автореферат диссертации по технологии материалов и изделия текстильной и легкой промышленности, 05.19.02, диссертация на тему:Проектирование структур, свойств и технологии металлических основовязаных сетеполотен для гибких отражательных поверхностей антенн



На правах рукописи

/

КОТОВИЧ ОЛЬГА СЕРГЕЕВНА

ПРОЕКТИРОВАНИЕ СТРУКТУР, СВОЙСТВ И ТЕХНОЛОГИИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ОСНОВОВЯЗАНЫХ СЕТЕПОЛОТЕН ДЛЯ ГИБКИХ ОТРАЖАТЕЛЬНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ АНТЕНН

Специальность: 05.19.02 Технология и первичная обработка текстильных материалов и сырья

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г#

Москва - 2008

003456345

Работа выполнена на кафедре технологии трикотажного производства Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Московский государственный текстильный университет имени А.Н. Косыгина".

Научный руководитель

доктор технических наук Заваруев Владимир Андреевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Юхин Сергей Семенович,

кандидат технических наук Наумов Сергей Николаевич

Ведущая организация: Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Российский заочный институт текстильной и легкой промышленности».

Защита состоится 2008 г. в /О ~ часов на заседании

диссертационного совета Д212.139.02 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Московский государственный текстильный университет имени А.Н. Косыгина" по адресу: 119071, г. Москва, ул. М. Калужская, д. 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования "Московский государственный текстильный университет имени А.Н. Косыгина".

Автореферат разослан «М? » /¿ОЛд/ЪЯ- 2008 г.

диссертационного совета

Ученый секретарь

д.т.н., профессор Ю.С. Шустов

АННОТАЦИЯ

Данная работа посвящена проектированию структур, свойств и технологии металлических основовязаных сетеполотен для гибких отражательных поверхностей антенн. Проведен анализ работ по зависимости деформационных свойств трикотажных полотен от структуры трикотажа и анализ основных моделей петель трикотажа. Описаны основные методы исследования физико - механических и электрических характеристик метаплотрикотажных одинарных основовязаных одно- и двухгребеночных переплетений при двумерной деформации. Проведено исследование механических и электрофизических свойств различных вариантов одно- и двухгребеночных переплетений, сочетающих главные и производные трико, сукно, шарме, выработанные открытыми и закрытыми петлями и их комбинацией со встречными и параллельными сдвигами ушковых гребенок. Получены зависимости относительного удлинения, жесткости, плотности петель и электрического сопротивления металлотрикотажных сетеполотен от нагрузки при двумерной деформации, проведен анализ этих зависимостей. На базе анализа этих зависимостей выбраны структуры, наиболее полно удовлетворяющие требованиям к механическим свойствам отражающей поверхности, разработаны технологические режимы и выработаны экспериментальные образцы. Теоретически рассчитаны упругие постоянные сетеполотна переплетения атлас - атлас. На основе нелинейной теории упругости тонких стержней проведен расчет деформационных свойств одно- и двухгребеночных сетеполотен трико с открытыми и закрытыми петлями.

АВТОР ЗАЩИЩАЕТ:

1 .Эксперименальные результаты физико - механических и электрофизических свойств металлотрикотажных сетеполотен, выработанных из стальных и вольфрамовых микропроволок 015-50 мкм.

2.Сравнительный анализ структур металлотрикотажных основовязаных сетеполотен на базе одно- и двухгребеночных переплетений, выработанных открытыми и закрытыми петлями.

3.Метод расчета упругих постоянных металлотрикотажного сетеполотна филейного переплетения атлас - атлас.

4.Метод расчета деформационных свойств основовязаных одногребе-ночных переплетений типа трико и двухгребеночных переплетений трико -трико с закрытыми и открытыми петлями с учетом пластических свойств материала.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Создание крупногабаритных параболических трансформируемых космических антенн диаметром от 5 до 20 метров и более потребовало создания эластичных радиоотражающих поверхностей с высоким коэффициентом отражения, минимальной поверхностной плотностью,

минимальным усилием растяжения, высокой стабильностью физико-механических и радиоотражающих характеристик при длительном сроке эксплуатации.

Одной из наиболее важных характеристик, определяющих механические свойства материала отражающей поверхности, является его жесткость при растяжении. Чем меньше этот показатель, тем меньшее усилие требуется элементам конструкции для раскрытия каркаса рефлектора, а это приводит к уменьшению весовых показателей антенны, а также позволяет повысить точность отражающей поверхности.

Тенденции развития космических антенн сводятся к увеличению диаметра зеркала и частоты электромагнитных волн до 30-40 ГГц. Такая частоту требует определенной структурной геометрии сетеполотен, в частности, уменьшения размера стороны ячейки до 0,2 мм. Для создания материала с показателями поверхностной плотности 40-60 г/м2 для 30 ГГц при усилии растяжения от 5 до 12 г/см необходимо использовать микропроволоку диаметром 11 + 15 мкм.

В целях улучшения физико-механических характеристик металлотри-котажных сетеполотен в части уменьшения их жесткости при растяжении необходимо: установить влияние элементов петельной структуры в двухгребе-ночных основовязаных структурах на их сопротивление растягивающим усилиям при одно- и двухмерном нагружении в плоскости материала; определить структуры металлического трикотажа с наименьшей жесткостью с их последующими рекомендациями к практическому использованию в качестве отражающей поверхности трансформируемых космических антенн; установить влияние типов петель на деформационные свойства металлотрикотажных сетеполотен двухгребеночных переплетений. < Цель работы и задачи исследования. Основная цель работы — повышение эффективности металлотрикотажных сетеполотен в части уменьшения их жесткости путем установления влияния типов петель в структуре двухгребеночных переплетений на деформационные свойства материала. Для достижения данной цели в работе проведены следующие исследования:

1.Экспериментально проведено исследование образцов металлотрикотажных сетеполотен одинарных основовязаных одно- и двухгребеночных переплетений с целью установления влияния типов петель (открытые и закрытые) на деформационные свойства при двумерном нагружении, в частности:

а) Исследованы деформационные свойства металлотрикотажных сетеполотен из вольфрамовых и стальных микропроволок в одно - три сложения при диаметре микропроволок 15,20, 50 мкм.

б) Обработаны экспериментальные результаты по программе С8ТК для расчета показателя жесткости и анизотропии сетеполотен при двумерной деформации.

в) Установлено влияния элементов структуры двухгребеночных переплетений на эластичность металлотрикотажных сетеполотен.

г) Исследовано механическое взаимодействие микропроволок в структурах металлотрикотажных сетеполотен посредством установления зависимости электрического сопротивления сетеполотна от нагрузки.

2.С использованием плоской нелинейной теории упругости проведены расчеты относительной деформации одинарных металлотрикотажных осно-вовязаных сетеполотен на основе одно- и двухгребеночных переплетений: Т0; Т3; То - То; Тз -Тз, для чего разработаны программы на основе математических пакетов МаШсаё и МаиаЬ.

3. Экспериментально исследованы деформационные свойства металло-трикотажного основязаного сетеполотна филейного переплетения атлас - атлас с закрытыми петлями и теоретически рассчитаны значения упругих постоянных этого сетеполотна.

Методы и средства исследования. Поставленные в работе задачи решались экспериментальными и теоретическими методами. При проведении экспериментальных исследований были использованы метод, создающий двумерную деформацию образца, метод измерения электрического сопротивления сетеполотен при двумерной деформации, метод получения микрофотографий двумерно деформированного образца, метод компьютерного анализа микрофотографий с помощью программы "Диаморф". При проведении теоретических исследований в работе использованы методы дифференциального и интегрального исчислений, сопротивления материалов и нелинейной теории упругости, методы геометрического моделирования структур трикотажа, а также методы структурообразования трикотажа, методы статистической обработки результатов. Основные теоретические положения, полученные в диссертационной работе, проверялись экспериментально на лабораторном и производственном оборудовании с использованием современной измерительной аппаратуры. Расчеты выполнялись на ЭВМ с использованием специально разработанных нами программ на основе математических пакетов МаАсас! и Ма^аЬ.

