида грунтового переплетения.

7100 =k*dyc=k* №5Щ/Гу

щч ^ щс - ї1с щк

Щг Щс Rh^

М = 3dmi + £»VT + Z)yB + Dyc + DyK,

(2)

(3)

(4)

Так диаметр уточных нитей Dy предложено определять, исходя из формы эллипса, характерной для комплексных синтетических нитей, только по условному диаметру с!усл с учетом воспринимаемой деформации в связи с постоянным сжатием полотна в процессе эксплуатации.

В рамках разработки методики проектирования на базе геометрических моделей и с использованием выражений 2-4 для наиболее распространенных структур вязаных геосинтетиков (moho-, би- и мультиаксиальных с различными вариантами прокладывания и числа уточных и грунтовых нитей) были уточнены математическиевыраже-ния, позволяющие определить значения основных параметров структуры полотна(табл. 1).

Рисунок 2. Условный базовый элемент структуры вязаного геополотна

Таблица 1. Геометрические модели одинарных основовязаных геополотен

2/

ГН1 -цепочка ГН2-сукно

2/

уг№ =1)

ус (Яь=3; Ъ=4)

А=2(ёгн1+ 4ш)+ Сус В=2(ёгш+ <Ье)+ Вуг+Г)ус

М-3(агні+ сЬе)+Е>уг+

Оус

Кд _5, 5с{

Кш->Ог+ 0,71 <2ус + 0,87д

Биаксиальные структуры

Геометрическая Кгн/ вид модель структуры фунта

Кун/вид

уткаСад^

а, в, м

Кд; Кш

2/

ГН1-цепочка ГН2 — сукно

Моноаксиальные структуры

1/

уг (В,,=1)

А=4(ёгн1+ ¿по В=2(<1гні+ (1ГН2)+ Пут М=3(ёгш+ СІїш) +Е>уг

КД-,5,5с7 Кщ-,(2г+0,87д

3/

уг (Яь=1) УС(Яь=3;

т=2)

ук (ЯЬ=1: ЯИ=2)

А=4сігт+ Оус + 20ук В=2(іга|+ЕЧТ+2Г>ус

/Шіус,

М=3^-ні+Е>уг+ Рув +Оус + Оук

КД-,3Ч+<2ук

КШ^<2уг+ 1,87 (2 ус

2/

УТ(Яъ=1) УВ (Къ=1)

А=4(агаі+ ага2)+ Був

В=2(<3гаі+ ¿ГН2)+ 1)УГ

М=3(ага,+(ігш)+вуг+ Оув

Кш^<2уг+0.71д

Мультиаксиальная структура

1/

ГН1-цепочка

4/

ув=ум0° уг=ум90° ум+450 ум-45°

А=4ёгн,+ ЗБум В=2ага|+ ЗБум

М=34пп+31>уМ

КД^ЗЧ+2,42<2ум Кш-*2,420ш

1/

ГН1 -цепочка

2/

ГШ -цепочка ГН2-грико

1/

ГН1 -гршсо

3/

ув (%=/; ук(лб=;.-

М=2)

А=4аШ1+ Сув+ 20УК В=2ёШ1+0,5ИуГ+2Вук М=ЗсігтЮуТ+ Оув+Оус+ Оук

КД^2,71Ч+0УВ+ <2ук

КШ-*<2УГ+ 0,71д

В четвертой главе исследованы различные виды геополотен известных марок по структурным и эксплуатационным характеристикам, разработана методика оценки водопропускной способности и предложеныпоказатели для сравнительной оценки эксплуатационных свойств геополотен.

Для оценки прочностных свойств использованы коэффициенты прочности по длине (Кд) и прочности по ширине (Кш), учитывающие как прочностные характеристики сырья, строение уточного переплетения, включая углы между петельными столбиками (рядами) и протяжками, так и плотность самой структуры полотна (Пг, Пв). Прочность по длине определяется в основном, числом NyB и прочностью Qyi> вертикальных УВ и каркасных УК уточных нитей, а также числом Кгн и прочностью q грунтовых нитей:

Юн

£ (2?, + q, cos or,) + NmQyB + QyK (5)

і-----Пг

д 200

где q и Q - прочность соответствующих грунтовых и уточных нитей в сН, и- угол наклона протяжек грунта к линии петельного столбика.

