автореферат диссертации по технологии материалов и изделия текстильной и легкой промышленности, 05.19.06, диссертация на тему:Оценка силового взаимодействия стопы и обуви по показателям физико-механических свойств пакетов материалов верха

^$>ШВСК&Я 0РД8НА ТРУДОЕОШ КРАСНОГО ЗРАМЕШ

> госуда'ялвЕШм лиддечия легкой шоишеншсти

О V. ^

На правах рукописи

®ЯП0 Виктория Степановна

ОЦЕНКА СИЛОВОГО ВЗАИШДЕЙСТВИЯ СТОШ И..0НУБИ по ГОКАЗАТЕДЯМ ШШ-В-ШШМЧЕСШХ СВОЙСТВ ПАКЕТОВ МИТЕРИАЛОЗ ВЕРКА

Специальность 05.19.06 - "Технология обувких й

кожезеиао-галантерейшх изделий"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1933

Работа выполнена в !&сповской ордена Трудового Красного Знамени государственной академии легкой промышленности

- доктор технических наук, профессор В.А. Фукин

- кандидат технических наук, доцент В.П. Лыба

- доктор технических наук, профессор K.M. Зурабян, кандидат технических наук . С.Г. Васильев С

- Всероссийский научно-исследовательский институт ""по спортивным илдехиям(ВИСТИ)

Защита состоится "15й декабря 1903 г. в IO.iac. на заседании специализированного совета Д 0S3.32.03 при ШсковскоЯ ордена Трудового Красного Знамени государственной академии легкий промышленности ло адресу: II3806, г. .Москва, ул. Освденко, 33.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке И'ЛДП.

Автореферат разослан "^ " ноября 1993 г. Ученый секретарь

о

специализированного совета Д 053.32.03, кандидат тах-

. нических наук, доцент ' 13.В. Кость-леса

I / У

ул

Научный руководитель Научный консультант Официальные оппоненты

Ведущее предприятие

ОБЩАЯ ХАРЖГЕРИСТЖА РАШШ

Актуальность теш. Переход хозяйственного механизма страны от планового к раночвдму предопределяет поиск новых вариан тов.разработки, со зршенствовашш качества изделий и реализации выпускаемой продукции. Очевидно; что большим спросом до® ш пользоваться те товары, которые по своим функциональным свойствам могут удовлетворять потребителя, что достигается путем выявления первостепенных требований к свойствам изделия, а в конечном итоге - непосредственным совершенствованием само! продукции.

Внимание к потребительским свойствам изделий обувного . производства объясняется изменениями происходящими при ^взаимодействии стопы с пакетом материалов верха обуви, В результате чего у человека возникают определенные психофизические ощущения, которые он оценивает понятиями "впорность", "комфорт", "удобство".

Одним из основных критериев построения комфортной обуви является определение величины, допустимого.давления материалов верха обуви на стопу. Использование информации о силовом взаимодействии стопы и обуви дает возможность проведения работ по проектировании комфортной обуви в. двух направлениях:

1. Создание математических моделей поверхности обувной колодки/ ' -

2. Выбора пакетов материалов верха с оптимальными физико-меха-шческими свойствами.

Анализ работ первого направления позволил згключиаь, что методы графического отображения форм поверхности колодки достигли высокого уровня. Однако, проблема создания комфортной ебуги остается актуальной, так как невозможно дать объектив-

з оценку комфортности обуй и' ¿з-за отсутствия научно-обосно-(ных критериев выбора рациональных пакетов материалов.

До настоящего времени характеристика свойств обувных ш-риалов проводилась ¡на основе их единичных показателей, ко-рые не характеризуют комфортность обуви в целом, таи как

■ "г '» '••.

я дают оценку качестве,материалов верха как таковых, не рас-зтривая при этом явлений, происходящих при нахождении стопы эбуви. Так же, пока не установлены физико-механические по-затели пакетов материалов| которые определяют рациональность дэй конструкции обузи с точки зрения силового взаимодействия рха обуви со стопой. В тоже время исследования, направленные установление допустимости сжатия стопы не позволяют провес-комплексную оценку свойств материалов верха обуви и связать ктсры, влияющие на силовое взаимодействие обуви со стопой.