Научная новизна. Впервые показано, что сетеполотна с открытыми и закрытыми петлями обладают отличающимися механическими свойствами как при одномерной, так и двухмерной деформации растяжения;

- впервые проведено систематическое исследование целого ряда сетеполотен с открытыми и закрытыми петлями, полученными из микропроволок разного диаметра, разного материала, с разным количеством сложений;

- впервые использована программа для математического описания зависимости между относительной деформацией образца и деформирующим усилием, основанная на работах проф. А.Н. Соловьева;

- разработаны программы на основе математических пакетов Matlab и Mathcad для расчета деформационных свойств металлотрикотажнызх сетепо-лотен;

- на основе разработанных программ проведены расчеты деформационных свойств одногребеночных и двухгребеночных сетеполотен из стальных микропроволок диаметром 50 мкм (То, Тз, Т0-Т<), Т3-Т3);

- впервые исследованы физико - механические и электрофизические свойства металлотрикотажного двухгребеночного филейного переплетения атлас - атлас, выработанного из стальной микропроволоки диаметром 15 мкм

- впервые теоретически рассчитаны упругие постоянные металлотрико-тажных сетеполотен двухгребеночного филейного переплетения атлас - атлас.

Практическая значимость работы. Результаты, полученные в работе, позволили разработать материалы с улучшенными физико-механическими свойствами для отражательной поверхности многофункциональной космической системы ретрансляции (МКСР) «Луч» на базе космических аппаратов-ретрансляторов «Луч-5А» и «Луч-5Б», разрабатываемых ОАО «ИСС» имени академика М.Ф. Решетнева по Федеральной Космической программе России на 2006-2015 годы.

Проведенные в работе теоретические и экспериментальные исследования позволили установить влияние типов петель на деформационные характеристики материала и разработать структуры двухгребеночных основовяза-ных структур с улучшенными деформационными характеристиками при сохранении таких показателей как размер ячеек и удельная масса сетеполотна. Апробация работы. По материалам диссертации опубликованы 6 статей и 7 тезисов докладов на научных конференциях. Результаты работы докладывались на конференциях «Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности», Иваново, 2005 г.; на Всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи «HTTM-20Q6», ВВЦ, М., 2006; на международной научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (Текстиль - 2006), МГТУ, М., 2006; на международной научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (Текстиль -2007), МГТУ, М., 2007; на Международной конференции «Решетневские чтения-2007», ФГУП НПО прикладной механики им. академика М.Ф. Решетнева, г. Железногорск, 2007; на международной научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (Текстиль - 2008), с. 102, МГТУ, М., 2008.

Структура работы. Диссертация состоит из 5 глав: первая глава — литературный обзор, в четырех последующих главах изложены результаты экспериментальных и теоретических исследований, выполненных автором, и их

обсуждение. Объем работы составляет 166 страниц, включает 144 рисунка и 3 таблицы. Список литературы включает 67 источников.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность разрабатываемой проблемы, поставлена цель и сформированы задачи, изложены основные результаты диссертации, их научная и практическая значимость, приведены основные положения, выносимые автором на защиту.

В первой главе проведен аналитический обзор литературы, показавший, что сопоставления физико - механических свойств сетеполотен с разной формой петель не производилось, не производилось и теоретического рассмотрения двумерной деформации структур более сложных, чем кулирный трикотаж, и даже в этом случае не учитывалась возможность пластической деформации нитей при изготовлении трикотажа. Здесь же поставлены цель, задачи исследований и показано, что запланированная работа является актуальной, обладает новизной, научной и практической значимостью.

Во второй главе рассмотрены основные методы и установки, использованные в работе для исследования сетеполотен при их двумерной деформации; изложено содержание математической программы, основанной на методе наименьших квадратов, с помощью которой определялся текущий модуль жесткости образца и его анизотропия по механическим свойствам; описан программный комплекс "Диаморф" и его основные возможности; описан метод измерения электрического сопротивления деформированных металлических сетеполотен.

Третья глава посвящена систематическому экспериментальному исследованию одно гребеночных и двухгребеночных сетеполотен. В таблице 1 представлены обобщенные данные результатов исследований образцов ме-таллотрикотажных сетеполотен, выработанных на базе одинарного основовя-заного трикотажа одно- и двухгребеночных переплетений трико, сукно, шарме и комбинации этих переплетений, выработанных открытыми и закрытыми петлями и их сочетанием при встречных сдвигах ушковых гребенок.

Таблица 1.

В графе "Плотность": плотность петель в недеформировашшм образце/

№ Перепле- Плотность е,/б„

тения Пв Пг ег,% Е.,%

1 2 3 4 5 6 7

1 То 320/280 85/80 33 33 1,0

2 Тз 320/274 85/76 27 25 1,08

3 То-То 148/129 76/69 21 18 1,16

4 Тз-Тз 125/112 90/73 18 10 1,8

5 То-Тз 175/166 90/86 17 11 1,54

6 Со-Со 120/109 86/86 13 10 1.3

1 2 3 4 5 6 7

7 Сз-Сз 119/102 96/98 8 2 4,0

8 Со-Сз 145/134 120/108 8 6 1,33

9 Сз-Тз 128/128 120/110 10 4 2,5

10 Со-То 168/144 100/96 11 9 1,22

11 Со-Тз 150/140 105/100 8 10 0,8

12 Шз-То 150/126 102/98 13 16 0,81

13 Шо-То 160/152 110/98 12 8 1,5

14 Шо-Тз 158/126 129/116 6,5 6,5 1,0

15 Шз-То 103/126 111/92 4 И 0,36

16 Illo-Сз 130/123 130/119 9 7 1,29

17 Шз-Со 130/127 140/123 8 6 1,33

18 Шз-Сз 116/111 125/111 8,5 7 1,21

Анализ графических зависимостей и данных таблицы 1 позволил сделать следующие выводы:

1. Из сравнения диаграмм растяжения То и Тз для сетеполотен из вольфрамовой микропроволоки 015 мкм х 2 установлено, что переплетение трико, выполненное открытыми петлями, обладает лучшими деформационные характеристиками как по горизонтали, так и по вертикали.

2. Установлено, что для То и Тз электрическое сопротивление по горизонтали меняется практически одинаково в обоих структурах. Следовательно, и контактные усилия и контактные сопротивления в обеих структурах практически одинаковы.

3. Анализ изменения плотности петель при двумерной деформации образцов сетеполотна То-То с текстильной оболочкой и без нее показывает, что плотность петель по вертикали Пв для образца с оболочкой при увеличении нагрузки изменяется в пределах 4%, тогда как этот же показатель для чистого металлического образца меняется в сторону уменьшения на 20%. Плотность петель по горизонтали Пг для образца с текстильной оболочкой уменьшается на 9,5%, а для чисто металлического образца - на 26%.

4. Установлено, что для образца То-То с оболочкой жесткость при растяжении по вертикали превосходит аналогичный показатель для чистометал-лического полотна многократно, например, по вертикали более чем в 120 раз при 5% деформации, а по горизонтали примерно в 20 раз.

5. Сравнение жесткости То-То и Тз-Тз по горизонтали: жесткость То-То -120 сН/см (при 40% деформации), а жесткость Тз-Тз 280 сН/см. Жесткость по вертикали при деформации для То-То 75 сН/см, а для Тз-Тз - 500 сН/см.

6. Сравнение диаграмм растяжения То-То и Тз-Тз показывает, что при наличии оболочки эластичность по горизонтали почти одинакова, а по вертикали существенно выше у То-То. Удаление оболочки уменьшает жесткость сетеполотна в несколько десятков раз. Эластичность в обоих направлениях у То-То без оболочки выше, чем у Тз-Тз, при этом в обоих направлениях эластичность по горизонтали выше, чем по вертикали.

7. Эластичность То-Тз по горизонтали и вертикали в обоих направлениях находится в промежутке между эластичностью То-То и Тз-Тз, но ближе к эластичности Тз-Тз.

8. Сравнивая диаграммы растяжения Со-Со и То-То можно видеть, что у этих структур почти одинаковая деформируемость по вертикали, а по горизонтали у Со-Со она существенно меньше, чем у То-То.

9. Сравнение диаграмм растяжения Сз-Сз, Со-Со и Тз-Тз показывает, что эластичность Сз-Сз в обоих направлениях ниже, чем у Сз-Сз и Тз-Тз. Эластичность Сз-Сз по горизонтали больше, чем по вертикали.

10. Сравнение деформационных кривых Сз-Тз, и Тз-Тз м Сз-Сз показывает, что эластичность в обоих направлениях у Сз-Тз хуже, чем у Тз-Тз и почти одинакова с эластичностью Сз-Сз.

11. Сравнение диаграмм растяжения Со-То с диаграммами растяжения То-То и Со-Со показывает, что эластичность Со-То значительно меньше эластичности То-То и почти не отличается от эластичности Со-Со.

12. Эластичность Со-Тз в обоих направлениях выше эластичности Сз-Тз, а по горизонтали ниже эластичности Со-То. По вертикали эластичность Со-Тз одинакова с эластичностью Со-То. Эластичность Со-Тз по горизонтали выше, чем по вертикали.

13. Эластичность Шз-Шо при двумерной деформации практически одинакова в обоих направлениях.