Прочность по ширине определяется прочностью горизонтальных (поперечных) УГ и связующих УС уточных нитей:

Е q cos р + Qyc (Rbyc - hyC -1) cos у + Oy r

кш = --пв

200

(6)

где Ш>уС - раппорт по ширине, ЬУС - число пропущенных рядов враппорте по высоте связующего утка УС, р и у- углы наклона протяжек грунта и связующего утка к линии петельного ряда.

Выражения 5-6 позволяют оценить прочность различных по структуре полотен (табл.1). Для наиболее распростаненной биаксильной структуры (рис.3) с параметрами Кш~1 ГН1 - трико, Кун-2, УГ(М=1), УВ(М=1) а=р=45° имееют вид:

К„

2gjg_+gjZLcos4y +QyB 200

Пг,

cos 45" + Qvr

200

Пв,

Результаты, полученные расчетным путем, были подтверждены экспериментально путем испытаний полоски размером 100x50 мм на разрывной машине типа РМ.

Для оценки водопропускной способности геотекстиля разработана экспресс — методика и предложено устройство (рис.4), в котором испытуемый образец 1 крепится с помощью зажима 2, под мерным стеклянным цилиндром 3 с площадью сечения 1 см2 и задвижкой 4. Для испытания в цилиндр заливается вода, которая после выдвижения задвижки и фильтрации через геоматериал начинает собираться в сосуде 5.

Рисунок 3. Биаксиальная структура геополотна

Рисунок 4. Устройство для экспресс-оценки водопроницаемости .2

Значения коэффициента проницаемости (аюа( и

Испытания реализуют истечение жидкости при переменной высоте столба (начальная высота столба И-100 мм), время полного истечения I фиксируется хронометром. Параллельно предложен коэффициент свдли а100,отражающий меру водопроницаемости материала:

2л'/г

« , , (7)

На рис.5 в виде диаграммы представлены результаты испытаний образцов геотекстиля по экспресс - методике, в соответствии с которой сравнительная оценка водопроницаемости осуществлялась по двум показателям: время истечения 100 мл воды через 1 см^ материала при высоте столба 100мм (г,с) и коэффициент проницаемости геотекстиля (аШо).

Полученные результаты показывают значимое различие этих показателей для всех испытуемых образцов геотекстиля, обусловленное их технологическими и структурными признаками.

Можно отметить достаточную универсальность показателя аюо, заключающуюся в наличии обратной связи с показателем время прохождения ((:,с) и в отсутствии прямой корреляции с объемной и поверхностной плотностями. Это позволяет предположить, что показатель ат, учитывает

§ оот

а

£ О.Ж» • £

| 0,033

Образе* 1. Тгіісгкяьш-ксгапмкт г.ио:,

Зїгсііггхг

СсрЗЇЄи

Кс-гга гг-г ф.К^гй";

Рисунок 5.Показатели водопроницаемости геотекстиля по экспресс - методике

природу волокнистого состава и структуру геотекстиля, и поэтому может быть использован для сравнительной оценки водопроницаемости по заправочным данным и структурным параметрам различных классов геотекстилей.

По результатам проведенных испытаний для пяти исследуемых образцов на лабораторной установке по экспресс - методике получены адекватные математические модели влияния высоты напора на время прохождения воды через материал (рис.6). Анализ полученных моделей показывает, что для всех значений высоты столба порядок ранжирования показателя между образцами

її

идентичен и соответствует ранговому порядку, полученному по экспресс - методике.

При этом с увеличением высоты столба наблюдается уменьшение различия, что подтверждают правомерность использования экспресс - методики для сравнительной оценки водопропускной способности геотекстилей при переменной высоте столба с начальным уровнем 100 мл.

Анализ результатов экспериментов по имеющимся образцам позволил отметить наличие взаимосвязи между водопроницаемостью и размером поры полотен. Предложено оценивать пористость через показатели общей и сквозной пористости с учетом эффективного диаметра пор.

Для оценки кольматируемости и проектирования некольматируемых вязаных геополотен разработан алгоритм подбора геополотна с учетом параметров грунта и расчета показателя- эффективный диаметр пор.

Пятая глава посвящена разработке новых структур геотрикотажа повышенной прочности за счет грунтового переплетения.

