автореферат диссертации по технологии материалов и изделия текстильной и легкой промышленности, 05.19.04, диссертация на тему:Совершенствование метода определения конструктивных параметров плечевой одежды с учетом напряженно-деформированного состояния материалов в оболочках

На правах рукописи

00

Ерохина Елена Николаевна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДА ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПЛЕЧЕВОЙ ОДЕЖДЫ С УЧЕТОМ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ МАТЕРИАЛОВ В ОБОЛОЧКАХ

Специальность 05.19.04 - Технология швейных изделий

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 4 МАЙ 2012

005044706

На правах рукописи

Ерохина Елена Николаевна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДА ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ.ПАРАМЕТРОВ ПЛЕЧЕВОЙ ОДЕЖДЫ С УЧЕТОМ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ МАТЕРИАЛОВ В ОБОЛОЧКАХ

Специальность 05.19.04 - Технология швейных изделий

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Диссертационная работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Самарский государственный технический университет» и филиале Федерального государственного бюджетного образовательного учреждении высшего профессионального образования «Российский государственный университет туризма и сервиса» в г. Самаре

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Клебанов Яков Мордухович ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет» заведующий кафедрой «Механика»

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Кирсанова Елена Александровна ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет дизайна и технологий» заведующая кафедрой «Материаловедение»

кандидат технических наук, доцент кафедры «Конструирование швейных изделий» Сурикова Ольга Владимировна ФГБОУ ВПО «Ивановская текстильная академия»

Ведущая организация: ОАО «Центральный научно-исследовательский институт швейной промышленности»

Защита состоится 2012 г. в /¿?'/^часов на

заседании диссертационного совета Д 212.144.01 при ФГБОУ ВПО «МГУДТ» по адресу: 117997, г. Москва, ул. Садовническая, д.ЗЗ, стр.1, ауд.156.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «МГУДТ».

С авторефератом можно ознакомиться на сайте ВАК Автореферат разослан «_» __2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.144.01

Е. В. Лунина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Соответствие качества одежды потребительским и промышленным требованиям, заложенным на этапе проектирования изделия, зависит как от конструкции одежды, так и от свойств материалов, из которых она изготавливается. В иерархической системе требований, предъявляемых к различным швейным изделиям, одной из наиболее весомых групп требований является совокупность требований антропометрического соответствия. Однако их учет связан с определенными проблемами, чаще всего вызванными недостатком информации о свойствах текстильных материалов и отсутствием способов их использования в традиционных методах проектирования.

Отсутствие методов учета физико-механических свойств материалов при проектировании одежды не позволяет формализовать с достаточной точностью процессы выбора методов конструирования и обоснования различных параметров конструкции, что снижает эффективность реализации автоматизированного проектирования.

Таким образом, актуальность разработки методов и процедур проектирования конструкции с учетом деформационных и прочностных характеристик текстильных материалов на ранних этапах обусловлена необходимостью создания и развития виртуальных моделей системы «человек - пакет материалов - одежда» и, в более широком плане, необходимостью совершенствования методов определения конструктивных параметров швейных изделий.

Сложность разрабатываемой проблемы и ее недостаточная изученность создают предпосылки для совершенствования метода оценки конструкции одежды на основе использования численных процедур метода обобщенных моделей конструкций, позволяющих эффективно учитывать нелинейное механическое поведения тканых материалов и изготовленных из них деталей одежды.

Работа соответствует научной специальности 05.19.04 Технология швейных изделий по следующим пунктам: 3. разработка математического и информационного обеспечения систем автоматизированного проектирования деталей одежды; 5. совершенствование методов оценки качества и проектирование одежды с заданными потребительскими и технико-экономическими показателями.

Целью исследования является совершенствование метода определения параметров конструкции одежды и оценки ее внутреннего антропометрического соответствия на основе численного моделирования напряженно-деформированного состояния типовых элементов тканых текстильных материалов.

Задачи работы:

1. Изучение возможностей учета в современных методах проектирования одежды механических свойств материалов.

2. Экспериментальные исследования деформативности участков одежды из различных материалов при воспроизведении повседневной деятельности человека, выявление характера деформаций, преобладающих в процессе начального периода эксплуатации изделия.

3. Формирование структуры и состава исходных данных о свойствах тканых текстильных материалов, необходимых для разработки обобщенных моделей поведения тканей в условиях эксплуатации.

4. Установление исходных данных для моделирования поведения деталей одежды из тканых материалов на базе научно-экспериментальных исследований.

5. Разработка функциональной модели процесса определения конструктивных параметров швейных изделий с учетом деформационных характеристик текстильных материалов.

6. Разработка и реализация метода моделирования механического поведения деталей одежды при пространственном деформировании в процессе эксплуатации, в том числе, создание библиотеки конечно-элементных моделей ячеек тканых материалов; разработка обобщенных моделей неупругого поведения структурных элементов тканей в условиях комбинированных воздействий; моделирование процесса пространственного деформирования деталей одежды с учетом свойств материала.

Объектами исследования явились:

- макеты женской блузы, выполненные из хлопчатобумажных и смешанных тканых материалов,

- детали блузы, испытывающие наибольшие деформации при эксплуатации изделия.

Предмет исследования — напряженно-деформированное состояние детали спинки при пространственном растяжении в процессе эксплуатации.

Основные методы исследования. Работа основывается на комплексном применении теории нелинейных обобщенных моделей процессов деформирования конструкций, современных численных методов механики деформируемого твердого тела, экспериментальных методов.

