автореферат диссертации по технологии материалов и изделия текстильной и легкой промышленности, 05.19.03, диссертация на тему:Развитие теории и вопросы приложения механики нити к задачам текстильной технологии



о

Костромской государственный технологический университет

I. Арезидиум ВАК России ш правах рукописи

ениэ от " " 19 ШЙ^АР УДК 677. 017 .

Присудил ученую степень ДОКТОР/

................../и е^Склшуегш^__________ГШУ1

Начальник управленияДАК. Рассив

-€ергей-Евгеньевич

РАЗВИТИЕ ТЕОРИИ И ВОПРОСЫ ПРИЛОЖЕНИЯ МЕХАНИКИ НИТИ К ЗАДАЧАМ ТЕКСТИЛЬНОЙ ТЕХНОЛОГИИ

05.19.03. - Технология текстильных материалов

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант:

заслуженный деятель науки и техники РФ ____.

доктор технических наук, профессор | В.Н. Аносов

Кострома -1999

РЕФЕРАТ

Диссертация содержит 268 стр., 61 рис., 4 табл., 222 литературных источника.

Ключевые слова: дискретная модель текстильной нити, система автоматизированного проектирования технологического процесса, система поддержки принятия решения, процесс формирования ткани, процесс формирования пряжи.

Разработана дискретная модель текстильной нити, на основании которой, предложена методика расчета статического и динамического состояния нити с учетом неоднородности ее механических свойств. Определены ошибки дискретного представления нити. Предложено в качестве модели нити на микроуровне использовать столбчатую модель с естественным представлением ее деформационных свойств в базе данных. Теоретически и экспериментально исследованы процессы деформации нити при дискретном представлении. На базе метода граничных элементов смоделирован процесс поперечного деформирования текстильной нити. Проведены исследования взаимодействия текстильной нити с рабочими органами текстильных машин из условий ее дискретного представления.

Разработаны новые теоретические положения процесса формирования ткани на ткацком станке и построена агрегативная модель этого процесса. Модель реализована в виде системы автоматизированного проектирования технологического процесса (САПР ТП) ткачества и включена в систему поддержки принятия решения (СППР) в ткачестве.

Теоретически и экспериментально исследовано влияние дозировки утка и его свойств на процесс формирования ткани на ткацком станке. Исследован процесс стабилизации структуры ткани в зоне шпаруточных устройств.

Разработаны теоретические основы и математическая модель формирования вьюрковой бескруточной пряжи из льняного волокна мокрым способом прядения.

ОГ'ЛАВЛЕНИь

Введение, . 6

Общая характеристика работы. ..... 7

1. Методы принятия решения при проектировании

текстильных технологических процессов. . . . 13

1.1. Общая структура выбора решения, , , . 13

1.2. Системный подход к моделированию текстильных

технологических процессов. . . . . . 18

1.3. Общая концепция построения систем поддержки

принятия решения, ,,,,,,, 21

1.4. Классификация систем поддержки принятия решения. . 23

1.5. Обобщенная структура и концепция построения

СППР в текстильных технологиях. .... 32

Выводы. ......... 36

2. Дискретные методы в теории механики нити. . . . 38 2Л. Характеристика методов и моделей механики нити. . . 38

2.2. Дискретное представление нити. ..... 44

2.3. Общее представление статического состояния

нити при дискретном моделировании. .... 48

2.4. Дискретная модель статики нити. .... 50

2.5. Динамики дискретной модели нити. . . . 54

2.5.1. Модель поступательного движения нити, , 61

2.5.2. Динамика модели нити в составном движении. . . 65

2.5.3. Обобщенная модель динамики нити. . . 67

2.5.4. Плоская динамическая модель нити. ... 72

2.6. Погрешности дискретного моделирования нити. , 74

Выводы ......... 79

3. Дискретные методы моделирования напряженно-

деформированного состояния нити. . . . . 81

3.1. Основные определения.. . , . . . . 81

3.2. Моделирование напряженно-деформированного

состояния дискретной модели нити.

3.3. Структурная модель деформирования нити при

простом растяжении. ....

3.4. Усовершенствование структурной модели нити.

3.5. Дискретная модель деформации нити при кручении.

3.6. Определение жесткости нити при кручении.

3.7. Поперечная деформация нити.

Выводы. .......

4. Механика контактного взаимодействия нити.

4.1. Общие вопросы трения при скольжении нити

по поверхности, .

4.2. Контакт нити со сцеплением и трением. .

4.3. Дискретная модель контактного взаимодействия

нити с плоскостью при продольном движении. Выводы. ........

1еханика нити в теории и моделировании процесса формирования ткани на ткацком станке.

5.1. Общие вопросы теории формирования ткани на

ткацком станке. .....

5.2. Основные определения теории формирования ткани.

5.3. Определение дайны уточной нити при образовании

^ 4

3.4.

5.5.

5.6.

5.7.

5.8.

'лЯСМСЙ 1 з, хкань. .....

Взаимодействие уточной и основной нитей при образовании элемента ткани. . 1. Определение угла охвата уточины нитями основы. Закон перемещения уточины в зеве основы.