Особенностью разработанных и подтвержденных Патентом на полезную модель вариантов структур являются удлиненные протяжки, наличие которых дополнительно укрепляет полотна, т.к. соседние петельные столбики соединены между собой, по меньшей мере, двумя системами грунтовых нитей. Кроме того, этот трикотаж имеет сетчатую структуру, способствующую увеличению его подвижности и приданию формообразующих свойств.

Предложенный трикотаж значительно расширяет структуры грунтовых переплетений и, следовательно, позволяют получать одинарные основовязаньте геополотна повышенной прочности с широким диапазоном структурных характеристик и эксплуатационных свойств (рис.7).

Проведенные проектировочные расчеты показали значимое увеличение прочности в разработанных вариантах геополотна по сравнению с базовой од-ногребеночной структурой (рис.3).

Влияние напора воды на время прохождениячерез геоматериал 350

оъразеиБ-

313,6

образец4 = 0.983 I

ЫзрЗзецЗ ; |

ї = -17,81йіх)~102,$і у=-25.31піх)+ 104.6

- -; ■ - ■ Я? =0.967 :

О 5 13 15 20 25 30

Ф Образец 1. ГС- ГТ - ВЗ + ГП - ГТ- НТ ф.ЫЬз нзпорводы, мПа ООбраэецг. ГП■- ГТ- 83 ф. Квг[ Мзуег д ОбразецЗ. ГП - ГТ- ТК 54аЫ!епка ф. НиеЕкег * Обрааец^. ГП - ГТ - ТК + Г П • ГТ- НТ Коггек РЕС ф. Кокіагпз Й Образец5. ГП - ГТ-ТМ Ког^агпа ф. КогсЫпа

Рисунок 6. Моделирование водопроницаемости

Рисунок 7.Биаксиальные структуры повышенной прочности

В шестой главе разработана информационная база и реализован автоматизированный подход к проектированию основовязаныхгеополотен.

Информационная база проектирования вязаных геополотен включает электронную онтология знаний в области геотекстиля на платформе Protégé и трехтабличную реляционную базу данных по вязаным геосинтетикам, сырью и оборудованшо для их производства, разработанную средствами MSAccess.

На базе предложенных в работе расчетных моделей и эксплуатационных показателей разработаны алгоритмы автоматизированного проектирования параметров геополотна с учетом многообразия структур и основных эксплуатационных характеристик: прочности и пористости.

Разработанные методы и алгоритмы реализованы средствами структурного и объектного программирования на языках Q-Basic, Visual Basic и Delphi в виде программ для ЭВМ, две из них зарегистрированы в Роспатенте. Также для полотен биаксиальных структур из полиэфирных нитей, а именно ГН РЕ 7,6текс, УГи УВ - РЕ 167текс с удельной разрывной нагрузкой 690мН/текс с использованием разработанных программных продуктов проведен проверочный расчет показателей структуры и прочности (табл.2).

Таблица 2. Расчетные значения параметров и показателей прочности

№ Параметры заправкигеополотен Параметры структуры Прочность

п/п Кщ/переп летение ГН: Rh, R b YH:Rh,Rb Пг, п./lOcM Пв, п/10см Кш, кН Кд, кН

1 1 /трико Rh=2,Rb=2 УГ: Rh=l, 50 104 3,24 6,05

2 2/трико Rh=4, Rb=2 УВ: Rb=l 50 102 3,39 6.32

3 3/трико Rh=6, Rb=2 50 99 3,47 6,48

Выполненные проектировочные расчеты параметров структуры и эксплуатационных характеристик по прочности и пористости показали пригодность предложенных показателей и расчетных моделей.

Выводы:

1. Одинарные основовязаные геополотна, вырабатываемые в основном, на рашель-машинах фирм Liba и KarlMayer с поперечными и продольными уточными нитями, обладают большой гибкостью структурных параметров для достижения эксплуатационных функций. Разработана классификация одинарных осново-вязаных уточных геополотен по структурно-технологическим признакам.

2. Установлено, что для функций армирования, фильтрации и дренажа важнейшими эксплуатационными характеристиками геопологаа являются: прочность, пористость, влагопроницаемость, которых можно достигнуть за счет управления геометрическими параметрами переплетения на стадии его проектирования.