Конструкции изделий были разработаны в системе автоматизированного проектирования «Грация». Дальнейшая обработка чертежей и построение каркаса для твердотельных моделей осуществлены с применением программного обеспечения Аи1оСАВ14. Исследования и анализ полученных моделей выполнены с помощью

пакетов инженерного анализа ANSYS 10.0 и LS DYNA. Расчеты и обработка результатов исследований выполнены с применением программных средств Microsoft Office, CorelDraw Х5.

Достоверность полученных результатов и выводов обеспечивается корректностью математической постановки задач деформирования и соответствием результатов моделирования и физической картины исследуемых процессов, совпадением количественных результатов с данными проведённых испытаний и экспериментальными данными, известными по научной литературе, использованием аттестованных измерительных средств и апробированных методик испытаний.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

- научно обоснован состав и способы определения исходной информации, необходимой для разработки обобщенных моделей поведения тканей в условиях эксплуатации;

- разработан и реализован метод определения эффективных характеристик структурных элементов тканей, впервые опирающийся на теорию нелинейных обобщенных моделей механики деформированного твердого тела;

- научно обоснованы требования к условиям моделирования поведения деталей одежды при деформировании в период эксплуатации;

- разработана численная модель поведения детали спинки изделия при эксплуатации, впервые учитывающая анизотропное упругопластическое деформирование тканого материала;

- проведено численное и экспериментальное исследование влияния конфигурации срезов на напряженно-деформированное состояние детали спинки женской блузы.

Практическая значимость результатов работы заключается в следующем:

- разработано и изготовлено испытательное устройство для определения свойств материалов при двухосном растяжении (патент на полезную модель № 102802 МПК G01N 3/08);

- определены эффективные характеристики тканей полотняного переплетения, необходимые для моделирования их поведения в пакетах инженерного анализа ANSYS и LS DYNA;

- разработаны практические рекомендации по применению метода моделирования поведения деталей с учетом их напряженно-деформированного состояния, повышающего уровень антропометрического соответствия однослойной женской плечевой одежды.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на заседаниях кафедр: «Механика» ФГБОУ

ВПО «СамГТУ»; «Технологии сервиса и дизайна» филиала ФГБОУ ВПО «РГУТиС» в г. Самаре;

на конференциях: Поволжской региональной научно-технической конференции «Легкая промышленность. Сервис» (Самара, 2003), всероссийской научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития сервиса: образование, управление, технологии» (Самара, 2004,2008,2010), всероссийской научно-технической конференции «Легкая промышленность. Сервис» (Самара, 2005), международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург, 2006), всероссийской научной конференции «Математическое моделирование и краевые задачи» (Самара: СамГТУ, 2006, 2007), международной научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (Москва, 2009), всероссийской научно-технической конференции «Современные сервисные технологии. Научные исследования аспирантов и молодых ученых» (Самара, 2009,2011).

Исследовательская работа «Разработка методов компьютерного моделирования процессов формообразования и формозакрепления деталей одежды» была поддержана в рамках Конкурса грантов для студентов, аспирантов и молодых ученых Самарской области в 2005 году, шифр гранта 336Т3.8К. На защиту выносятся:

1. Иерархический подход к моделированию поведения деталей изделия из тканых материалов при эксплуатации.

2. Подход к получению обобщенных моделей структурных элементов ткани, описывающих поведение эквивалентного однородного материала.

3. Метод оценки деформаций деталей швейных изделий в условиях эксплуатации.

4. Результаты анализа влияния конструктивных параметров на характер распределений напряжений и деформаций в деталях одежды. Публикации. Результаты диссертационной работы опубликованы в

16 печатных работах: 2 тезисах докладов, 13 статьях, в том числе в 3 изданиях, входящих в «Перечень ведущих рецензируемых журналов», утвержденный ВАК Российской Федерации; получен 1 патент на полезную модель.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка и приложений. Работа изложена на 149 страницах основного текста, содержит 80 рисунков, 5 таблиц, библиографический список из 128 наименований, 4 приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследования, определены научная новизна и практическая значимость работы, приведены результаты апробации.

В первой главе рассмотрены факторы, определяющие свойства одежды в движении (рис. 1), методы оценки антропометрического соответствия системы «человек-одежда» и возможности учета свойств текстильных материалов в различных методах проектирования, в том числе и автоматизированных.

| Система «человек - одежда»

И

9 ё

S 5

характеристики

психофизиологического состояния

анатомические и морфологические характеристики

антропометрические характеристики

характеристики двигательной активности

харакгфнспкі н отравление взаимодействия элементов системы

утомляемость

работоспособность

характеристики костной н мыш«ной

характеристики телосложежя к пропер ЦНЙ

размерные гркзнахн в статике

ржзыфные гркшжхн в динамике

комплоте характерных движении и ч эстотж их выполнения

размах (амплитуда) движений

точность н скорость движений

функция_

условия эксплуатации, род деятельности

состав пакета материалов

структура и вид поверхности

силуэт, покрой

внешние н внутренние размеры _одеяды_

характеристики членения деталей одежды

архитектоника н тектоника формы

замнутость гродольміїх к поперечных контуров _____одеяды_

уровея» деформаций материалов в одежде

усилия растяжения в деталях_

конпкшый хар актер взаимодействия н уровея» давлення, оказываемого на тело

одежда

характеристики назначение одежды

геометр ии-ческие характеристики формы одежды

физико-механические характеристики одежды

g Й

І 6 5 5

Рисунок 1 - Схема взаимодействия элементов системы «человек -

одежда»

Задачами получения плоских разверток занимались П.Л. Чебышев, A.B. Савостицкий, Э.Ф. Фридлянд, И.В. Лопандин, H.H. Раздомахин, Т.В. Медведева, А.Ю. Рогожин. Большой вклад в изучение деформаций материалов в готовых изделиях внесли Б.А. Бузов, М.В. Стебельский, Е.Б. Коблякова.