14. В структурах сочетания шарме-трико наибольшей эластичностью по горизонтали обладает образец Шо-То.

15. В группах переплетений Ш-С с комбинацией открытых и закрытых петель наблюдается примерное равенство значений деформаций по горизонтали и по вертикали при коэффициенте анизотропии 1,21-1,33.

16. Анализ деформационных свойств двухгребеночных переплетений, представляющих комбинацию трико, сукно, шарме, выработанных сочетанием открытых и закрытых петель, показывает, что наибольшими деформациями при двухосном растяжении обладают сетеполотна, структура которых образована полностью открытыми петлями: То-То, Со-Со, Со-То, Шо-То.

17. Исследование Тз-Тз и То-То с помощью программного комплекса "Диаморф" показало, что То-То обладают меньшей средней площадью ячеек и меньшим их средним размером, чем Тз-Тз. Это помимо более лучших механических свойств делает их и с радиофизической точки зрения более предпочтительными.

Четвертая глава посвящена описанию результатов теоретических расчетов двумерной деформации одногребеночного металлического трикотажа трико открытое, трико закрытое, двухгребеночного трикотажа трико открытое - трико открытое встречное и трико закрытое - трико закрытое встречное. Эти расчеты производились по разработанным нами программам, основанным на нелинейной теории упругости тонких стержней.

Расчеты базируются на идее представления трикотажа в виде двумерной плоской решетки, элементарной составляющей которой является рапорт ячеек. Относительная деформация рапорта и относительная деформация об-

разца одинаковы. Однако расчет деформации рапорта является очень сложной задачей, так как в него входит много различных элементов. Поэтому при расчете относительной деформации трикотажа мы пошли по другому пути. В любом трикотаже можно выделить сравнительно простой повторяющийся элемент петли, деформация которого должна соответствовать деформации всего образца. Примеры таких элементов будут приведены ниже.

Далее показано, что микропроволока в металлическом трикотаже после его изготовления пластически деформирована, причем ни форма, ни размер петель практически не меняются при освобождении микропроволоки от взаимодействия с другими микропроволоками. Анализ микрофотографий металлического трикотажа показал, что многие элементы петель нерастянутогр трикотажа можно аппроксимировать сочетанием частей окружностей различного радиуса или сочетанием частей окружностей разного радиуса и прямых линий. Кроме того, анализ также показал, что точки приложения сил к повторяющимся элементам петель при двумерной деформации практически не перемещаются вдоль элементов. Следовательно, можно полагать, что силы при двумерной деформации приложены к одним и тем же точкам рассматриваемого элемента. Предположено, что на рассматриваемый элемент (сокращенно - упругую линию) не действуют распределенные, а действуют только сосредоточенные силы.

Рассмотрим упругую линию, полученную в результате того, что микропроволока произвольной начальной кривизны (например, пластически деформированная) нагружена некоторым конечном числом сосредоточенных сил и внешних моментов. Упругую линию в этом общем случае всегда можно разделить на участки так, чтобы сосредоточенные силы ^ и и внешние изгибающие моменты Л/о, М\ были приложены только по концам 0 и 1

(рис.1) рассматриваемого участка упру-^ 1 ^ гой линии (они взяты с учетом действия

отрезанных частей стержня на участок 01). Если на участке 0-1 отсутствуют распределенные силы, то из условия равновесия участка имеем ^0+^=0 или /г0=-/'|. Условимся направление силы приложенной в начальной точке рассматриваемого участка 0-1 упругой линии, считать основным направлением. Введем угол 5, отсчитываемый против часовой стрелки от направления силы Рц к оси X Рис. 1 (или по часовой стрелке от оси X к на-

правлению силы (т.е. угол наклона оси X к вектору силы Начальную кривизну стержня (микропроволоки) (кривизна - величина, обратная радиусу кривизны Л) будем считать переменной по длине 5" (величина 5 - это расстояние от начальной точки 0 до рассматриваемой точки С).

Основным уравнением в нелинейной теории упругости таких тонких стержней является следующее дифференциальное уравнение второго порядка:

с^е/Л2 - /0о/Л2 = -(/Ш)зш(0+б)

Здесь 0 и 0о - углы наклона касательной к упругой линии в произвольной точке С к оси ОХ в деформированном и недеформированном состояниях рассматриваемого участка микропроволоки, 5 - длина упругой линии от ее начала до точки С, ^ - величина силы, действующей на концы выделенного участка, Н - жесткость микропроволоки при изгибе. В качестве исходной модели использовалась плоская геометрическая модель, состоящая из чередующихся частей окружностей разного радиуса и отрезков прямых линий. Такая модель наиболее универсальна и может описать практически любую структуру трикотажа. Конкретные параметры этой модели определяются из микрофотографий недеформированного образца. Учитывается также, что из-за пластических деформаций при изготовлении трикотажа микропроволока в свободном состоянии имеет форму не прямой линии, а изогнута в соответствии с принятой моделью.

Для решения вышеприведенного уравнения необходимо задать два граничных условия, например, значения углов 0 в начальной и конечной точках участка или значение угла 0 в начальной точке участка и значение производной ¿д/Лз в конечной точке участка (она равна обратному радиусу кривизны микропроволоки в конечной точке) и т.п.

Обычно повторяющийся элемент состоит из нескольких различных участков. Вышеприведенное дифференциальное уравнение упругой линии составляется для каждого участка, затем записываются условия связи на стыках этих участков, что дает необходимое и достаточное число уравнений для решения задачи, т.е. находится зависимость угла 0 от 5. Затем, учитывая, что ск=со5&-сЬ, а по формулам

Я 3

х- |со$М<;;>'= ^¡пМэ

о о

определяются координаты произвольной точки С, а, следовательно, определяется форма повторяющегося элемента упругой линии (микропроволоки) и координаты Хк, Ук его конца. Затем рассчитывается относительное удлинение этого элемента по горизонтали ег и по вертикали ев: ег=(Хк-Хц)/Хо, са=(Ук-УоУ¥о- Здесь Х0, - координата конца повторяющегося элемента до начала деформации образца. При этих расчетах полагаем, что начало повторяющегося элемента находится в начале координат.

Разработанные программы могут быть использованы двояко. 1. Если удается определить величины сил, действующих на микропроволоку в сете-полотне, то оцениваются деформационные свойства рассматриваемого трикотажа - прямая задача. 2. Если величину этих сил определить не удается, то, основываясь на деформационных свойствах рассматриваемого трикотажа, решается обратная задача - оценивается величина и направление сил, дейст-

вующих на микропроволоку в трикотаже. Обратную задачу можно использовать и для оценки контактных усилий, действующих между элементами петель в недеформировзнном трикотаже после его изготовления.

В диссертации проиллюстрировано двоякое применение разработанных программ на примерах одногребеночного трико: прямой - на примере трико с открытыми петлями, обратной - на примере трико с закрытыми петлями. После определения величины и направления сил, действующих на элементы петли в трико с закрытыми петлями, был произведен расчет относительной деформации образца. Результаты расчетов приведены на рис.2а (трико с открытыми петлями), рис.2б - трико с закрытыми петлями. Точками представлены экспериментальные данные, сплошными линиями на рис.2а ^ результаты расчета. Эксперимент и расчет в данных случаях и в случаях, описанных ниже, проводились для трикотажа, изготовленного из стальных микропроволок 050 мкм.

На рис.2б линиями 1,2 представлены сглаженные экспериментальные данные, а линиями \\2\ - результаты расчета. Видим, что наблюдается хо-

Рис.З

. так и в деформированном трикотаже.

Рис.2

Разработанные программы позволяют также определить форму повторяющегося элемента. На рис.3 в качестве примера представлена форма повторяющегося элемента в одногре-беночном трико с открытыми петлями, кривая 1 - форма элемента до деформации, 2 - после деформации. Используя тот факт, что этот элемент повторяющийся, можно последовательным наложением таких элементов построить столбик как в недеформированном,

С помощью этих программ проводился также расчет деформационных свойств основовязаного трикотажа То-То встречное и Тз-Тз встречное. Ре-

Анализируя графики на рис.4а,б, можно видеть, что оценочные расчеты не слишком отличаются от экспериментальных данных. Это указывает на то, что принципы, положенные в основу расчетов в обоих случаях, в основном, справедливы. При этом деформация по вертикали в обоих образцах примерно одинакова, а по горизонтали в образце с открытыми петлями существенно больше, чем в образце с.закрытыми петлями. Деформацию по горизонтали в обоих случаях определяли протяжки. Поскольку при расчетах использовалась одна и та же форма протяжек (часть окружности), разницу в деформациях образцов можно объяснить большей длиной протяжки в образцах с открытыми петлями по сравнению с образцами с закрытыми петлями и ее наклоном.