3. С использованием структурно-функционального моделирования по SADT-технологи разработана IDEFO диаграмма этапов проектирования и прогнозирования свойств геополотпа, позволяющая последовательно детализировать преобразование заправочных данных в показатели эксплуатационных свойств.

4. Построены геометрические модели петельной структуры одинарных осно-вовязаных уточных геополотен с армирующими и укрепляющими утками и на их базе получены выражения для проектирования основных параметров структуры: диаметра уточных нитей, петельного шага, высоты петельного ряда и толщины.

5. Предложены показатели для оценки эксплуатационных свойств по геометрической модели структуры полотна и заправочным данным:

- для оценки прочности геополотен: коэффициент прочности по длине и по ширине;

- для оценки пористости полотна: пористость сквозная и общая;

- для оценки кольматации: показатель эффективный диаметр пор.

6. Для сравнительной оценки водопропускной способности различных геотекстильных материалов предложен показатель коэффициент проницаемости и разработана экспресс-методика его определения.

7. С целью улучшения эксплуатационных характеристик и расширения ассортимента одинарных основовязаных геополотен разработаны варианты геополот-набиаксиальной структуры с повышенной за счет увеличения протяжек в грунтовом переплетении прочностью.

8. Проведенные проектировочные расчеты параметров структуры и эксплуатационных характеристик по прочности и водопропускной способности показали пригодность предложенных показателей и расчетных моделей.

9. Разработаны алгоритмы автоматизированного проектирования параметров геополотна с учетом многообразия структур и основных эксплуатационных характеристик: прочности, пористости, эффективного диаметра пор.

10. Разработанные методы и алгоритмы реализованы в виде программ для ЭВМ, разработанных средствами структурного и объектного программирования на языках Q-Basic, Visual Basic и Delphi.

11. Экспресс-методика оценки водопропускной способности прошла производственную апробацию и получила положительную оценку. Материалы работы внедрены в учебный процесс.

Публикации по теме диссертации:

Статьи в рецензируемых журналах, входящих в «Перечень... ВАК РФ»:

1. Гусев, К.А. Особенности строения и проектирования основовязаных геотекстильных полотен/Г.А. Бронз, К.А. Гусев//Известия вузов. Технология текстильной промышленности. - 2011. - № 4. - С.96-101.

2. Гусев, К.А. Прогнозирование эксплуатационных свойств основовязаных гео-полотен/Г.А. Бронз, К.А. Гусев//Текстнльная промышленность. - 2012. - №2. -С.46-51.

3. Гусев, К.А. Разработка методики экспериментальной оценки водопроницаемости геотекстильных материалов/А.Н. Девятилов, А.Ю. Баранов, К.А. Гусев, Г.А. Бронз//Известня вузов. Технология легкой промышленности. - 2012. -Ns4.-C.7-ll.

Объекты интеллектуальной собственности:

4. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ /Бронз Г.А., Гусев К.А. Расчет параметров структуры основовязаных полотен базовых переплетений. РФ №2010670153. Заявл.06.11.2009. Зарегистр. 11.01.2010.

5. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ /Бронз Г.А., Гусев К.А., Рузапова O.A. Проектирование параметров уточных основовязаных геополотен. РФ №2011616473. Заявл.28.06.2011. Зарегастр.19.08.2011.

6. Патент на полезную модель. Одинарный основовязаный трикотаж с удлиненными протяжками. РФ №112201/Бронз Г.А., Гусев К.А. Заявл. 15.07.2011. Опубл. 10.01.2012. Бюл.№1.

Статьи в журналах и сборниках, материалы конференций:

7. Гусев, К.А. Виды трикотажных геотекстильных материалов и подходы к проектированию/К. А. Гусев, Г.А. Бронз//Вестник ДИТУД (Димитровградского института технологии, управления и дизайна УлГТУ). - Димитровград. 2009. -№4(42).-С.5-8.

8. Гусев, К.А. Анализ структур современных трикотажных геотекстильных по-лотен/К.А. Гусев, Г.А. Бронз//Тез.докл. межд. научно-техн. конф. «Современные технологии и оборудование в текстильной промышленности» (Текстиль 2009). М.: МГТУ. 2009. - С.100-101.