С развитием компьютерных технологий, программного обеспечения и современных методов моделирования четко обозначилась тенденция по замене дорогостоящего натурного моделирования различными математическими моделями поведения материалов. В настоящее время

многие авторы рассматривают вопросы моделирования структурных элементов различных гетерогенных материалов с целью определения влияния свойств исходных составляющих на локализацию наибольших напряжений и деформаций в материале в целом. Численному моделированию текстильных материалов посвящены работы М.В. Киселёва, Д.В. Голубкова, Т.П. Тихоновой, Е.В. Голубевой.

Представленные в литературе конечно-элементные модели, различные по геометрическим характеристикам и свойствам материалов, позволили рассмотреть вопросы нелинейного поведения технических тканых материалов малой плотности, решить некоторые проблемы выбора материалов при проектировании изделий из текстильных композитов. Наряду с этим остаются недостаточно проработанными вопросы, связанные с моделированием поведения текстильных материалов для швейных изделий и с влиянием геометрических характеристик конструкции на распределение деформаций в деталях.

Таким образом, установлена необходимость применения компьютерных технологий для оценки конструкций швейных изделий с учетом напряженно-деформированного состояния текстильных материалов в готовой одежде.

Во второй главе в целях корректной реализации трехмерной технологии проектирования одежды с учетом особенностей поведения текстильных материалов были изучены процессы деформирования деталей женской блузы при выполнении человеком различных движений и процессы деформирования материалов при различных видах плоского напряженного состояния.

Выявление наиболее ответственных участков в одежде, испытывающих наибольшие деформации и влияющих на восприятие формы изделия, и определение количественных значений деформаций производилось посредством моделирования реальной деятельности человека, характерной для эксплуатации плечевой одежды.

Влияние кривизны нижнего участка проймы на деформирование детали спинки исследовалось на макетах изделий, изготовленных из тканей полотняного переплетения: хлопчатобумажной бязи и сорочечной ткани из смешанных волокон. Анализ результатов эксперимента показал, что при уменьшении кривизны нижнего участка проймы деформации снижаются во всех контрольных точках, причем, уменьшение происходит неодинаково в макетах из различных материалов.

Выявлено, что проводимые в настоящее время стандартные исследования прочности материалов не могут дать исчерпывающей информации о поведении материала в реальных условиях изготовления и эксплуатации швейных изделий.

В связи с отсутствием стандартных приборов и методов определения деформационных характеристик при двухосном растяжении авторами было спроектировано и изготовлено специальное устройство (рис. 2). На нём проведены испытания на одноосное и двухосное растяжение текстильных материалов.

Устройство растягивает образец 1 за счет одновременного вращения муфт 3, создавая в средней зоне образца однородное напряженно-деформированное состояние. Зажимы 2 за счет шарнирного закрепления передают осевые усилия, не препятствуя при этом сдвигу в плоскости образца. Изменение нагрузок регистрируется силоизмерителями 4. Размеры образцов в зависимости от свойств конкретных материалов могут варьироваться от 150 до 300 мм.

4

Рисунок 2 - Схема устройства для исследования деформационных свойств текстильных материалов

Двухосное растяжение является необходимым видом испытания текстильных материалов, так как по результатам таких испытаний возможно построение корректных моделей механического поведения тканей для прогнозирования поведения и разрушения швейных изделий в условиях как традиционного, так и автоматизированного проектирования швейных изделий.

В третьей главе предложена концепция и функциональная модель процесса трехмерного проектирования одежды с учетом ее деформирования при эксплуатации(рис.З).

Уровень моделирования

Конечно-элементная обобщенная модель поведения эквивалентного гомогенизированного материала

Результат реализации

Испытания образцов

Анализ поведения деталей конструкции

I' і

х

Нисходящее проектирование -ф- ф Восходящее проектирование

Конечно-элементная модель поведения

структурных элементов ткани

%

Я

£,"<62.51 МП* 4>-Ш0МПа;

^«ц, »0,001; Ь„"2,5МГЬ; Сг,'О. ІООМНа; сг.-і:,ЗІМПа:

К. -0,25. К. К, ' 0,2?

Рисунок 3 - Схема иерархического моделирования поведения деталей конструкции из текстильных материалов

Предлагаемый подход к решению нелинейных задач механики деформируемого твёрдого тела для конструкций из тканых материалов опирается на методы создания иерархических обобщенных моделей и соответствующие эффективные численные методы анализа конструкций, так как различные свойства одежды во многом определяются свойствами используемых различных текстильных материалов, обладающими иерархией структуры и свойств.

Конструкция из тканого материала рассматривается как составленная из подконструкций, то есть элементарных ячеек. Каждая подконструкция аппроксимируется конечноэлементной сеткой. Определяющие уравнения для материала в общем случае могут быть записаны в виде:

ао^ ил/ = 1ДЗ

где 5//> еч — компоненты тензоров напряжений и деформаций; Ф -потенциал деформаций (дополнительная работа).

Эквивалентное обобщенное перемещение для каждой подконструкций в соответствии с аппроксимацией поверхности равной дополнительной работы гиперэллипсоидом представлено в виде:

иа =(Сг*аиги*)1П> Г,5-1,2,..., (2)

где коэффициенты спа - константы соответствующие данной подконструкции с номером а, иг>и! _ перемещения на границе подконструкции.

В нашем случае, когда в качестве подконструкции рассматривается ячейка периодичности тканого материала, обобщёнными силами и перемещениями являются соответственно напряжения и деформации гомогенизированного материала. При этом = 1,...,6, а эквивалентные обобщённые перемещения и силы представляют собой соответствующие эквивалентные деформации и напряжения.