состояние уточной нити при образовании ткани. Структура системы процесса образования ткани. Система поддержки принятия решения при проектировании технологического процесса ткачества.

Экспериментальное исследование процесса формирования ткани на ткацком станке.....

102

!

107

112 117

128

тчп

X V

1 АА

1зи

134

142

150

150

155

1

1 с I

I о 2

1

I V." !

170

77

1 ©л

х «V/

1.86 191

5.9. Моделирование процесса стабилизации ткани

на ткацком станке. ....... 202

Выводы. ........ 210

6. Исследование теории механики нити в моделировании

процессов формирования пряжи на прядильных машинах. 212

6.1. Перспективные направления развития процессов

формирования льняной пряжи. . . . . . 212

6.2. Вьюрковый способ получения льняной бескруточной пряжи 220 63. Анализ механики кручения мычки. ..... 221

6.4. Анализ процесса раскладки пряжи на паковку. . . 231

6.5. Экспериментальные исследования

процесса формирования бескруточной пряжи. . . 238

Выводы. . . . . . . . ¿42

Общие выводы. ....... 244

Литература. ........ 247

Приложение. ........

26

ВВЕДЕНИЕ

Рыночные отношения, развитие которых происходит в России, предъявляют особые требования к производству текстильных изделий. В

первую, очередь это конкурентноспособность продукции. Последнее невозможно без высокого качества, при снижении себестоимости выпускаемых тканей. Огромное влияние на развитие текстильного производства в России имеет сырьевая база. Поэтому, в последнее время, большое внимание, как на федеральном уровне, так и в регионах уделяется развитию льноводства и технологиям его переработки.

В технологии переработки льна особая роль отводится научным изысканиям, направленным на производство чисто льняных пряж низкой линейной плотности и тканей из них с высокой плотностью. Проведение таких изысканий немыслимо без развития теоретической базы, позволяющей моделировать и исследовать технологические процессы с использованием компьютерных технологий. Повышение роли компьютера в текстильном производстве в первую очередь связано с необходимостью оперативного принятия решений, как при постановке новых видов текстильных изделий в производство, так и при проектировании технологических процессов и текстильных машин.

Теоретической основой моделирования текстильных технологических процессов является механика текстильной нити. Механика текстильной нити в настоящее время имеет очень глубокую теоретическую проработку, которая базируется на представлении нити, как континуального деформируемого твердого тела. Одним из путей развития теории механики нити, направленным на более интенсивное применение компьютерных технологий при исследованиях текстильных технологических процессов, является приложение численных и дискретных методов. Численные методы наиболее эффективны при модельном представлении нити, как дискретной структуры деформируемых твердых тел. Дискретные методы механики текстильной нити позволяют разрабатывать более детальные математические модели технологических процессов. При связи их с технологическим оборудованием появляется возможность разработки агрегативных моделей системы "технологический процесс - текстильная машина".

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В развитии современной техники и технологии текстильного производства при рыночных отношениях все более возрастает роль науки и компьютерных технологий. Научно обоснованные методы расчета и проектирования технологических процессов текстильного производства базируются на использовании аналитических и экспериментальных методах механики текстильной нити. В связи с возрастающими требованиями к производительности оборудования и разработкой новых принципов функционирования технологических процессов механика нити приобретает еще большую актуальность в решении сложных проблем, возникающих при совершенствовании и проектировании новых текстильных процессов и машин. Особенно актуально развитие теории механики нити в связи с внедрением в практику проектирования, текстильных технологических процессов и текстильных машин, компьютерных технологий и методов математического моделирования.

В настоящее время наиболее полно изучена механика нити из условий ее континуальности, то есть на принципах теории дифференциальной геометрии. Такой подход позволяет моделировать и анализировать в основном технологические процессы из условий однородности структуры нити. В условиях функционирования текстильных технологических процессов весьма существенную, а иногда решающую роль, играет неодоно-родность нити, в первую очередь по линейной плотности, а также нелинейность деформационных параметров при растяжении, изгибе, кручении и поперечном смятии. Так в технологических процессах прядения главным фактором является деформация кручения нити. Однако для моделирования и компьютерного исследования этого параметра применение континуальной модели деформируемой нити не всегда является достаточно корректным, поскольку не учитывает натяжение нити, а также неоднородность и нелинейность ее деформационных показателей при кручении. Существует много других текстильных технологических процессов в которых параметры напряженно деформированного состояния нити существенно зависят от неоднородности ее материала по линейной плотности и нелинейности механических характеристик. Поэтому при моделировании и компьютерном

исследовании текстильных технологических процессов и систем с нитями необходимо использовать методы механики нити, учитывающие ее нелинейные характеристики жесткости на растяжение, изгиб, кручение и поперечное смятие, а также неоднородность этих параметров по длине нити.