Следовательно, возникает необходимость разработки как кедов исследования зависимости параметров силового взаимодей-вия стопы от физико-механических свойств обувных пакетов, н и теоретических моделей прогнозирования этих свойств по едельно-допустимым границам силового взаимодействия верха уш и стопы.

Таким образом,- задача создания рациональной обуви, с точ-зрения эргономики, не нашла оптимального варианта решения в настоящее . время остается актуальной.

Цель и задачи исследования. Разработка научно-обоснованггсП тодики оценки силового взаимодействия стопы и обуви по покате лям физико-механических свойств пакетов материалов верха и огнозирования этих свойств по параметрам силового взакмодей-вия стопы и обуви. -

В соответствии с поставленной целью в работе реезятся едующие задачи:

- проведение теоретических исследований напряженно-деформированного состояния верха обуви, для чего обувь представлена в виде анизотропной ободочки; "..

- изучение влияния величины давления верха обуви на стопу в зависимости,от вида матариала верха и подкладки;

-комплексное исследование влияния величины давления верха обуви на стопу от параметров физико-механических свойств п .четов материалов; • ; .

- разработка математической модели силового взаимодействия стопы с верхом обуви; .'■

- разработка методики прогнозирования физико-механических-свойств материалов по оптимальным параметрам силового взаимодействия стопы с обувью; ; ' ; : ■

- разработка математической модели определения параметров силового взаимодействия.стопы с верхом-обуви.

Методу исследования. Исследования по- определению напряженно-деформированного состояния-верха обуви, осуществлены на основе теории анизотропных оболочек. Исследования по определению величины относительной влажности и жесткости пакетов материалов базировались на стандартных методах. Остальные экспериментальные исследования проводились с применением специально разработанных методик и измерительной аппаратуры.

Научная новизна работы состоит в получении соотношения, • определяющего напряженно-деформированное состояние.верха обуви, представленного в виде анизотропной оболочки; создании методию )и.,.!пликсного исследования пакетов материалов; разработке прогнозирующей модели способной определять.свойства пакетов материалов на основе показателей рациональности обуви. Впервые ус-тпноплена регрессионная взаимосвязь между показателями силовогс пгттодоиствия стопы и обуви и показателями, характеризующими

- б -

■пруго-пластические свойства материалов.

Практическая значимость работы состоит в разработке мате-ютических моделей прогнозирования свойств пакетов материалов ¡ерха обуви и методики комплексной оценки рациональности обуви ¡а стадии ее проектирования.

Кроме того, предложенная методика и использование получен-1ых результатов предприятиями, изготавливающими обувь, позволит глучшить эргономические оаойства существующей обуви и сократить эиск выбора нерациональных пакетов на этапе проектирования мо-5елей.

Апробация работы. Основные теоретические и эксперименталь-ме,положения обсуждались и получили положительную оценку на «учно-технических конференциях в г.Шахты (1968г.), г.Хмель-мцкий (1992, 1993г.г.).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, грех глав, выводов, библиографии и приложения. Работа изложена на 122 страницах машинописного текста, иклЬчая 25 рисунков и 5 таблиц . Слисок литературы содержит 117 источников. Приложения тредегаЕлены на 15 страницах.

. - ' СОДЕРЖАНИЕ. РАБОТЫ

Во введения обоснована актуальность теш диссертационной работы,,сформулированы цель и основные задачи исследования.

■ Первая глава посвящена определенно теоретической зависимости давления верха обуви на стопу от его геометрических и силовых параметров.

Известно, что стопа человека в процессе его передвижения выполняет работу, связанную с преодолением не только сил инерции, но и деформационных1 сил материалов обуви. Исходя из этого,

в качестве главного объекта исследования силового взаимодейст вил стош и обуви рассматривался въун ' "г.