9. Гусев, К.А. К оценке водопроницаемости геотекстильных полотен /К.А. Гусев, Г.А. Бронз//Матер Всероссийской НТК «Актуальные проблемы проектирования и технологии изготовления текстильных материалов специального назначения» (Техтекстиль -2010), 21-22 января 2010г. Димитровград,- ДИТУД. -С.190-191.

10. Гусев, К.А. Мелкосетчатая структура основовязаного трикотажа для геотек-стиля/К.А. Гусев, Г.А. Бронз//тез.докл. межд. научно-техн. конф.-Современные технологии и оборудование текстильной промышленности (Текстиль 2010.), 23-24 ноября 2010г. -М.: МГТУ.- 2010. -С.84-85.

11. Гусев, К.А. Экспериментальная оценка водопроницаемости геотекстильных полотен. / К.А. Гусев, Г.А. Бронз, В.П. Юрочкина //Вестник ДИТУД (Димитровградского института технологии, управления и дизайна УлГТУ). - Димитровград. 2010. - №4(46). - С.5-11.

12. Гусев, К.А. Систематизация знаний о геотекстильных материалах путем разработки онтологии/ К.А. Гусев, Г.А. Бронз //Сб.матер НТК «Разработка современных технологий текстильной и легкой промышленности и исследование их экономической, экологической и социальной эффективности» , 1-2 февраля 2011.- Димитровград,- ДИТУД. - С.22.

13. Гусев, К.А. Структурно - функциональное моделирование подготовки производства трикотажных геополотен / Г.А. Бронз, К.А. Гусев //Матер П между-нар.конф. «Современные информационные технологии в образовании, науке и промышленности», 17-19мая 2011г.- М.: РосЗИТЛП. - С.34-37.

14. Гусев, К.А. Структура базового переплетения для основовязаныхгеополотен./ Г.А. Бронз, К.А. Гусев//Теоретические и практические аспекты развития современной науки и образования: Сборник научных статей. - Димитровград. ДИТИ НИЯУ МИФИ. - 2011,- С.42-46.

Подписано к печати 08.11.2013 Формат 60x84/1 б.Бумага офсетная. Печать офсетная. Объем: 1 п.л. Тираж:100 экз. Заказ №. 55-47 Отпечатано в типографии ООО «Копи-Р Групп» 190000, Россия,Санкт-Петербург,пер. Гривцова, д. 6, лит. Б

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Димитровградский инженерно-технологический институт - филиал

федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ» (ДИТИ НИЯУ МИФИ)

ГУСЕВ КОНСТАНТИН АЛЕКСАНДРОВИЧ

ОСОБЕННОСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ СВОЙСТВ ОСНОВОВЯЗАНЫХ ГЕОПОЛОТЕН

диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Специальность 05.19.02. - Технология и первичная обработка

текстильных материалов и сырья Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Бронз Г.А.

Димитровгргд 2013 г.

04201453989

На правах рукописи

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...........................................................................................................5

1. АНАЛИЗ УРОВНЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ, ПРОИЗВОДСТВА

И МЕТОДОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОСНОВОВЯЗАНЫХ ГЕОПОЛОТЕН............................................................................................10

1.1 .Основовязаные геополотна как перспективный вид геотекстиля

111.2.Виды и функции вязаного геотекстиля, особенности получения 18

1.3.Методы проектирования и оценки функциональных свойств основовязаных геополотен...........................................................................35

1.4. Намечаемые исследования......................................................................44

2. КОНЦЕПЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ И ОЦЕНКИ

ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ГЕОПОЛОТЕН ПО ЗАПРАВОЧНЫМ ДАННЫМ....................................................................46

2.1. Взаимосвязь основных функциональных свойств геотекстиля с областью применения.............................................................................................48

2.2. Классификация одинарных основовязаных геополотен по структурно-технологическим признакам.....................................................................53

2.3. Структурно-функциональное моделирование этапа проектирования

геополотен и прогнозирования их свойств...................................................55

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2..................................................................................60

3. РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ

СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ ОСНОВОВЯЗАНЫХ ГЕОПОЛОТЕН. 62 3.1. Построение геометрических моделей структуры различных видов основовязаных геополотен.............................................................................62