В четвертой главе излагаются результаты практического применения разработанного подхода по созданию моделей поведения тканых материалов, основанного на построении обобщенных моделей механического поведения структурных элементов тканей.

Реализация данного подхода рассмотрена на двух уровнях моделирования механического поведения на примере двух тканей полотняного переплетения. На первом уровне моделируется поведения ячейки ткани как структурного элемента материала. По результатам моделирования первого уровня ткань заменяется однородным материалом с эквивалентными свойствами и исследуется при граничных условиях, имитирующих стандартные испытания на растяжение, и в

процессе деформирования детали конструкции в условиях эксплуатации изделия.

Конечно-элементные модели ячеек периодичности тканого материала (рис. 4) созданы с учётом условий контактного взаимодействия их элементов, их геометрических и механических характеристик. Упругопластические свойства материала нитей принимались нелинейными и ортотропными. При задании механических свойств материалов были учтены существенные отличия механических свойств нитей в продольном и поперечных направлениях. Учтено, что свойства любых материалов, в том числе и нитей всегда задаются в соответствии с расположением осей координат каждого элемента, которые в свою очередь совпадают с ориентацией глобальных или определенных локальных осей координат.

С целью корректного задания граничных условий на единичной ячейке ткани разработана методика численного анализа с использованием метода подмоделей.

Для определения эффективных характеристик эквивалентного однородного материала потребовалось решение ряда задач при различных граничных условиях: одноосное растяжение соответственно вдоль основы и утка, двухосное растяжение при различных соотношениях деформации во взаимно перпендикулярных направлениях е, и е2, характеризуемых коэффициентом к=е,/е2 (при ¿=1,2,3,4, 1/2, 1/3, 1/4), чистый сдвиг, сдвиг в сочетании с одноосным и двухосным растяжением. В качестве примера на рисунке 5 приведены результаты решения задачи в условиях одноосного растяжения в направлении нитей основы для сорочечной ткани.

АЧ

Рисунок 4 - Геометрия конечно-элементной модели ячейки сорочечной ткани полотняного переплетения третьего порядка фазы строения.

а) ""б)

Рисунок 5 - Поля распределения деформаций при одноосном растяжении сорочечной ткани вдоль нитей основы: а) -аксонометрическое изображение; б) - вид сверху.

В результате численного анализа поведения элементарной ячейки материала при одноосном и двухосном растяжении и сдвиге получены диаграммы деформирования, связывающие усилия, приходящиеся на одну нить в ячейке, и относительное удлинение ячейки. Каждая диаграмма является результатом решения задачи для ячейки при определенном сочетании граничных условий.

Далее в результате гомогенизации тканый материал заменялся эквивалентным материалом в виде однородной оболочки. В соответствии с принципами получения иерархических обобщенных моделей зависимости «относительное удлинение — удельная нагрузка» для исследуемых материалов были преобразованы в зависимости «деформация - напряжение» и определены инвариантные характеристики напряженно-деформированного состояния, не зависящие от выбора осей координат: средние напряжения и деформации, их интенсивности. При рассмотрении неодноосного деформирования ячеек установлена связь между эквивалентными деформациями и напряжениями.

С целью подтверждения точности и эффективности получаемых решений краевых задач было выполнено решение ряда тестовых задач, имитирующих одноосное растяжение образцов ткани стандартных размеров и двухосное растяжение крестообразных образцов. Сопоставление расчетных результатов показало хорошее совпадение с результатами стандартных испытаний (рис. 6).

Хорошая согласованность численных и экспериментальных данных подтверждает возможность использования конечно-элементных моделей поведения ячеек периодичности ткани для определения эффективных характеристик эквивалентного однородного материала.

Рисунок 6 - Зависимости «удлинение-удельная нагрузка» при одноосном растяжении сорочечной ткани, полученные по экспериментальным данным и в ходе численного расчета.

Модель гомогенизированного материала эквивалентного сорочечной ткани была использована и на следующем этапе при разработке объемной конечно-элементной модели детали спинки женской блузы полуприлегающего силуэта и поверхности тела. Данная модель была использована для изучения деформирования детали в условиях растяжения детали спинки при эксплуатации. Задача решалась в статической постановке с использованием программных комплексов инженерного анализа А^УБ и ЬБ-БУЫА. Так как процессы изменения формы детали подразумевают большие перемещения и являются существенно нелинейными, то при одинаковых исходных данных пакет ЬЗ-ОУЫА обеспечивает лучшую сходимость и меньшее время расчета при решении задачи, чем пакет анализа АИЗУБ. Граничные условия задавались таким образом, чтобы учитывалось влияние отсутствующих деталей полочки и рукава. Величины перемещения контуров детали соответствовали изменению размерных признаков при выполнении рабочего движения «отведение рук вперед».

Поля деформаций растяжения в направлении нитей утка, определенные экспериментально и численно, показаны на рисунке 7 в виде распределения показателей относительного удлинения в различных точках детали.

Совпадение количественных значений деформаций свидетельствует о достоверности расчетов, выполненных методом конечных элементов, и об эффективности предложенного подхода.

Дальнейшая апробация предлагаемого метода иерархического моделирования поведения детали проводилась при сравнении численных моделей (рис. 8) изделий, экспериментальное исследование которых рассмотрено в главе 2: в этих моделях варьировались конфигурация и размеры криволинейных срезов деталей спинки .

а) б)

Рисунок 7 - Поля распределения деформаций растяжения в направлении нитей утка, определенные в результате: а) - эксперимента и б) -численного расчета.

LS-OYNA user input

Time и 3,3693

Contours of Mid Surfac» X-slndn mlrt=-a.01, * «Urn* «57

а) 6) в)

Рисунок 8 - Поля распределения напряжений в направлении нитей утка, определенные для исследуемых вариантов конструкции.