Для этого использовалась.теория оболочек, которая позволяет связать геометрические параметры исследуемого объекта с деформационными свойствами материалов, из которого он'изготов лен, и силовыми факторами,, возникающими в объекте. . ; .

При решении поставленной задачи'верх обуви был представь в виде оболочки, поскольку он так же, как и геометрическая 061 лочка имеет тонкостенную конструкцию, которая состоит из комбинации материалов, испытывающих разнообразные воздействия (статические и динамические силовые и тепловые). Учитывая, чт< свойства обувных м гериалов отличаются от изотропных материалов, верх обуви рассматривался как анизотропная ободочка.

В основе теории анизотропных оболочек лежит гипотеза Кирхгофа-Лява, ограничивающая свойства'материалов, из которых изготовлена оболочка. Использование этой гипотезы позволяет свести анализ деформации оболочки к рассмотрении деформации ее срединной поверхности, что в свою очередь упрощает решение трехмерной задачи теории упругости в результате преобразования ее в двухмерную. ' г.'»,".,,.

Для определения деформаций.возникающих в пакета материалов был ввделек в верхе обуви элементарный участок, ограниченный в продольном и в поперечном направлении двумя плоскостями,

В процессе эксплуатации обуви детали верха подвергаются силовому воздействию со стороны стопы. В результате в оболочкг верха возникают внутренние усилия и моменты, уравновешивающие ото внешнее силовое воздействие. Задача определения внутронши силовых факторов сводитс'я к определению равновесия элементарного участка, находящегося под действием внутренних и внешних

В общем случае на элементарный участок оболочки, находя-цейся под внешним давлением . ^ , действуют (рисЛ)

~ внутренние растягивающие продольные и поперечные усилия;

•5/, -- внутренние сдвигающие усилия; "Т/, Тг - внутренние нормальные усилия;

- внутренние изгибающие моменты; Н*, Нг _ внутренние крутящие моменты. Для получения теоретической зависимости, опэшаоащеЯ изменение величины давления от силовых и геометрических г.^рам^-ров оболочки, напряженно-деформироЕ иное состояние (1ЩС) псО-ледней было приведено к безмоментному. Это позволило уцГ1?етк; математические выкладки. °-3

В результате решения систем уравнониЯ, связывающих внутренние усилия деформации и давления, получили зависимость:

2= (1Л) » - Не >

где ^ - коэффициент поперечного йокращения материала;

- от .'осительная деформация злемантарногсРучаст-ка в направлении о~и ОУ (по сути относительная поперечная деформация верха обуви); £ - модуль упругости материала оболочки; £ - толщина оболочки; Я - радиус кривизны оболочки; е - основание натурального логарифма; /2. - составляющая, учитывающая трение сболоч::;: о стопу потребителя; У-е/С - конкретный угол обхвата кривояинеПпого участка относительно угла

г'

Рис.1. Усллил (г ^ и мом да (б), деййтвуодие но элементарный участок верха обуви

Анализ формулы (1.1) показывает, что давление С^ зависит от поперечного усилия л/г величину которого влияет соотношение размеров стопы и внутренней формы обуви) и составляющей Ь , характеризующей распорнуп жесткость верха. Характер распределения да) ения на участках, где Я'Con.it ( fчc0n■st , определяется жесткостью материалов (представленной модулем упругости Е).

Следует отметить, что в уравнении (1.1) параметры ^ и выступают как характеристики процесса деформации оболочки,-а не как характеристики-деформационных свойств материалов, составляющих оболочку,:' 'г

Для установления/брлзе точных законов деформирования в работе изучались изменения свойств материалов с помощью модельных методов. Моделирование свойств материалов позволило в удобной форме охарактеризовать пластические свойства оболочки верха обуви, влияние ползучести к времени деформации на величину самой деформации.

Выполнив математические преобразования, учитывающие релаксационные процессы в материале верха, получили более точное уравнение описывающее зависимость давления от силовых и геометрических параметров оболочки. .