3.1.1 Выделение единичного элемента структурыс учетом

заправочных данных и строения..........................................................62

3.1.2. Геометрические модели моноаксиальных структур....................63

3.1.3. Геометрические модели биаксиальных структур........................64

3.1.4. Геометрические модели мультиаксиальных структур................65

3.2. Проектирование диаметра нитей...........................................................66

3.3. Проектирование основных геометрических параметров структуры

вязаных геополотен....................................................................... 68

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3........................................................................................72

4. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ

ОСНОВОВЯЗАНЫХ ГЕОПОЛОТЕН..............................................73

4.1. Исследование структурных характеристик и эксплуатационных свойств различных видов геотекстильныхматериалов....................73

4.1.1.Сравнительное исследование прочностных свойств геополотен75

4.1.2.Сравнительное исследование водопроницаемости......................78

4.2. Методика определения водопроницаемости......................................81

4.3. Расчет пористости для теоретической оценки водопроницаемости 89

4.4. Оценка кольматируемости геотекстиля...............................91

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4........................................................................................94

5.РАЗРАБОТКА НОВЫХ СТРУКТУР ТРИКОТАЖА С

УЛУЧШЕННЫМИ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫМИ СВОЙСТВАМИ96

5.1. Базовая структура одинарного геополотна.....................................96

5.2. Структура биаксиального полотна повышенной прочности........102

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 5......................................................................................108

6. РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ МЕТОДОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ И ОЦЕНКИ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ НЯЗАНЫХГЕОПОЛОТЕН 109

6.1. Разработка БД по видам основовязаных геополотен...........................109

6.2. Разработка программ автоматизированного проектирования параметров структуры и оценки эксплуатационных свойств ООГП 115

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 6..................................................................121

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ......................................122

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК........................................................124

ПРИЛОЖЕНИЕ 1............................................................................................135

ПРИЛОЖЕНИЕ 2............................................................................................ 136

ПРИЛОЖЕНИЕ 3............................................................................................137

ПРИЛОЖЕНИЕ 4............................................................................................139

ПРИЛОЖЕНИЕ 5............................................................................................141

ПРИЛОЖЕНИЕ 6............................................................................................142

ПРИЛОЖЕНИЕ 7............................................................................................143

ПРИЛОЖЕНИЕ 8............................................................................................ 145

ВВЕДЕНИЕ

За последние годы геотекстиль становится важным стратегическим материалом, т.к. огромные российские просторы требуют строительства дорог большой протяженности, огромного количества работ по мелиорации и укреплению почв, а рынок геотекстильных материалов постоянно расширяется. Появилось множество новых видов геосинтетических материалов различного сырьевого состава и технологии получения, значительно расширилась областей их применения. Вместе с разнообразием появились и новые проблемы - потребителю необходимо сделать правильный выбор геотекстиля. В настоящее время отечественному потребителю это сделать непросто, потому, что практически отсутствуют обоснованные рекомендации и нормативные документы по использованию геотекстиля в зависимости от способа изготовления и заправочных данных. Пока основным критерием выбора материала является его стоимость, хотя кроме него не менее важными критериями выбора должны являться эксплуатационные характеристики геоматериала и их соответствие функциональному назначению.

Из всего разнообразия геосинтетиков трикотажный геотекстиль, вырабатываемый на однофонтурных основовязальных машинах на базе уточных переплетений с прокладыванием продольных и поперечных уточных нитей, занимает свою сравнительно небольшую нишу на рынке геотекстиля, начиная оказывать конкуренцию использовавшимся ранее тканым и нетканым полотнам. Расширение его использования обусловлены особыми возможностями за счет структуры уточных основовязаных переплетений и параметров сырья варьировать характеристики геоматериалов и широким использованием в отраслях промышленности и хозяйства, в частности, в дорожном строительстве для реализации функций: армирования, дренажа, фильтрации , укрепления.

Решение проблемы эффективного подбора геоматериалов связано с разработкой методов проектирования структур основовязаного полотен с заданными эксплуатационными свойствами, позволяющими еще на стадии

создания геополотна по заправочным данным определить его основные параметры и физико-механические свойства. Разработка таких методов должна базироваться на использовании системного подхода к этапу проектирования в системе жизненного цикла текстильных изделий и широком использовании средств и методов современных информационных технологий, включая методы автоматизированного проектирования.