Например, при уменьшении кривизны проймы на 4 и 8 мм деформации в направлении нитей утка в двух наиболее характерных точках конструкции вблизи нижнего участка проймы снизились в среднем на 9,1 и 14,9%, то есть уровень внутреннего соответствия данной конкретной системы «человек-одежда» стал существенно выше. Результаты численного моделирования хорошо согласуются с

экспериментальными данными, что свидетельствует о достоверности выполненных расчетов с использованием метода конечных элементов и эффективности предложенного метода.

Таким образом, данный метод оценки деталей конструкции по показателям внутреннего антропометрического соответствия, а именно величине деформаций материалов, может применяться при обосновании, как единичных параметров проектирования, так и их сочетаний на ранних этапах до изготовления макета или образца изделия. По результатам численного эксперимента разработаны рекомендации по применению нового метода при сравнении вариантов деталей конструкции и совершенствованию конструкции с целью повышения ее комфортности.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ современных методов проектирования одежды с точки зрения учета в них механических свойств материалов показал, что данные методы недостаточно учитывают влияние деформационных характеристик материалов на свойства изделия.

2. В ходе экспериментальных исследований макетов изделий из двух видов материалов выявлено что, деформационные свойства материалов и деталей конкретной конструкции, выполненной из них, во многом определяют удобство одежды при движении человека, так как деформации материала на отдельных участках деталей оказывают большое влияние на свойства системы «человек - одежда» в движении.

3. Определены структура и состав исходных данных о свойствах тканых текстильных материалов, необходимых для разработки обобщенных моделей поведения тканей в условиях эксплуатации.

4. Спроектировано и изготовлено специальное устройство для испытаний текстильных материалов на одноосное и двухосное растяжение.

5. Проведены испытания по определению деформационных свойств текстильных материалов при двухосном растяжении с различными соотношениями деформаций в двух направлениях.

6. Разработана функциональная модель процесса определения конструктивных параметров швейных изделий с учетом деформационных характеристик текстильных материалов.

7. Разработана и реализована процедура численного определения механических характеристик структурных элементов тканей, опирающаяся на теорию нелинейных обобщенных моделей механики деформированного твердого тела;

8. Разработан численный метод определения конструктивных параметров деталей одежды с учетом деформирования текстильных материалов в процессе эксплуатации.

9. Выполнен конечно-элементный анализ деформирования деталей конструкции из ткани полотняного переплетения, позволяющий оценить влияние формы и размеров участков конструкции на напряженно-деформированное состояние детали в целом до изготовления образца изделия и разработать рекомендации по совершенствованию конструкции с целью повышения ее комфортности.

ОПУБЛИКОВАННЫЕ РАБОТЫ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи в гаданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Клебанов Я.М., Бурмистров А.Г., Ерохина E.H. Экспериментальное исследование поведения крестообразных деталей из тканых текстильных материалов при двухосном растяжении // Швейная промышленность. — 2010 г.-№6.-с. 36-38.

2. Клебанов Я.М., Ерохина E.H. Численное моделирование поведения детали спинки женской блузы при ее деформировании // Известия вузов. Технология текстильной промышленности — 2011. -№4. - с. 159-164.

3. Клебанов Я.М., Ерохина E.H. Определение эффективных характеристик ткани на основе имитационного моделирования // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технические науки, приложение к №4 - 2006. - с.155-161.

Статьи в других научных журналах и изданиях:

4. Ерохина E.H. Двухосное растяжение крестообразных образцов из тканых материалов // Философские, технические, методические и социальные аспекты преподавательской, научной и производственной деятельности в сфере сервиса: Межвузовский сборник научных трудов, вып.15. - Самара: Филиал ФГОУВПО «РГУТиС» в г. Самаре, Изд-во «Инсома-Пресс», 2010 г.-с.92-93.

5. Клебанов Я.М., Бурмистров А.Г., Ерохина E.H. Устройство для исследования деформационных свойств материалов. Патент на полезную модель № 102802 МПК G01N 3/08. Дата подачи заявки: 13.09.2010. Опубликовано: 10.03.2011 Бюл. №7.

Материалы конференций:

6. Ерохина E.H. Проблемы учета механических свойств материалов при проектировании одежды // Легкая промышленность. Сервис. Научные исследования аспирантов и молодых ученых вузов Приволжского федерального округа: Тезисы докладов региональной научно-технической конференции 23-25 сентября 2003 года. — Самара: СФ МГУС, 2003г.-с.52-53.

7. Ерохина E.H. Разработка методов компьютерного моделирования процессов формообразования и формозакрепления деталей одежды // Состояние и перспективы развития сервиса: образование, управление, технологии: Сборник докладов Всероссийской научно-практической конференции 22 сентября 2004 года. - Самара: изд-во СГПУ, 2004 г. -с.67-69.

8. Ерохина E.H. Особенности формирования определяющих уравнений поведения структурных элементов тканей // Легкая промышленность. Сервис. Научные исследования аспирантов и молодых ученых: Сборник материалов Всероссийской научно-технической конференции 10 - 12 октября 2005 года. - Самара: СФ МГУС, 2005. - с.42-43.

9. Клебанов Я.М., Ерохина E.H. Моделирование неупругого поведения тканых текстильных материалов на основе метода обобщенных моделей // Математическое моделирование и краевые задачи: Труды Третьей Всероссийской научной конференции. 4.1: Математические модели механики, прочности и надежности элементов конструкций. - Самара: СамГТУ, 2006. - с.105-107.