'-¿Ф) (1'2) У \(1 е, ),

где Т - время окончания деформирования;.

К - коэффициент вязкости или коэффициент внутрен- • него сопротивления скорости'деформации. Таким образом, установленная зависимость позволила теоретически определить наиболее значите показатели, влияющие нч величину силового взаимодействия стопы ц верха обуви. А именно,

на величину давления ока. ;вают влияние деформационные свойства материала, его толщина, влажность и жесткость.

Втор я глава работы посвящена рассмотрению современного направления изучения вопроса рациональности обувной конструкции и проанализированы этапы его решения. Для этого бил проседей литературшй обзор исследований упруго-пластических свойств материклов, микроклимата внутриобувного пространства и силового взаимодействия стопы с верхом обуви.

Наличие тесной взаимосвязи межд^. физико-механическими свойствами пакетов материалов и величиной давления их йа стопу позволило аналитически выявить факторы, влиякщие на рациональность верха обуви, что явилось подтверждением теоретических выкладок, .редставяоншх в первой главе. =

Несмотря ка это, работ по определению величины давления от таких параметров как толщина пакета материала, его деформационных свойств, влажности, жесткости не-обнаружено, нами предложена методика проведения таких исследований. - . . „ ' Исследования проводились" с поыощье) приспособленки, позволяющего фиксировать изменение величины давленая с^ обувных пакетов на имитатор стопы и величину их относительного удлинения 6 (рис.2).

С ислъя комплексной оценки силового взаимодействия стопы ч обуси по показателям физико-механических свойств пакетов к;а-^орчплов верха, в эксперименте учитывалось.влияние относительной вла>:,.ност11 {V системы материалов. Также стандартным методом определяли величину жесткости пакетов материалов.

Характер изменения величины давления, создаваемого при приложении нагрузки к имитатору стопы, позволил определить оп~ т!С£.лиме обувные пакеты, в тактае выявить допустимые границы гтого давления. Полученные результаты хорошо согласуются с

Рис. 2 Схема приспособления идатирущая силовое

взаимодействие пакетов материалоь со стопой

- ^огмект пучковой части колодки;

.О

- поролоновая прокладка;

- образец пакета каториалов;

- датчики давления;

- скоба, удерж пающая сагмьлт колодки;

- золимы; '

- итанга;-'

- ролики.

имеющимися в литературе данными. Сопоставление полученных пределов давления с ранее рекомендуемыми указывают на адекватность результатов измерений. Поэтому установленные нормы могут слу-' жить крисзрием для выбора рационального обувного пакета., В третьей главе разработана методика прогнозирования свойств материалов верха комфортной обуви. Предложенная методика позволяет провести оценку рациональности обувных пакетов по их исходным фмзико-механическим свойствам. ■

По результатам исследований были получены уравнения зависимости величины давления от относительного удлинения, относительной влажности и жесткости пакетов материалов верха обуви.

ДлО этого, после статистической обработки результатов эксперимента была рассмотрена корреляционная связь между величиной давления и выше названными факторами. Показано, что .

О "

значение величины давления существенно зависит от относительного удлинения, и относительной влажности пакетов материалов*и носит обоатно пропорциональный характер."Зависимость величины ^давленш. от жесткости пакета материала имеет прямопропорцио-нальную зависимость. Следует отметать, что;толщина обувного пакета 'мйеет слабую котзреляшонную связь с величиной давления. .

о о ' ,

Это дает основание утверждатьчто она не оказывает существенного влияния на ге.чкчину давления.' — о ■ , ■ Оснозываясь на результатах эксперимента, на данные предва-

рйтольно провоженных исследований, на объективную оценку комфортности обуви с точки зрения носчиков,«- оп?.щалькым , в нашей работе, был выбран обу~::й:Г' пакет "выросток + трикотажно-дубли-рованное полотно" ( ^ = 17 КПа). Очевидно, 'Пакети материалоь, окаБызающие на стопу давление близкое к сптимальномуч.удут. считаться ксС.фсртными.'Этот факт позволил для дальнейших .'исследований выбрать 9 пакетов, значения давления которых та выходят

за граница Допустимых пределов.