Кроме того, исследования показали, что образцы с открытыми петлями имеют большую толщину (примерно в 1,5 раза), чем образцы с закрытыми петлями. Так, например, образцы То-То встречное из стальной микропроволоки ЭИ708А 050 мкм имеют толщину примерно 0,44 мм, а образцы Тз-Тз встречное имеют толщину 0,30 мм. Аналогичное явление имеет место и при использовании других нитей. Это дополнительно удлиняет протяжки и облегчает деформацию образцов с открытыми петлями.

В главе 5 описаны экспериментальные исследования металлотрикотажного-сетеполотна филейного переплетения атлас - атлас с закрытыми петлями, изготовленного из вольфрамовой микропроволоки 015 мкм в два сложения.

Проведен также теоретический расчет упругих постоянных сетеполот-на атлас - атлас с закрытыми петлями при двумерной нагрузке. На примере сетеполотна, изготовленного из вольфрамовой микропроволоки 015 мкм в 3 сложения и подвергнутого двумерной нагрузке 4 сНУсм, определены численные значения ряда величин. Например, по расчетам модуль упругости такого сетеполотна по вертикали Ев составляет 42,832 сН/мм2, по горизонтали Ег=7,662 сН/мм2. Коэффициент Пуассона при одноосном растяжении по горизонтали составляет vr=0,423, а при одноосном растяжении по вертикали ув составляет 2,364. Относительное удлинение по горизонтали равно 0,136, по

вертикали, (-0,058). По эксперименту же относительная деформация по горизонтали составляет 0,161, а по вертикали 0,027, что близко к теоретически рассчитанным значениям.

ВЫВОДЫ

Теоретические и экспериментальные исследования, проведенные в работе, на основе которых предложены технологические решения, направлены на расширение ассортимента трикотажных полотен, используемых для отражающих поверхностей антенн, и позволяют сделать следующие выводы:

1 .Литературный обзор по теме исследования подтвердил актуальность работы, связанную с разработкой технологии металлотрикотажных сетеполо-тен для отражающих поверхностей трансформируемых антенн больших диаметров от 5 до 20 метров, создаваемых для космических аппаратов серии «Луч-5», предусмотренных Федеральной космической программой России на 2006-2015 годы.

2.Созданы новые типы металлотрикотажных сетеполотен для отражающих поверхностей космических антенн, работающих в частотном диапазоне 0,8 - 45,0 ГГц с коэффициентом отражения электромагнитных волн до 99%, полученные на базе одинарного основовязаного трикотажа двухгребе-ночных переплетений из стальных и вольфрамовых мононитей диаметрами 15-20 мкм с минимальными размерами ячей до 0,2 - 0,5 мм.

3.Для переработки ультратонких металлических нитей была использована специальная технология, созданная на кафедре технологии трикотажного производства

4. Получены экспериментальные зависимости деформационных свойств различных вариантов сетеполотен от нагрузки в условиях двумерного нагружения для сетеполотен с разными типами петель' (открытыми и закрытыми) и по специально разработанной программе, основанной на методе вычисления показателей жесткости проф. А.Н. Соловьева, рассчитана жесткость образцов металлического трикотажа различных вариантов одно и двух-гребеночных переплетений. Анализ деформационных свойств экспериментальных образцов сетеполотен показывает, что наибольшими деформациями при двухосном нагружении обладают образцы сетеполотен, структуры которых образованы полностью открытыми петлями - То-То,Со-Со, Шо-Шо, Шо-То. Увеличение деформации в группе трико - трико между закрытыми и открытыми петлями составляет 14% по горизонтали и 44% по вертикали. В группе сукно - сукно увеличение деформации по горизонтали между открытыми и закрытыми составляет по горизонтали 38%, а по вертикали 80%.

5.Получены экспериментальные зависимости изменения плотности петель П„ и Пг в условиях двумерного нагружения, по изменению которых, при известной длине нити в петле, можно прогнозировать (определять) значение поверхностной плотности сетеполотна при различных нагрузках в условиях двумерной деформации.

6.Исследование Тз-Тз и То-То с помощью программного комплекса "Диаморф" показало, что То-То обладают меньшей средней площадыо ячеек и меньшим их средним размером, чем Тз-Тз. Это помимо более лучших ме-

ханических свойств делает их и с радиофизической точки зрения более предпочтительными.

7. Разработаны программы по расчету деформации сетеполотен трикотажа, основанные на деформации повторяющегося элемента. Показано, что разработанные программы могут быть использованы двояко: а) Если удается определить величины сил, действующих на микропроволоку в сетеполотне, то оцениваются деформационные свойства рассматриваемого трикотажа -прямая задача; б) Если величину этих сил определить не удается, то, основываясь на деформационных свойствах рассматриваемого трикотажа, решается обратная задача - оценивается величина и направление сил, действующих на микропроволоку в трикотаже. Обратную задачу можно использовать и для оценки контактных усилий, действующих между элементами петель в неде-формированном трикотаже после его изготовления. На примерах трико одно-гребеночное с открытыми петлями и трико одногребеночное с закрытыми петлями проиллюстрировано решение прямой и обратной задач.

8. Проведен расчет относительной деформации двухгребеночных сетеполотен трико закрытое - трико закрытое и трико открытое - трико открытое и на их примере объяснена причина лучшей деформируемости образцов с открытыми петлями по сравнению с образцами с закрытыми петлями. Между экспериментальными и расчетными данными во всех случаях наблюдается неплохое согласие.

9. Экспериментально исследована двумерная деформация сетеполотна атлас-атлас, изготовленного из вольфрамовой микропроволоки 015 мкм в два сложения, и показано, что при двумерной деформации образец легче деформируется по горизонтали, чем по вертикали. Электрическое сопротивление образца при деформации по горизонтали быстро уменьшается с нагрузкой, а по вертикали меняется значительно медленее.

10. Проведен теоретический расчет упругих постоянных сетеполотна атлас - атлас при небольших деформациях и показано, как на эти постоянные должны влиять характеристики проволоки (жесткость) и параметры, определяющие структуру полотна (размеры петель, их ориентацию и взаимное расположение).

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1.Щербаков В.П., Котович О.С. Взаимодействие упругой нити с петле-образующими органами в условиях малого натяжения// Журнал «Вестник ДИТУД» -2006, №1, с.65-71.

2. Щербаков В.П., Заваруев В.А., Котович О.С. Теория деформирования и расчет упругих постоянных металлического трикотажного сетеполотна. Сообщение 1//Известия ВУЗов. Технология текстильной промышленности,-2006, №1, с.74-79.

3. Щербаков В.П.,. Заваруев В.А., Котович О.С. Теория деформирования и расчет упругих постоянных металлического трикотажного сетеполотна. Сообщение 2//Известия ВУЗов. Технология текстильной промышленности,-2006, №2, с.79-82.

?

> b

4. Щербаков В.П., Заваруев В.А., Лакеева О.Н., Котович О.С. Силовое взаимодействие й пространственное деформирование петель с витками// Известия ВУЗов. Технология текстильной промышленности.-2006, №3, с.88-93.

5. Котович О.С., Заваруев В.А. Влияние типа петель в структуре трикотажа на его деформационные свойства// Сборник научных трудов аспирантов. Выпуск 12. МГТУ, М., 2006, с.37-42.

6. Заваруев В.А., Котович О.С. Исследование влияния типов петель ос-нововязаного трикотажа из металлических нитей на его физико-механические и электрофизические свойства// Известия ВУЗов. Технология текстильной промышленности,- 2007, №ЗС, с.91-93.

7. Щербаков В.П., Котович О.С. Точечное взаимодействие упругой нити с рабочими органами машин// Сборник материалов «Молодые ученые -развитию текстильной и легкой промышленности», часть 1, 2005 г., Иваново, с. 65-66

8. Котович О.С., Заваруев В.А. Металлотрикотаж// Сборник материалов Всероссийской выставки научно-технического творчества молодежи «НТТМ-2006», ВВЦ, М., 2006, с.96-97.

9. Котович О.С., Заваруев В.А. Металлотрикотажные полотна // Международная научно-техническая конференция «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (Текстиль - 2006), МГТУ, М., 2006. Тезисы докладов, с.58-59,

10. Котович О.С. Зависимость физико-механических и электрофизических свойств металлического трикотажа от типа петель//Международная научно-техническая конференция «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (Текстиль - 2007), МГТУ, М., 2007. Тезисы докладов, с.64.