Ю.Клебанов Я.М., Ерохина E.H. Разработка методов компьютерного моделирования процессов формообразования деталей одежды // Высокие технологии, фундаментальные и прикладные исследования, образование: Том 5. Сборник трудов Второй международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности». 07-09.02.2006 - Санкт-Петербург, 2006. - с.129-130.

11. Клебанов Я.М., Ерохина E.H. Метод обобщенных моделей в задачах нелинейного деформирования тканых материалов // Математическое моделирование и краевые задачи: Труды Четвертой Всероссийской научной конференции. 4.1: Математические модели механики, прочности и надежности элементов конструкций. - Самара: СамГТУ, 2007. - с.128-131.

12. Ерохина E.H. Имитационное моделирование напряженно-деформированного состояния тканых материалов // Состояние и перспективы развития сервиса: образование, управление, технологии: Материалы Всероссийской научно-технической конференции (31 октября 2008 г.) / Филиал ФГОУВПО «РГУТиС» в г. Самаре. - Самара: Самар. Отд-ние Литфонда, 2008. - с. 72-73.

13. Ерохина E.H. О необходимости изучения процессов деформирования тканых материалов в условиях двухосного растяжения // Современные сервисные технологии. Научные исследования аспирантов и молодых ученых: Материалы Всероссийской научно-технической конференции (6 ноября 2009 г.) / Федеральное агентство по образованию, Филиал ФГОУВПО «РГУТиС» в г. Самаре. - Самара: Самар. Отд-ние Литфонда, 2009.-с. 9-13.

14. Ерохина E.H. Компьютерное моделирование поведения тканых текстильных материалов // Тезисы докладов Международной научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (ТЕКСТИЛЬ-2009) - М., ГОУВПО «МГТУ им. А.Н. Косыгина», 2009. - с. 254-255.

15. Клебанов Я.М., Бурмистров А.Г., Ерохина E.H. Исследование деформационных свойств крестообразных деталей из тканых текстильных материалов при двухосном растяжении // Состояние и перспективы развития сервиса: образование, управление, технологии: Материалы Всероссийской научно-технической конференции (12 ноября 2010 г.) / Филиал ФГОУВПО «РГУТиС» в г. Самаре. - Самара: Самар. Отд-ние Литфонда, 2010. - с. 56-60.

16. Ерохина E.H. Моделирование поведения детали спинки женской блузы с использованием метода конечных элементов // Современные сервисные технологии. Научные исследования аспирантов и молодых ученых: Материалы Всероссийской научно-технической конференции (11 ноября 2011 г.) / Министерство образования и науки, Филиал ФГБОУ ВПО «РГУТиС» в г. Самаре. - Самара: Изд-во «Инсома-Пресс», 2011.-с. 224-230.

Автор выражает искреннюю благодарность и признательность за оказанную помощь в проведении экспериментальных исследований кандидату технических наук, доценту Бурмистрову А.Г., за постоянное внимание к работе и ценные советы доктору технических наук, профессору Клебанову Я. М.

Ерохина Елена Николаевна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДА ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПЛЕЧЕВОЙ ОДЕЖДЫ С УЧЕТОМ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ МАТЕРИАЛОВ В ОБОЛОЧКАХ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Усл.-печ. 1,0 п.л. Тираж 80 экз. Заказ № /D6-U Редакционно-издательский отдел МГУДТ. 117997, г. Москва, ул. Садовническая, д. 33, стр.1. Тел./факс (495) 506 72 71 e-mail: rfrost@yandex.ru Отпечатано в РИО МГУДТ.

61 12-5/3812

На правах рукописи

Ерохина Елена Николаевна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДА ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПЛЕЧЕВОЙ ОДЕЖДЫ С УЧЕТОМ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ МАТЕРИАЛОВ В

ОБОЛОЧКАХ

Специальность 05.19.04 - Технология швейных изделий

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук,

профессор Клебанов Яков Мордухович

Самара-2012

СОДЕРЖАНИЕ

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

1. РАЗВИТИЕ И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ МЕТОДОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОДЕЖДЫ С УЧЕТОМ ТРЕБОВАНИЙ АНТРОПОМЕТРИЧЕСКОГО СООТВЕТСВИЯ И СВОЙСТВ ТЕКСТИЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ.............................................................................................13

1.1 Анализ факторов, определяющих свойства одежды в движении, и методов оценки антропометрического соответствия системы «человек-одежда»......................................13

1.1.1 Механизмы взаимодействия элементов системы «человек - одежда»...........14

1.1.2 Методы антроподинамической оценки системы «человек-одежда» и свойства текстильных материалов как исходные данные для моделирования поведения системы «человек-одежда».........................................................................17

1.2 Возможность учета требований антропометрического соответствия системы «человек-одежда» в различных методах разработки конструкций одежды.....................22

1.2.1 Развитие методов определения конструктивных параметров деталей швейных изделий по заданной поверхности с учетом деформационных свойств материалов.......................................................................................................................23

1.2.2 Методы определения конструктивных параметров деталей швейных изделий в плоскостных и трехмерных «одевающих» системах проектирования одежды ...29

1.2.3 Инженерные методы анализа и моделирования поведения тканых текстильных материалов..............................................................................................36

1.3 Постановка задачи исследования....................................................................................44

Выводы по главе 1..................................................................................................................47

2. ЭКСЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ДЕФОРМИРОВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ КОНСТРУКЦИИ И МАТЕРИАЛОВ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ..........................48

2.1 Изучение вариантов конструктивных решений однослойной женской плечевой одежды, выбор и характеристика объекта исследования...................................................48

2.2 Экспериментальное исследование влияния конструктивных параметров проймы на характер деформации деталей спинки женской блузы.......................................................55

2.3 Разработка способа и устройства для исследования поведения тканых текстильных материалов при двухосном растяжении...............................................................................61