Поэтому исследования взаимосвязи строения и заправочных данных одинарных основязаных геополотен с их структурными характеристиками и эксплуатационными свойствами, а также разработки методов проектирования основовязаных геополотен с заданными показателями свойств на базе информационных технологий являются актуальными.

Целью работы является разработка научно обоснованных, базирующихся на системном подходе и использовании информационных технологий, методов и средств проектирования параметров структуры и прогнозирования эксплуатационных свойств одинарных основовязаных геополотен, позволяющих моделировать показатели их физико-механических свойств по заправочным данным.

Научная новизна заключается в

^ разработке структурной модели проектирования параметров и прогнозировании эксплуатационных свойств одинарных основовязаных геополотен по заправочным данным в соответствии с областью использования по методологии 8АОТ-ШЕРО;

^ разработке классификации одинарных основовязаных уточных геополотен по структурно-технологическим признакам;

в уточнении геометрических моделей одинарных основовязаных геополотенразличных структур: моноаксиальных, биаксиальных и мультиак-сиальных и разработке математических моделей для проектирования их параметров и прогнозирования эксплуатационных свойств: прочности и водопроницаемости;

S в разработке новых структур геополотен с улучшенными прочностными характеристиками.

S в разработке алгоритмов автоматизированного проектирования параметров структуры переплетений для геополотен с учетом многообразия их видов.

Объектами исследования являются: одинарный основовязаный уточный трикотаж: структура переплетения, заправочные данные; методы проектирования параметров; методы структурообразования и проектирования одинарного основовязаного уточного трикотажа, методы оценки физико-механических его свойств.

Методы и средства исследования. Для решения задач, поставленных в работе, использованы теоретические и экспериментальные методы.

В теоретических исследованиях использованы общенаучные методы системного анализа, алгоритмизации, функционально-модульного подхода в программировании, современные методы IT и CALS- технологий: онтологии знаний, SADT-IDEFO диаграммы, а также методы, характерные для исследований в текстильной технологии: графоаналитические методы проектирования трикотажа, теория структурообразования основовязаных переплетений.

Инструментальные экспериментальные исследования параметров структуры геополотен проводилось с помощью микроскопа, сканера с высокой разрешающей способностью, современных приборов для исследования параметров и свойств текстильных продуктов, включая разрывные машины и установку Инстрон. Обработка результатов экспериментов осуществлялась с помощью методов статистического анализа. Широко использована вычислительная техника и программное обеспечение Microsoft Access, Excel, Visio, BPwin, MathCadl4.

Практическая значимость и реализация результатов работы

Методы и показатели оценки важнейших эксплуатационных свойств геполотен по прочности и проницаемости позволяют существенно сократить объем экспериментальных исследований как при сравнительной оценке при-

годности образцов геополотен для конкретной области применения, так и при проектировании новых видов геополотен, что существенно снижает трудозатраты при оценке пригодности образцов геополотен для конкретной области применения или на проектирование конкурентоспособного геотекстиля.

Результаты работы внедрены в учебный процесс кафедры технологии и проектирования Димитровградского института технологии, управления и дизайна (филиала) Ульяновского государственного технического университета и прошли производственную апробацию в ООО «КТС», что подтверждено соответствующими актами.

В данной диссертационной работе автор защищает:

- результаты исследования уровня производства одинарных основовяза-ных геополотен по используемому оборудованию, сырью и областям применения;

- концепцию прогнозирования эксплуатационных свойств геополотен;

- методику проектирования параметров структуры одинарных основовя-заных полотен по геометрической модели переплетений;

- показатели оценки эксплуатационных свойств геополотен;

- экспресс методику определения водопроницаемости геополотен;

- новые структуры биаксиальных геополотен повышенной прочности;

- алгоритмы и программы, позволяющие ускорить процесс проектирования геополотен и оценку эксплуатационных свойств в заданной области применения;

- информационную базу проектирования и прогнозирования свойств одинарных основовязаных полотен.