11. Кудрявин Л.А., Заваруев В.А., Подшивалов С.Ф., Беляев О.Ф., Котович О.С. Создание материалов для отражающей поверхности крупногабаритных трансформируемых антенн//Сборник XI Международной конференции «Решетневские чтения-2007», ФГУП НПО Прикладной механики им. академика М.Ф. Решетнева, г. Железногорск, 2007, с.26.

12. Котович О.С. Анализ параметров петельной структуры металлического одногребеночного трикотажа, выработанного комбинацией открытых и закрытых петель в раппорте//Международная научно-техническая конференция «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (Текстиль - 2008), МГТУ, М., 2008. Тезисы докладов, с. 102-103.

13. Котович О.С. Анализ деформационных свойств металлотрикотаж-ных сетеполотен при двумерном растяжении //Международная научно-техническая конференция «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (Текстиль - 2008), МГТУ, М., 2008. Тезисы докладов, с.105.

Подписано в печать 19.11.08 Формат бумаги 60x84/16 Бумага множ. Усл.печ.л. 1,0 Заказ 384 Тираж 80 ГОУВПО «МГТУ им. А.Н. Косыгина», 119071, Москва, ул. Малая Калужская, 1

АННОТАЦИЯ

ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МОДЕЛЕЙ

ПЕТЕЛЬ ТРИКОТАЖА ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ ДЕФОРМАЦИОННЫХ

СВОЙСТВ МЕТАЛЛОТРИКОТАЖНЫХ СЕТЕПОЛОТЕН

1.1. Выводы

2. ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1. Метод исследования деформационных свойств металлических сетеполотен при двумерной деформации

2.2. Исследование размера и формы ячеек в сетеполотне

2.3. Метод определения электрического сопротивления деформированных металлических сетеполотен

2.4. Выводы

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕФОРМАЦИИ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ОСНОВОВЯЗАНОГО ТРИКОТАЖА

3.1. Сетеполотна на основе вольфрамовой микропроволоки

015 мкм в два сложения

3.1.1. Трико одногребеночное

3.1.2. Трико - трико встречное 48 3.1.3 .Сукно - сукно встречное

3.1.4.Сукно - трико встречное

3.1.5. Шарме - шарме встречное

3.1.6. Шарме - трико встречное

3.1.7.Шарме - сукно встречное

3.2. Сетеполотна на основе вольфрамовой микропроволоки 015 мкм в три сложения

3.3. Сетеполотна на основе стальной микропроволоки

ЭИ708А 050 мкм

3.4. Сетеполотна на основе стальной микропроволоки

ЭИ708А 020 мкм

3.5. Исследование некоторых сетеполотен с помощью программы "Диаморф"

3.6. Выводы

4. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕФОРМАЦИИ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ТРИКОТАЖА

4.1. Расчет деформации одногребеночного трико открытое

4.2. Расчет деформации одногребеночного трико закрытое

4.3. Расчет деформации двухгребеночного трико

4.4. Выводы

5. ИССЛЕДОВАНИЕ СЕТЕПОЛОТЕН АТЛАС-АТЛАС

С ЗАКРЫТЫМИ ПЕТЛЯМИ

5.1. Экспериментальные исследования

5.2. Расчет упругих постоянных сетеполотна атлас — атлас

5.3. Выводы 157 ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 158 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

АННОТАЦИЯ

Данная работа посвящена проектированию структур, свойств и технологии металлических основовязаных сетеполотен для гибких отражательных поверхностей антенн. Проведен анализ работ по зависимости деформационных свойств трикотажных полотен от структуры трикотажа и анализ основных моделей петель трикотажа. Описаны основные методы исследования физико - механических и электрических характеристик металлотрикотажных одинарных основовязаных одно- и двухгребеночных переплетений при двумерной деформации. Проведено исследование механических и электрофизических свойств различных вариантов одно- и двухгребеночных переплетений, сочетающих главные и производные: трико, сукно, шарме, выработанные открытыми и закрытыми петлями и их комбинацией со встречными и параллельными сдвигами ушковых гребенок. Получены зависимости относительного удлинения, жесткости, плотности петель и электрического сопротивления металлотрикотажных сетеполотен от нагрузки при двумерной деформации, проведен анализ этих зависимостей. На базе анализа этих зависимостей выбраны структуры, наиболее полно удовлетворяющие требованиям к механическим свойствам отражающей поверхности, разработаны технологические режимы и выработаны экспериментальные образцы. Теоретически рассчитаны упругие постоянные сетеполотна переплетения атлас - атлас. На основе нелинейной теории упругости тонких стержней проведен расчет деформационных свойств одно- и двухгребеночных сетеполотен трико с открытыми и закрытыми петлями.

По материалам диссертации опубликованы 6 статей и 7 тезисов докладов на научных конференциях. Результаты работы докладывались на конференциях «Молодые ученые - развитию текстильной и легкой промышленности», Иваново, 2005 г.; на Всероссийской выставке научно-технического творчества молодежи «НТТМ-2006», ВВЦ, М., 2006; на международной научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (Текстиль - 2006), МГТУ, М., 2006; на международной научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (Текстиль - 2007), МГТУ, М., 2007; на Международной конференции «Решетневские чтения-2007», ФГУП НПО прикладной механики им. академика М.Ф. Решетнева, г. Железногорск,

2007; на международной научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (Текстиль — 2008),102, МГТУ, М., 2008.

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов и списка использованной литературы. Работа изложена на 166 страницах, включает 144 иллюстрации и 3 таблицы. Список литературы включает 67 источников.

Одной из основных задач Федеральной космической программы России на 2006-2015 г.г. является развитие и поддержка орбитальной группировки космических аппаратов в интересах социально-экономической сферы, науки, безопасности страны (связь, телевидение, ретрансляция, дистанционное зондирование Земли, гидрометеорология, экологический мониторинг), а также обеспечение создания изделий ракетно-космической техники с характеристиками мирового уровня.

В Российской Федерации исследование и использование космического пространства являются важнейшими приоритетами государственных интересов (закон РФ «О космической деятельности»). Приоритетным направлением космической деятельности является обеспечение спутниковой связи и вещания на всей территории РФ, в том числе, в интересах обороны, безопасности страны и охраны правопорядка.

До 2015 года прогнозируется существенный рост потребностей социально-экономической сферы, науки и международного сотрудничества в космических средствах и услугах. Существенно возрастут потребности в подвижной и персональной связи, в непосредственном теле- и радиовещании. В настоящее время российская орбитальная группировка космических аппаратов социально-экономического и научного назначения, кроме связи и вещания, отстает в своем развитии от уровня, требуемого для полного решения задач в интересах социально-экономической сферы, науки и международного сотрудничества.

Современные тенденции развития космических систем связи потребовали создания больших трансформируемых параболических антенн, диаметром от 5 до 20 метров и более, устанавливаемых на борту космических аппаратов.

Создание принципиально новых трансформируемых антенн для космических аппаратов серии «Луч-5», предусмотренных Федеральной Космической программой России на 2006-2015 годы, требует исследований в области разработок материалов для отражающей поверхности с тактико-техническими показателями, обеспечивающими наибольший коэффициент отражения СВЧ-излучений при минимальном усилии растяжения, минимальной удельной массе и максимальной изотропности механических и радиотехнических свойств.

Для создания складывающегося рефлектора антенны необходима эластичная радиоотражающая поверхность с коэффициентом радиоотражения электромагнитных волн до 99 % в рабочем диапазоне частот, с изотропными механическими и электрофизическими свойствами, минимально возможными показателями жесткости материала при растяжении, стабильностью физико-механических и радиотехнических характеристик в процессе длительных (15-18 лет) сроков хранения.и эксплуатации.

Из анализа литературных источников [1-15] можно сделать вывод о том, что максимально удовлетворяют этим требованиям трикотажные сетчатые материалы из,металлических моно- и комплексных нитей.

Разработкой крупногабаритных космических трансформируемых параболических антенн занимаются фирмы США, Германии, Японии, Канады, Франции, Италии, Швейцарии, Австрии, Китая, Индии. В России ведущими космическими фирмами, разрабатывающие трансформируемые космические антенны, являются ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М.Ф. Решетнева, ФГУП «ОКБ МЭИ», РКК «Энергия» имени С.П. Королева и другие. Материалы для отражающей поверхности космических трансформируемых антенн впервые были разработаны в Московском государственном текстильном университете имени А.Н. Косыгина в 1973 году на кафедре технологии трикотажного производства [16]. В настоящее время потребность в материалах отражающей поверхности нового поколения для российских потребителей обеспечивает ООО фирма «ТРИИНВЕСТ», организованное на базе лаборатории спецтрикотажа в 1992 году. Учредителями ООО фирма «ТРИИНВЕСТ» являются МГТУ им. А.Н. Косыгина и ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М.Ф. Решетнева. Работы по разработке новых типов сетеполотен и технологических процессов их создания, применительно для антенн частотного диапазона 0.8-45 ГГц, в следующих направлениях: усовершенствование структуры сетеполотен; повышение коэффициента отражения СВЧ-излучения; снижение поверхностной плотности сетеполотна до значений 10-20

О О г/м" для L-диапазона и 50 г/м для К3-диапазона.