Для подтверждения предположения, об оптимальности пакетов по величине давления, были разработаны математические модели зависимости давления от реальных факторов, с учетом их нулевых уровней ( 8е \М>, ) и шагов варьирования л л &).

В результате получены уравнения оптимизации давления верха обуви на стопу по значениям относительного удлинения . относительной влажности V/ , и жесткости разллчнкх пакетов материалов верха. Общий вид уравнения:

о

Полученные зависимости позволяют осуществить оценку комфортности обуви по исходным физико-мехчническим свойства^ материалов. •

Установленные в работе математические модели имеют не только теоретическое значение, но и практический интерес. Они могут быть использованы для прогнозирования отдельных параметров, влияющих на величину давления. Причем эти параметры должны быть заданы до изготовления кожевенных и текстильных материалов - по показателям нормального функционирование с (•опы и 17 КПа, IV- 7(Ю.

С целью определения оптимального показателя жесткости пакета материалов верха полученное уравнение преобразовали относительно & , и определили о гпмалыше границы изменен»О с?, .

Для нормального функционирования стопы материал е рха обу-ьи должен приформовыватьс}| к стопе, имея при этом способность игменять свои размеры в пределах л?ух полуполнот (в большую и меньшую сторону). Из э того следует, что обуви должен об а-

дать запасом ползучести (при нагрузке 20 Н) не менее:

^ГГ - 3.. '

Учить ;ая реологический характер д-формаций обувных мате-ристов, это значение увеличили вдвое: ¿осТ« 6,5%. Таким остаточным удлинением должен обладать верх .обуви после формования на колодке. Принимая во внимание тот факт, что,перед испытаниями образцн, "формовались" до остаточной деформации 1(й, можно утверждать, что исходные пакета материалов должны' обладать запасом остаточного удлинения 16,5%. Однако, учитывая, что на практике используется показатель ¿л, - удлинение; стандарт-ногсСЪбразца при напряжении 10 МПа, а рассчет оптимального значения остаточной деформации проводился с учетом приложенной к сЗразцу нагрузки 20 Н, то -з работе установлена регрессионная

ест

зависимость мевдг С/*>ск • '

хееГ 4 . ' -

и = ол . ; '

При помощи данной ависимости были получены граничные

£ ' - ' -Р

( С/о = 4,46"*. 1С.'-".; ; и оптимальные ( С„. » 9,2%) значо!г-я относительного удлинения'для стгшдау.ного образца.

Зная оптимальные и допустимые значения величины давления, относительной в..аии0с1и и относит^-ч>ного ; -гяинения были 'определены огтыалькие (/ ,2 гс) и допустимые (£- 6,28* 89 гс) а:.ачок;'.л ;;.осткости ;;а::стов материалов. - '

обрв-ои, используя обширный экспериментальный мате-;,:ея и vit.os.vab расчеты, согласно выше описанной методике, в га бэте предлагаются' значения оптимальных ( - 17,4 КПа, IV = 7С"*', £ = 3,2*, 57,г гс; к допустимых (^ » 7 * 34 КПа,

W = 60 90SÍ, <£« 4,46 * 18,335, £=«8,28 89 гс) параметров, которыми должен обладать ¡.акет материалов для верха обуви, создавая комфортные условия функционирования стопы.

Итак, предложенная в данной глава методика оценки комфортности обуви по физико-механическим свойствам обувных па'-той, состоит из следующих этапов:

- определение физико-механических показателей заданного пакета, исходя из гостируеиых показателей жесткости и относительного удлинения кожи; .

- определение величины давления заданного обувного пакета на стопу» используя для этого уравнения оптимизации. Полученные значения давления сравниваются с допустимыми пределами и, в случае соответствия, может быть сделан вывод об оптимальности данного пакета;

- проведение проверки правильности выбора оптимального ракета по показателям G и С . '!