Апробация работы. Результаты работы докладывались, обсуждались на следующих конференциях: научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава ДИТУД УлГТУ в 2009-2011 гг. (г. Димит-ровград); Всероссийской научно-технической конференции ТЕХТЕКСТИЛЬ-2010( г. Димитровград);международной научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности»

ТЕКСТИЛЬ (2009-2010) МГТУ им. А.Н.Косыгина (г. Москва); международной конференции «Современные информационные технологии в образовании, науке и промышленности», РосЗИТЛП, 17-19 мая 2011 г.(г. Москва).

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 14 публикациях, в том числе 6 статей, из них 3 в журналах, входящих в "Перечень ВАК...", в описании 1 патента на полезную модель, 2 свидетельствах об официальной регистрации программ для ЭВМ и в 5 сообщениях в сборниках материалов научно-технических конференций.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, заключения, 8 приложений. Работа выполнена на 147 страницах, содержит 50 рисунков, 15 таблиц, 32 формулы. Список использованных источников состоит из 101 наименования.

Личное участие автора в получении изложенных в диссертации результатов. Формулирование цели, выбор задач и методов исследований, обсуждение и обобщение полученных результатов, выявленные закономерности и выводы диссертации принадлежат лично автору.

Проведение экспериментальных исследований, разработка структур геополотен, составление и апробация программных продуктов выполнены автором лично.

1. АНАЛИЗ УРОВНЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ, ПРОИЗВОДСТВА И МЕТОДОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОСНОВОВЯЗАНЫХ ГЕОПОЛОТЕН

Данная работа посвящена разработке научно обоснованных методов проектирования параметров структуры и прогнозирования эксплуатационных свойств одинарных основовязаных геополотен для заданной области применения с учетом заправочным данных. Разработанные методы являются основой при создании программных продуктов, позволяющих эффективно (без больших материальных и трудовых затрат) проводить расчет структурных и физико-механических характеристик, как вновь создаваемых, так и натурных (реальных) образцов геополотен для решения задачи о функциональной пригодности геополотна для конкретной области применения.

К настоящему времени в открытой печати и в других информационных источниках насчитывается и ежегодно в значительной степени пополняется огромное количество разнообразных сведений о геотекстильных материалах (ГТМ),посвященных, в основном, общим вопросам производства и продвижения геотекстиля в различных регионах мира и на российском рынке. Часть их затрагивает вопросы использования вязаного геотекстиля и его отличительные преимущества.

В последние годы появились также работы, направленных на исследование и тестирование различных видов геотекстиля, в том числе на изучение влияния структуры и способа выработки ГТМ на прочностные, водопропускные и другие эксплуатационные свойства. Среди них совсем немного работ, связанных с исследованием взаимосвязи между параметрами вязаного геотекстиля и его эксплуатационными свойствами, и еще меньше работ, посвященных собственно проектированию одинарного основовязаного геотекстиля и прогнозированию его эксплуатационных свойств. Поэтому для анализа доступной информации выделено три основных направления обзора состояния проблемы и постановки задач исследования:

1. Основовязаные геополотна как перспективный вид геотекстиля;

2. Виды и функции вязаного геотекстиля, особенности его получения;

3. Методы исследования взаимосвязи структурных параметров и прогнозирования функциональных свойств основовязаного геотрикотажа.

1.1. Основовязаные геополотна как перспективный вид геотекстиля

Производство технического текстиля за последние 50 лет явилось самой бурно развивающейся отраслью текстильной промышленности. Практически технический текстиль используется во всех отраслях хозяйства и сферах деятельности человека.

По мнению экспертов, чем выше индустриальное развитие страны, тем больше в ней выпускается технического текстиля. Это обусловлено активным потреблением основных отраслей промышленности технического текстиля, который года за годом становится все более функциональным и интеллектуальным [1,2,3].

Анализ рынка технического текстиля, проводимый Э.М. Айзенштейном, показывает постоянный рост ёмкости мирового рынка текстильных поверхностей для технических целей, который в стоимостном выражении составил в 2010г. более 60 миллиардов долларов. Вплоть до 2010 г. происходил рост производства технического текстиля в Европе и Северной Америке (на 3-4% ежегодно) и в странах Азии (до 6% ежегодно). Постоянно росло и мировое потребление технического текстиля и нетканых материалов (НМ): в 2000 г. оно составляло 16,7 млн. т и до 2010 г. ожидался дальнейший рост - до 23,6 млн. т.[4,5].

Перспек