В таблице I представлены основные технические характеристики разработанных и перспективных сетеполотен, а на рис.] фотография одной из антенн, в которой используется разработанное сетеполотно.

Таблица I

Марка сетеполотна Частотный Основные технические характеристики Использодиапазон, ГГц коэффициент отражения, % удельная масса, г/м2 усилие натяжения на каркасе, г/см вание

МТИСМеТо/в Ст-1 ЭИ708А 50 мкм 15 96 82 50 «Луч-1»

СМеТ В]5x3 30 98 110 12 1 X о ж К к — » Э Ч? я Я т о. СМеТ В11x2 30 98 55 5 л Атлас 15 3 99 55 5-7

§ СМеТ В15х 1 30 99 40 6

СМеТ В11х2 15 99 40 4 | С О "

Ст20х1 ЭИ708А 20 мкм 3 99 15 2-3 о сх и С

Рис.1. Рефлектор складной антенны зонтичного типа 05 м с отражающей поверхностью из металлотрикотажного сетеполотна нового поколения, выполненного из вольфрамовых комплексных нитей \V015 мкм*2.

Разрабатываемые сетеполотна для отражающих поверхностей перспективных антенн, работающих в диапазоне частот 3-15-30 ГГЦ, выполнены из стальной м вольфрамовой микропроволок диаметром 11 -г 20 мкм.

По сравнению с ранее используемыми микропроволоками диаметром 50 мкм, диаметры микропроволок, предназначающихся для современных и перспективных сетеполотен, уменьшились в 2,5 -т- 4 раза, а удельная масса в сравнимых диапазонах частот уменьшилась почти в 2 раза. Требуемое усилие натяжения сетеполотна на современных конструкциях уменьшилось в 12,5 раз (с 50 до 4 г/см) для диапазона 15 ГГц по сравнению с ранее используемыми нагрузками. Для частотного диапазона 30 ГГц усилие натяжения сетеполотна для современных и перспективных антенн составляет 5 -г 12 г/см, а удельная масса 40 110 г/см2 при размере сторон ячейки 0,2 мм.

Усилие натяжения сетеполотна — один из важнейших показателей физико-механических свойств сетеполотен, используемых для отражательной поверхности антенн. С увеличением диаметра антенн этот показатель становится все более значимым. Его уменьшение связано с уменьшением показателя жесткости сетеполотна.

Уменьшение жесткости сетеполотна при растяжении в условиях сохранения достаточной прочности материала и геометрических размеров ячеек является основной задачей, решаемых в этой работе. Решение этой задачи проводится на базе одинарного основовязаного трикотажа двухгребеночных переплетений, представляющих собой сочетания структур трико, сукно, шарме, атлас. Главным направлением исследования является установление влияния типов петель на деформационные свойства сетеполотен. Установление данной зависимости позволит определить структуры металлотрикотаж-ных сетеполотен, обладающие улучшенными физико-механическими характеристиками: меньшей жесткостью при растяжении, в том числе симметричном двуосном в плоскости образца; максимальной изотропностью механических и электрофизических свойств. Кроме того, уменьшение жесткости сетеполотен позволит уменьшить весовые показатели конструкционных элементов каркаса рефлектора антенны, а также приведет к повышению точности поверхности зеркала антенны.

На основе вышеизложенного можно сделать вывод о том, что на современном экономическом этапе развития России создание космической конкурентоспособной техники, в том числе крупногабаритных трансформируемых космических антенн различного назначения, где используется гибкая — отражающая поверхность из металлотрикотажного сетеполотна, обладающего высокоэффективными физико-механическими и радиотехническими характеристиками, является актуальной задачей.

Актуальность темы диссертации. Создание крупногабаритных параболических трансформируемых космических антенн диаметром от 5 до 20 метров и более потребовало создания эластичных радиоотражающих поверхностей с высоким коэффициентом отражения, минимальной поверхностной плотностью, минимальным усилием растяжения, высокой стабильностью физико-механических и радиоотражающих характеристик при длительном сроке эксплуатации.

Одной из наиболее важных характеристик, определяющих механические свойства материала отражающей поверхности, является его жесткость при растяжении. Чем меньше этот показатель, тем меньшее усилие требуется элементам конструкции для раскрытия каркаса рефлектора, а это приводит к уменьшению весовых показателей антенны, а также позволяет повысить точность отражающей поверхности.

Тенденции развития космических антенн сводятся к увеличению диаметра зеркала и частоты электромагнитных волн до 30-40 ГГц. Такая частота требует определенной структурной геометрии сетеполотен, в частности, уменьшения размера стороны ячейки до 0,2 мм. Для создания материала с показателями поверхностной плотности 40-60 г/м для 30 ГГц при усилии растяжения от 5 до 12 г/см необходимо использовать микропроволоку диаметром 11 -г 15 мкм.

В целях улучшения физико-механических характеристик металлотри-котажных сетеполотен в части уменьшения их жесткости при растяжении необходимо: установить влияние элементов петельной структуры в двухгре-беночных основовязаных структурах на их сопротивление растягивающим усилиям при двумерном нагружении в плоскости материала; определить структуры металлического трикотажа с наименьшей жесткостью с их последующими рекомендациями к практическому использованию в качестве отражающей поверхности трансформируемых космических антенн; установить влияние типов петель на деформационные свойства металлотрикотажных се-теполотен двухгребеночных переплетений.

Цель работы и задачи исследования. Основная цель работы — повышение эффективности металлотрикотажных сетеполотен в части уменьшения их жесткости путем установления влияния типов петель в структуре двухгребеночных переплетений на деформационные свойства материала.

Для достижения данной цели в работе проведены следующие исследования:

1 .Экспериментально проведено исследование образцов металлотрикотажных сетеполотен одинарных основовязаных одно- и двухгребеночных переплетений с целью установления влияния типов петель (открытые и закрытые) на деформационные свойства при двухмерном нагружении, в частности: а)Исследованы деформационные свойства металлотрикотажных сетеполотен из вольфрамовых и стальных микропроволок в одно — три сложения при диаметре микропроволок 15, 20, 50 мкм. б) Обработаны экспериментальные результаты по специально разработанной программе для расчета показателя жесткости и анизотропности сетеполотен при двумерной деформации. в) Установлено влияния элементов структуры двухгребеночных переплетений на эластичность металлотрикотажных сетеполотен. г) Исследовано механическое взаимодействие микропроволок в структурах металлотрикотажных сетеполотен посредством установления зависимости электрического сопротивления сетеполотна от нагрузки.

2.С использованием плоской нелинейной теории упругости проведены расчеты относительной деформации одинарных металлотрикотажных основовязаных сетеполотен на основе одно- и двухгребеночных переплетений: Т0; Т3; Т0 - Т0; Т3 -Т3, для чего разработаны программы на основе математических пакетов МаШсас! и МаНаЬ.

3. Экспериментально исследованы деформационные свойства металло-трикотажного основязаного сетеполотна филейного переплетения атлас - атлас с закрытыми петлями и теоретически рассчитаны значения упругих постоянных этого сетеполотна.

Методы и средства исследования. Поставленные в работе задачи решались экспериментальными и теоретическими методами. При проведении экспериментальных исследований были использованы метод, создающий двумерную деформацию образца, метод измерения электрического сопротивления сетеполотен при двумерной деформации, метод получения микрофотографий двумерно деформированного образца, метод компьютерного анализа микрофотографий с помощью программы "Диаморф". При проведении теоретических исследований в работе использованы методы дифференциального и интегрального исчислений, сопротивления материалов и нелинейной теории упругости, методы геометрического моделирования структур трикотажа, а также методы структурообразования трикотажа, методы статистической обработки результатов. Основные теоретические положения, полученные в диссертационной работе, проверялись экспериментально на лабораторном и производственном оборудовании с использованием современной измерительной аппаратуры. Расчеты выполнялись на ЭВМ с использованием специально разработанных нами программ на основе математических пакетов МаШсаё и Ма^аЬ.

Научная новизна работы.