2.4 Изучение поведения крестообразных образцов тканых текстильных материалов при

двухосном растяжении...........................................................................................................68

Выводы по главе 2..................................................................................................................73

3. РАЗРАБОТКА КОНЦЕПЦИИ И ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ МОДЕЛИ ПРОЦЕССА ТРЕХМЕРНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОДЕЖДЫ С УЧЕТОМ ЕЕ ДЕФОРМИРОВАНИЯ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ.............................................................................................................74

3.1 Разработка иерархического принципа проектирования одежды с учетом механического поведения текстильных материалов...........................................................74

3.2 Теоретические основы определения характеристик упругого и неупругого поведения анизотропных структур и материалов...............................................................79

3.2.1 Упругие характеристики анизотропных материалов.......................................80

3.2.2 Условия начала текучести для анизотропных материалов..............................87

3.3 Разработка обобщенной модели процесса неупругого деформирования детали из текстильных материалов с применением численных методов анализа............................91

3.4 Разработка функциональной модели процесса трехмерного проектирования одежды

с учетом ее деформирования.................................................................................................98

Выводы по главе 3................................................................................................................100

4. РАЗРАБОТКА МЕТОДА ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ДЕТАЛЕЙ ОДЕЖДЫ НА ОСНОВЕ ЧИСЛЕННОГО ИЕРАРХИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПОВЕДЕНИЯ ТКАНЫХ ТЕКСТИЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ..........101

4.1 Разработка моделей представительного объема тканых материалов средствами МКЭ АШУБ...................................................................................................................................102

4.1.1 Геометрическое моделирование нитей и ячеек периодичности, учет контактного взаимодействия нитей..........................................................................103

4.1.2 Моделирование поведения структурных элементов тканей в заданных условиях воздействий....................................................................................................116

4.1.3 Вычисление эффективных упруго-пластических характеристик эквивалентного однородного материала....................................................................122

4.2 Моделирование поведения детали спинки плечевой одежды при эксплуатации.... 133

4.2.1 Разработка модели поведения детали спинки женской блузы при образовании объемной формы и ее эксплуатации............................................................................133

4.2.2 Сравнительный анализ напряженно-деформированного состояния деталей конструкции спинки блузы с различной степенью кривизны нижнего участка проймы............................................................................................................................140

Выводы по главе 4................................................................................................................147

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.............................................................................................148

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.........................................................................................................150

ПРИЛОЖЕНИЕ 1......................................................................................................................163

ПРИЛОЖЕНИЕ 2......................................................................................................................167

ПРИЛОЖЕНИЕ 3......................................................................................................................169

ПРИЛОЖЕНИЕ 4......................................................................................................................170

ВВЕДЕНИЕ

Современная одежда изготавливается преимущественно из плоских материалов, чаще всего тканей, и является сложным по структуре и выполняемым функциям объектом. Движения человека приводят к изменениям формы и размеров частей самого тела, перемещениям частей одежды по отношению друг к другу и к телу человека, сопровождающимся деформированием материалов. Поэтому соответствие качества одежды потребительским и промышленным требованиям, заложенным на этапе проектирования изделия, зависит как от конструкции одежды, так и от свойств материалов, из которых она изготавливается.

При этом в системе требований, предъявляемых к одежде, одно из наиболее значимых мест занимают требования антропометрического соответствия. Но их учет связан с проблемами, чаще всего вызванными недостаточной информацией о влиянии свойств и особенностей поведения тканых материалов на характеристики готового изделия. Исходная информация, необходимая для принятия научно-обоснованных решений в процессах разработки изделия, зачастую носит разрозненный и несвязанный с традиционными методами проектирования характер, или отсутствует как таковая. Трехмерное проектирование одежды, как одно из перспективных направлений совершенствования, также требует всестороннего учета характеристик различных свойств текстильных материалов, проявляемых ими в условиях одевания различных объемных поверхностей. Однако исторически сложившимися основными задачами, решаемыми в процессах проектирования швейных изделий, остаются получение, во-первых, разверток объемных форм одежды, заданных тем или иным способом и, во-вторых, оболочек объемно-пространственной формы из плоского материала с конкретными свойствами [1-7], то есть задачи преимущественно геометрического моделирования. В свою очередь, при проектировании, производстве и эксплуатации текстильных изделий возникают проблемы

учета механических свойств текстильных материалов в целях обеспечения оптимального уровня качества продукта. Кроме того, развитие систем автоматизации проектирования изделий из текстильных материалов влечет за собой необходимость использования современных методов математического моделирования их поведения в различных условиях, повышающих уровень процесса инженерно-технического проектирования.

В настоящее время в области трехмерного проектирования одежды рассмотрены общие вопросы теории представления одежды как пространственного объекта [5,6], способы задания трехмерных поверхностей манекена или тела человека и получения разверток поверхностей по их трехмерным моделям [47-58], вопросы разработки систем визуализации пространственной формы одежды [61-65] и искусственного интеллекта для проектирования одежды [51-53]. Вместе с тем, многие исследователи отмечают, что в существующих системах проектирования одежды до настоящего времени наблюдается слабая взаимосвязь информационных потоков о свойствах материалов, особенностях опорной и неопорной поверхностей, способах формообразования, методах определения конструктивных параметров одежды и оценки конструкций изделий. При этом диапазон материалов, используемых для создания одежды, очень велик и постоянно расширяется, а свойства отдельных материалов существенно различаются. Существующий уровень процесса проектирования обусловливает необходимость неоднократной проработки первичных конструкций изделий в материале - проведения примерок. Основными причинами, обусловливающими сложившуюся ситуацию, являются, в том числе отсутствие системности и единого подхода к проектированию одежды из различных текстильных материалов, слабая связь между основными конструктивными параметрами одежды и характеристиками свойств тканых материалов, прежде всего деформационными.