В результате, сопоставляя значения параметров пакетсв материалов (предлагаемых для изготовления обувной конструкции) с

i.

рекомендуемыми оптимальными значениями, может быть сделан вывод о пригодности образца для той или иной конструкции'.'

Следовательно, разработанная методика позволяет заднее, на стадии проектирования, по комплексу показателей сделать вывод о рациональности обувной конструкции, а также дает возможность повысить комфортность обуви двумя путями:

1. Подбор пакетоь материалов с последующей оценкой-его комфортности на основе физико-механи .еских показателе". •

2. Расчет показателей деформационных свойств материалов для конкретных конструкций.

вывода

I. Тенденции современного развития проектировагшя обуви предопределяет необходимость разработки научно-обоснованной методики оценки комфортности обуви по показателям физико-механи-чоских свойств пакетов материалов верха обуви. :

2 Анализ механизма взаимодействия стопы и обуви позволил представить верх обуви в виде анизотропной оболочки. На основе безмоментной теории оболочек установлена зависимость силового взаимодействия стопы и обуви, учитывающая геометрические и силовые параметры оболочки, а также упруго-пластические свойства составляющих ее материалов:

? Ие-п<*^> ( Г ) -

3. Выбраны направления экспериментальных исследований физико-механических свойств материалов верха обуви, методы и этапы их осуществления..

4. Разработана аппаратура для комплексного исследования влияния фкзико-механическнх свойств материалов верха обуви на величину давления его на стопу и методика проведения эксперимента.

5. Обоснован выбор пакатсз материалов для проведения котле и- . сных наследований их физи,.о-механических свойств на величину силового взаимодействия стопы и обуви. _ .

6. Установлены регрессионные зависимости давления верха обуви на стопу единичных показателей физико-механических свойств различных пакетов материалов:

- О, т ¿?£ - относительного, удлинения; ^ . ¿г г $- относительной влажности; о = * $ £ - жесткости.

7. Разработаны математические модели влияния физико-механических свойств материалов на силовое взаимодействие стопы и верха обуви вида:

8. Предложена методика оценки комфортности обуви по показателям физико-механических свойств обувных пакетов (относительного удлинения, относительной влажности, жесткости).

9. Разработана методика прогнозирования свойств материалов вер-

показало, что использование ее в системе конструкторско-технологической-подготовки производства обуви обеспечивает социальный и экономический эффект.

1. Ребрик В.Е., Фияло B.C. Проектирование оптимальных пакетов

" "в "зависимости.от свойств материала подкладки и величины давления верха обуви на стопу. Кн. "Совершенствование методов моделирования и конструирования .вбуви, изготовляемой по инд. заказам населения" //Тез.докл.Всесоюзной научно-технической конференции. -Шахты, 1968.

2. Лыба В Л1., Фияло В \, Ребрик В.Е. Исследование влияния

-вида'материала вгрха на величину давления его на стопу. Сб. о

научн. трудов "Конструирование и технология изделий из кожи". - М.: ЩИИТЭИлегпром, 1990.

3. Лыба В.П., Фияло B.C. Расчет деформации верха обуви ча основе теории оболочек. Кн. "Качество и надежность узлов тр'- 'ия" //Тез. докл, научно-технической конференции. -Хмельницкий,

ха комфортной обуви, производственное опробование которой

ОПУБЛИКОВАННЫЕ РАБОТЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1992.

4. &ияло B.C., Фукин В.А., Лыба В.П. Исследование влияния физика -механических свойств пакетов материалов верха обуви на его комфортность. -Сб.науч.тр. "Качество и конкурентная спо-соб;.ость товаров народного потребления". -Хмельницкий, 1993.

5. Шияло B.C., Зукга В.А., ¿'ихарев А.П , Лыба В.П. Выбор материала верха по показателям взаимодействия стопы и обуви. Кояевенно-обушая проы-сть, К 7, ISS3.

Ротапринт «ГАЛЛ Заяаз i' 564. Тирах - 80 зкз.