В диссертационной работе впервые:

- показано, что сетеполотна с открытыми и закрытыми петлями обладают отличающимися механическими свойствами;

- проведено систематическое исследование целого ряда сетеполотен с открытыми и закрытыми петлями, полученными из микропроволок разного диаметра, разного материала, с разным количеством сложений;

- использована программа для математического описания зависимости между относительной деформацией образца и деформирующим усилием, основанная на работах проф. А.Н. Соловьева;

- разработаны программы на основе математических пакетов Ма^аЬ и МаШсас! для расчета деформационных свойств металл отри котажнызх сетеполотен;

- на основе разработанных программ проведены расчеты деформационных свойств одногребеночных и двухгребеночных сетеполотен из стальных микропроволок диаметром 50 мкм (Т0, Тз, Т0-Т0, Т3-Т3);

- исследованы физико - механические и электрофизические свойства металлотрикотажного двухгребеночного филейного переплетения атлас — атлас, выработанного из стальной микропроволоки диаметром 15 мкм х 2;

- теоретически рассчитаны упругие постоянные металлотрикотажных сетеполотен двухгребеночного филейного переплетения атлас - атлас.

Практическая значимость работы. Результаты, полученные в работе, позволили разработать материалы с улучшенными физико-механическими свойствами для отражательной поверхности многофункциональной космической системы ретрансляции (МКСР) «Луч» на базе космических аппаратов-ретрансляторов «Луч-5А» и «Луч-5Б», разрабатываемых ОАО «ИСС» имени академика М.Ф. Решетнева по Федеральной Космической программе России на 2006-2015 годы.

Проведенные в работе теоретические и экспериментальные исследования позволили установить влияние типов петель на деформационные характеристики материала и разработать структуры двухгребеночных основовяза-ных структур с улучшенными деформационными характеристиками при сохранении таких показателей как размер ячеек и удельная масса сетеполотна.

Автор защищает:

1. Эксперименальные результаты физико — механических и электрофизических свойств металлотрикотажных сетеполотен, выработанных из стальных и вольфрамовых микропроволок 015-50 мкм.

2. Сравнительный анализ структур металлотрикотажных основовяза-ных сетеполотен на базе одно- и двухгребеночных переплетений, выработанных открытыми и закрытыми петлями.

3. Метод расчета упругих постоянных металлотрикотажного сетеполотна филейного переплетения атлас - атлас.

4. Метод расчета деформационных свойств основовязаных одногребе-ночных переплетений типа трико и двухгребеночных переплетений трико -трико с закрытыми и открытыми петлями с учетом пластических свойств материала.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

Теоретические и экспериментальные исследования, проведенные в работе, на основе которых предложены технологические решения, направлены на расширение ассортимента трикотажных полотен, используемых для отражающих поверхностей антенн, и позволяют сделать следующие выводы:

1. Литературный обзор по теме исследования подтвердил актуальность работы, связанную с разработкой технологии металлотрикотажных сетеполо-тен для отражающих поверхностей трансформируемых антенн больших диаметров от 5 до 20 метров, создаваемых для космических аппаратов серии «Луч-5», предусмотренных Федеральной космической программой России на 2006-2015 годы.

2. Созданы новые типы металлотрикотажных сетеполотен для отражающих поверхностей космических антенн, работающих в частотном диапазоне 0,8 - 45,0 ГГц с коэффициентом отражения электромагнитных волн до 99%, полученные на базе одинарного основовязаного трикотажа двухгребе-ночных переплетений из стальных и вольфрамовых мононитей диаметрами 15-20 мкм с минимальными размерами ячей до 0,2 - 0,5 мм.

3. Для переработки ультратонких металлических нитей была использована специальная технология, созданная на кафедре технологии трикотажного производства

4. Получены экспериментальные зависимости деформационных свойств различных вариантов сетеполотен от нагрузки в условиях двумерного нагружения для сетеполотен с разными типами петель (открытыми и закрытыми) и по специально разработанной программе, основанной на методе вычисления показателей жесткости проф. А.Н. Соловьева, рассчитана жесткость образцов металлического трикотажа различных вариантов одно и двух-гребеночных переплетений. Анализ деформационных свойств экспериментальных образцов сетеполотен показывает, что наибольшими деформациями при двухосном нагружении обладают образцы сетеполотен, структуры которых образованы полностью открытыми петлями - То-То,Со-Со, Шо-Шо, Шо-То. Увеличение деформации в группе трико - трико между закрытыми и открытыми петлями составляет 14% по горизонтали и 44% по вертикали. В группе сукно - сукно увеличение деформации по горизонтали между открытыми и закрытыми составляет по горизонтали 38%, а по вертикали 80%.

5. Получены экспериментальные зависимости изменения плотности петель Пв и Пг в условиях двумерного нагружения, по изменению которых, при известной длине нити в петле, можно прогнозировать (определять) значение поверхностной плотности сетеполотна при различных нагрузках в условиях двумерной деформации.

6. Исследование Тз-Тз и То-То с помощью программного комплекса "Диаморф" показало, что То-То обладают меньшей средней площадью ячеек и меньшим их средним размером, чем Тз-Тз. Это помимо более лучших механических свойств делает их и с радиофизической точки зрения более предпочтительными.

7. Разработаны программы по расчету деформации сетеполотен трикотажа, основанные на деформации повторяющегося элемента. Показано, что разработанные программы могут быть использованы двояко: а) Если удается определить величины сил, действующих на микропроволоку в сетеполотне, то оцениваются деформационные свойства рассматриваемого трикотажа - прямая задача; б) Если величину этих сил определить не удается, то, основываясь на деформационных свойствах рассматриваемого трикотажа, решается обратная задача - оценивается величина и направление сил, действующих на микропроволоку в трикотаже. Обратную задачу можно использовать и для оценки контактных усилий, действующих между элементами петель в недеформиро-ванном трикотаже после его изготовления. На примерах трико одногребе-ночное с открытыми петлями и трико одногребеночное с закрытыми петлями проиллюстрировано решение прямой и обратной задач.

8. Проведен расчет относительной деформации двухгребеночных сетеполотен трико закрытое — трико закрытое и трико открытое — трико открытое и на их примере объяснена причина лучшей деформируемости образцов с открытыми петлями по сравнению с образцами с закрытыми петлями. Между экспериментальными и расчетными данными во всех случаях наблюдается неплохое согласие.

9. Экспериментально исследована двумерная деформация сетеполотна атлас-атлас, изготовленного из вольфрамовой микропроволоки 015 мкм в два сложения, и показано, что при двумерной деформации образец легче деформируется по горизонтали, чем по вертикали. Электрическое сопротивление образца при деформации по горизонтали быстро уменьшается с нагрузкой, а по вертикали меняется значительно медленее.

10. Проведен теоретический расчет упругих постоянных сетеполотна атлас — атлас при небольших деформациях и показано, как на эти постоянные должны влиять характеристики проволоки (жесткость) и параметры, определяющие структуру полотна (размеры петель, их ориентацию и взаимное расположение).

1. Буякас В.И., Гвамичава А.С. и др. Неограниченно наращиваемый радиотелескоп. Космические исследования. 1978.-№6- с.924-936.

2. Соколов А.Г., Гвамичава А.С. Решения инженерных конструкций космических радиотелескопов//Антенны. Сб. научн. статей №29. — М.: Радио и связь, 1981.-c.3-10.

3. Богомолов А.Ф., Букарев Н.В., Кисанов Ю.А., Фейзула Н.М. и др. Космическая складная антенна. //Антенны. Сб. научн. статей №29. М.: Радио и связь, 1981.-с. 10-20.

4. Кисанов Ю.А., Фейзула Н.М., Кудрявин Л.А., Заваруев В.А. Материалы для отражательных поверхностей космических складных антенн (КСА)//Антенны. Сб. научн. статей №29. -М.: Радио и связь, 1981.-С.20-25.

5. Kettengewirkter Weltraum-Antennen — reflector mit 55m Durchmesser //Textilinformentionen Kettenwirk praxis. -1984.-N3.-S.51-52.

6. Entfaltbare Weltraum-Netrantenne//Textilinformationen Kettenwirk praxis. -1989.-N3.-S.43-46.

7. Neiswander R.S. Surface accuracy measurement system for deployable reflector antennas //AJAA/NASA Conference on advanced technologie for future space systems. May 8-10, 1979,-Hampton, 1979. -p.467-474

8. David Gross. Tricot Cloth Vital to Lunar Mission//Knitted auterwear Times. 1969. -N7- p. 34-37.

9. Kettengewirkter Weltraum antennenreflector mit 55 m Durch-messer//Textilinformationen Kettenwirk - praxis. -1984.-N4-S.21-25.

10. Mark W.Thomson. TRW Astro Aerospace. Раскрываемый рефлектор "ASTROMESH'7/Шестая международная конференция по мобильным спутникам. Оттава, июнь 1999.