В ткацких технологических процессах нить подвергается сильным механическим воздействиям. Для моделирования процесса формирования ткани и проектирования технологического процесса ткачества необходимо рассматривать нить исходя из условий реакции на динамические нагрузки с учетом ее неоднородности. Аналогичные проблемы возникают при моделировании, как традиционных, так и новых технологических процессов прядения, например в процессах кручения и баллонирования пряжи. Решение таких проблем теоретическими методами, в основе которых лежит подход к механике нити из условий ее континуальности, сплошности, не всегда приводит к желаемым результатам и не редко требует дополнительных экспериментальных исследований. В связи с этим возникает необходимость применения дискретных методов, как в теории механики нити, так и в моделировании технологических процессов. Особенно привлекательны дискретные методы моделирования в компьютерных технологиях исследования текстильных технологических процессов.

В связи с этим необходима универсальная теория механики текстильной нити, как с континуальным, так и с дискретным представлением посредством которой можно решать любую конкретную задачу движения нити и моделировать технологический процесс любой сложности. Таким образом, в настоящее время является весьма актуальной решаемая в данной работе проблема развития, углубления и обобщения теории механики нити с использованием дискретных метод моделирования, а также разработка прикладных методов компьютерного анализа и проектирования текстильных технологических процессов с применением численных и дискретных методов.

Целью работы является развитие и обобщение теории механики текстильной нити с применением дискретных методов и приложение этой теории в моделировании, проектировании и исследовании текстильных технологических процессов с использованием компьютерных технологий. В первую очередь, моделирование и исследования касаются техно-

логических процессов ткачества и прядения льняных пряж для интенсификации и повышения эффективности этих процессов.

Задачи, поставленные в диссертации решаются теоретическими методами численного анализа, с использованием аппарата теоретической механики и механики нити, механики деформируемого твердого тела^ системного анализа теории моделирования. Методы расчета и их приложение, в первую очередь, направлены на использование компьютерных технологий и реализованы в виде прикладных компьютерных программ и систем.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

- разработка дискретной модели текстильной нити и теоретического анализа ее статического и динамического состояния;

- дискретные методы представления, моделирования и анализа напряженно-деформированного состояния текстильной нити, с учетом ее неоднородности;

- взаимодействие дискретной структуры текстильной нити с рабочими органами текстильных машин;

- разработка математических моделей состояния нити, основы и утка, а также исполнительных механизмов ткацкого станка в процессе формирования ткани;

- разработка агрегативной модели формирования ткани на ткацком станке, системы автоматизированного проектирования технологического процесса формирования ткани и системы поддержки принятия решения в ткачестве;

- теоретическое и экспериментальное исследование влияния свойств уточной нити и ее дозировка на процесс формирования ткани на ткацком станке;

- разработка методов расчета параметров формирования и намотки льняной вьюрковой пряжи, получаемой мокрым способом.

В качестве апробации решенных задач предложены новый способ формирования пряжи и ткани, а также система поддержки принятия решений в ткачестве.

Автор защищает:

1. Основы дискретной теории механики текстильной нити.

2. Теоретические положения статики и динамики текстильной нити в ее дискретном представлений.

3. Структурную модель напряженно деформированного состояния нити при растяжении.

4. Теорию дискретного моделирования процессов деформирования текстильной нити при кручении и поперечном сжатии.

5. Теорию контактного взаимодействия нити с жесткой конфигурированной поверхностью.

6. Теоретические положения элементов составляющих систему моделирующую процесс образования ткани на ткацком станке.

7. Агрегативную модель процесса образования ткани, на ткацком станке.

8. Систему автоматизированного проектирования процесса формирования ткани и систему поддержки принятия решения в ткачестве.

9. Результаты теоретических и экспериментальных исследований влияния длины нити вкладываемой в зев основы на процесс образования ткани.

10. Результаты исследования влияния реологических процессов на стабилизацию структуры ткани.

11. Результаты комплексного, обобщенного исследования механики нити в процессе формирования льняной пряжи в зоне кручения и раскладки при мокром способе прядения.

Научная н о в и зн а работы заключаетсч в том, что впервые:

разработана дискретная теория механики нити, которая дополняет и развивает существующие методы анализа статики и динамики текстильной нити.

разработана теория деформирования текстильной нити, как дискретной структуры, при растяжении, с применением сплайн-аппроксимации и интерполяции; кручении с учетом натяжения и поперечного сжатия.

разработан теоретический анализ взаимодействия текстильной нити, как дискретной структуры, с конфигурированными поверхностями.

развита теория процесса формирования ткани на ткацком станке, разработана агрегативная модель процесса образования ткани и стабилизации ее структуры.

разработана теория кручения пряжи в зоне формирования на вьюрковых прядильных машинах для льна,

Пр актическая значимость работы. Диссертационная работа выполнялась в 1984-98 годах в рамках республиканской программы МНТК "Русский лен".

На основе теоретических и экспериментальных исследований разработана система автоматизированного проектирования технологического процесса (САПР ТП) ткачества и компьютерная система поддержки принятия решения (СППР) в ткачестве. Эти компьютерные системы внедрены и используются на АООТ "Большая Костромская мануфактура" , Чебоксарском машиностроительном заводе, Московском экспериментальном заводе (МЭЗ 1) и в ЦНИИМашдеталь.

Разработан способ интенсификации технологического процесса ткачества плотны