11. Заваруев В.А. Исследование особенностей переработки металлических мононитей на вязальных машинах с целью получения полотен технического назначения. Диссертация на соискание уч. ст. к.т.н. М.:МТИ, 1980 г.

12. Стигене Л.Я. Разработка структур трикотажных полотен технического назначения из металлических нитей с целью оптимизации их физико-механических характеристик. Автореферат дисс. на соиск. учен. степ, к.т.н.-М.: МТИ, 1990.

13. Кудрявин JT.A., Заваруев В.А., Тимашев А.В. Влияние никелевого покрытия на электрическое сопротивление металлического трикотажа. Межвузовский сборник научных трудов. МГТА, РИО 1996 г.

14. Патент №2198453, 2004. Отражательная вязаная сетчатая поверхность антенны и способ ее выработки / Кудрявин Л.А., Халиманович В.И., Заваруев В.А., Подшивалов С.Ф., Щербаков В.П., Беляев О.Ф.

15. Шалов И.И. Усадка трикотажа.М.:Гизлегпром,1958.-167 с.

16. Popper P. The Theoretical Behavior of Knitted Fabric Subjected to Biaxial Stresses// Aeronautical Systems Division WADD TR 60-897 (July 1961).

17. Popper P. A Theoretical Investigation of Crimp Interchange in a Woven Fabric under Biaxial Stress//Aeronautical Systems Division, TDR 62-457 (June 1962).

18. Popper P. Criterion for Rupture of Certain Textile Structures under Biaxial Stress//Aeronauticai Systems Division TDR 62-613, (August 1962).

19. Popper P. The Theoretical Behavior of a Knitted Fabric Subjected to Biaxial Stresses//Textile Research Journal, 1966, №2, p. 148-157.

20. J. M. Whitney and J. L. Epting, Jr. Three-Dimensional Analysis of a Plain Knitted Fabric Subjected to Biaxial Stresses// Textile Research Journal, 1966, №2, p.143-147.

21. Cook D. L., Grosberg P. The Load-Extension properties of warp knitted Fabrics// Textile Research Journal, 1961, №7, p. 636-643.

22. Hearle J. W. S., Grosberg P., Bacher S. Structural Mechanics of Fibers, Yarns and Fabrics.—"Wiley Interscience", 1969, VI, p. 411, p. 456.

23. Smirfitt J. A. Some physical properties//Journal of Textile Institute, 1965,v.56, p. 298.

24. Конопасек M. Метод исследования петельной структуры трикотажа //Известия ВУЗов. Технология легкой промышленности, 1968,№1, с.81-87.

25. Бенцман A. M., Гарбарук В. Н. Об устойчивости формы петли в трикотаже//Известия вузов. Технология легкой промышленности, 1969, № 3, с. 105-110.

26. Далидович А. С. Технология трикотажного производства. М.: Гиз-легпром, 1939.-542 с.

27. Шалов И.И. Структурная неоднородность трикотажа и его механические свойства// Легкая промышленность, 1955, №9, с.23-26.

28. Кобляков А.И. Структура и механические свойства трикотажа. М.: Легкая индустрия, 1973 .-240с.

29. Абельский М. Л., Гарбарук В. Н. Определение параметров виброрелаксационных устройств//Известия вузов. Технология легкой промышленности, 1970, №3, с. 107

30. Труевцев А.В. Теоретические основы проектирования параметров кулирного трикотажа и разработки технологических режимов его производства м учетом деформационных свойств нитей и полотен. Дисс. на соиск. уч. степ. д.т.н. -СПб.: 1998.

31. Munden D. L., Knapton J. I. F., Frith С D. Factor affecting the Properties of plain Knitted from bulked and stretch yarns // Journal of the Textile Institute, 1961, N9, p. 488

32. Doyle P. J. Fundamental aspects of the design of knitted Fabrics// Journal of the Textile Institute, 1953, p. 561.

33. Knapton J. J. F. Geometry of Complex knitted structures// Journal of the Textile Institute, 1969, N 9, p. 889.

34. Шалов И.И. Проектирование трикотажного производства. M.: Легкая индустрия, 1977. -296 с.

35. Далидович А.С. Основы теории вязания. М.:Легкая индустрия, 1970.433 с.

36. Кудрявин Л.А. Основы теории строения, свойств и процессов выработки сетеизделий трикотажных переплетений. Докторская диссертация. М.: МТИ, 1975.-313 с.

37. Шалов И.И., Далидович А.С., Кудрявин Л.А. Технология трикота-жа.-М.: Химия, 1986.-376с.

38. Postle R., Munden D.L. Analysis of the dry-relaxed knitted-loop configuration// Journal of the Textile Institute, 1967, v.58,№8 p.329-365.

39. Kapyass С., Jourek V. Analyse de la forme des mailes des tricotschaine a une fonture dans les armures principales Federaration internationale des technicians de la bonneterie 14 Kongress. Bulgarien, august, 1969.

40. Щербаков В.П. Прикладная механика нити. М.: РИО МГТУ им.

41. A.Н. Косыгина,2001.-301 с.

42. Беляев О.Ф., Заваруев В.А., Кудрявин JI.A. Метод определения зависимости момента силы, изгибающего упругопластическую нить, от ее радиуса кривизны//Известия ВУЗов. Технология текстильной промышленности. 2007, №2, с.89-92.

43. Соловьев А.Н. Определение жесткости и растяжимости трикота-жа//Известия ВУЗов. Технология легкой промышленности. 1968, №2, с. 18.

44. Соловьев А.Н. Определение текущего и конечного модулей жесткости при растяжении// Известия ВУЗов. Технология текстильной промышленности. 1969, №5, с.15.

45. Кудрявин Л.А., Беляев О.Ф., Стигене Л.Я., Кисанов Ю.А., Заваруев

46. B.А. Исследование контактного сопротивления между элементами в структуре металлического трикотажа // М. 1989 г., -Деп. в ЦНИИТЭИЛЕГПРОМ 13.06.89, №2845 -Л.П.

47. Щербаков В.П., Котович О.С. Взаимодействие упругой нити с пет-леобразующими органами в условиях малого натяжения// Журнал.«Вестник ДИТУД» -2006, №1, с.65-71.

48. Щербаков В.П., Заваруев В.А., Лакеева О.Н., Котович О.С. Силовое взаимодействие и пространственное деформирование петель с витками// Известия ВУЗов. Технология текстильной промышленности.-2006, №3, с.88-93.

49. Котович О.С., Заваруев В.А. Влияние типа петель в структуре трикотажа на его деформационные свойства// Сборник научных трудов аспирантов. Выпуск 12. МГТУ, М., 2006, с.37-42.

50. Заваруев В.А., Котович О.С. Исследование влияния типов петель основовязаного трикотажа из металлических нитей на его физико-механические и электрофизические свойства// Известия ВУЗов. Технология текстильной промышленности.- 2007, №ЗС, с.91-93.

51. Щербаков В.П., Котович О.С. Точечное взаимодействие упругой нити с рабочими органами машин// Сборник материалов «Молодые ученые — развитию текстильной и легкой промышленности», часть 1, 2005 г., Иваново, с. 65-66.

52. Котович О.С., Заваруев В.А. Металлотрикотаж// Сборник материалов Всероссийской выставки научно-технического творчества молодежи «НТТМ-2006», ВВЦ, М., 2006, с.96-97.

53. Феодосьев В.И. Сопротивление материалов. М.:Наука,1970. 544с.

54. Беляев Н.М. Сопротивление материалов. .-М.: Наука, 1965. -855 с.

55. Николаи E.JI. Труды по механике. М.: Изд-во технико - теоретической литературы, 1955, с. 583

56. Попов Е.П. Теория и расчет упругих стержней. М: Наука, 1986, с.294

57. Щербаков В.П., Заваруев В.А., Котович О.С. Теория деформирования и расчет упругих постоянных металлического трикотажного сетеполотна.

58. Сообщение 1//Известия ВУЗов. Технология текстильной промышленности.-2006, №1, с.74-79.

59. Щербаков В.П., Заваруев В.А., Котович О.С. Теория деформирования и расчет упругих постоянных металлического трикотажного сетеполотна. Сообщение 2//Известия ВУЗов. Технология текстильной промышленности.-2006, №2, с.79-82.

60. Малмейстер А. К., Тамуж В. П., Тетере Г. А. Сопротивление жестких полимерных материалов. Рига: Зинатне, 1967. 398 с.

61. Hearle J. W. S., Grosberg P., Backer S. Structural Mechanics of Fibers, Yarns and Fabrics, New York, 1969, c. 75-96.

62. Феодосьев В. И. Избранные задачи и вопросы по сопротивлению материалов. М.: Наука. 1996, с. 368