Такой подход увеличивает длительность процесса проектирования и затраты материальных ресурсов. В настоящее время наиболее

перспективным направлением является развитие подходов, при которых оценка свойств и поведения изделий в целом или его отдельных деталей производится на ранних этапах проектирования [75-79]. Но вопросам оценки одежды на эргономическое соответствие в связи с отсутствием универсальных моделей поведения текстильных материалов уделяется недостаточно внимания, что не позволяет оперативно управлять формированием качества готовых изделий и снижает эффективность реализации даже автоматизированного проектирования одежды. Таким образом, актуальность разработки подхода и методов проектирования конструкции с учетом деформационных и прочностных характеристик текстильных материалов на ранних этапах обусловлена необходимостью развития и совершенствования виртуальных моделей системы «человек — одежда» и, в более широком плане, методов определения конструктивных параметров швейных изделий.

Несмотря на то, что современные САПР, реализующие 3-Б технологии, предоставляют удовлетворительную геометрическую визуализацию пространственной формы и хорошее качество разверток опорных поверхностей однослойной одежды, в данной работе в качестве объекта исследования выбраны детали спинки женской блузы полуприлегающего силуэта с втачным рукавом. Это связано с необходимостью более глубокого исследования взаимосвязи параметров конструкции и свойств конкретных материалов при деформировании изделия в процессе эксплуатации.

Сложность разрабатываемой проблемы и ее недостаточная изученность создают предпосылки для совершенствования метода определения конструктивных параметров одежды и технологии оценки конструкции на соответствие антропометрическим показателям качества на основе использования численных процедур метода обобщенных моделей конструкций, позволяющих эффективно учитывать нелинейное механическое поведение тканых материалов и изготовленных из них деталей.

В связи с этим развитие методов определения параметров конструкции с учетом деформационных и прочностных характеристик текстильных материалов на ранних этапах является актуальной задачей.

Целью исследования является совершенствование методов определения параметров конструкции одежды и оценки деформирования ее деталей при эксплуатации на основе численного моделирования напряженно-деформированного состояния типовых элементов тканых текстильных материалов.

Для достижения этой цели потребовалось решение следующих задач:

1. Изучение возможностей учета в современных методах проектирования одежды механических свойств материалов.

2. Экспериментальные исследования деформативности участков одежды из различных материалов при воспроизведении повседневной деятельности человека, выявление характера деформаций, преобладающих в процессе начального периода эксплуатации изделия.

3. Формирование структуры и состава исходных данных о свойствах тканых текстильных материалов, необходимых для разработки обобщенных моделей поведения тканей в условиях эксплуатации.

4. Установление исходных данных для моделирования поведения деталей одежды из тканых материалов на базе научно-экспериментальных исследований.

5. Разработка функциональной модели процесса определения конструктивных параметров швейных изделий с учетом деформационных характеристик текстильных материалов.

6. Разработка и реализация метода моделирования механического поведения деталей одежды при пространственном деформировании в процессе эксплуатации, в том числе, создание библиотеки конечно-элементных моделей ячеек тканых материалов; разработка обобщенных моделей неупругого поведения структурных элементов тканей в условиях комбинированных воздействий; моделирование процесса

пространственного деформирования деталей одежды с учетом свойств материала.

Объектами исследования явились:

- макеты женской блузы, выполненные из хлопчатобумажных и смешанных тканых материалов,

- детали блузы, испытывающие наибольшие деформации при эксплуатации изделия.

Предмет исследования - напряженно-деформированное состояние детали спинки при пространственном растяжении в процессе эксплуатации.

Основные методы исследования. Работа основывается на комплексном применении теории нелинейных обобщенных моделей процессов деформирования конструкций, современных численных методов механики деформируемого твердого тела, экспериментальных методов.

Конструкции изделий были разработаны в системе автоматизированного проектирования «Грация». Дальнейшая обработка чертежей и построение каркаса для твердотельных моделей осуществлены с применением программного обеспечения AutoCAD 14. Исследования и анализ полученных моделей выполнены с помощью пакетов инженерного анализа ANSYS 10.0 и LS DYNA. Расчеты и обработка результатов исследований выполнены с применением программных средств Microsoft Office, CorelDraw Х5.

Достоверность полученных результатов и выводов обеспечивается корректностью математической постановки задач деформирования и соответствием результатов моделирования и физической картины исследуемых процессов, совпадением количественных результатов с данными проведённых испытаний и экспериментальными данными, известными по научной литературе, использованием аттестованных измерительных средств и апробированных методик испытаний.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

- научно обоснован состав и способы определения исходной информации, необходимой для разработки обобщенных моделей поведения тканей в условиях эксплуатации;

- разработан и реализован метод определения эффективных характеристик структурных элементов тканей, впервые опирающийся на теорию нелинейных обобщенных моделей механики деформированного твердого тела;

- научно обоснованы требования к условиям моделирования поведения деталей одежды при деформировании в период эксплуатации;

- разработана численная модель поведения детали спинки изделия при эксплуатации, впервые учитывающая анизотропное упругопластическое деформирование тканого материала;

- проведено численное и экспериментальное исследование влияния конфигурации нижнего участка проймы на напряженно-деформированное состояние детали спинки женской блузы.

Практическая значимость результатов работы заключается в

следующем:

- разработано и изготовлено испытательное устройство для определения свойств материалов при двухосном растяжении (патент на полезную модель № 102802 МПК (50 Ш 3/08);

- определены эффективные характеристики тканей полотняного переплетения, необходимые для моделирования их поведения в пакетах инженерного анализа А^УБ и ЬБ БУМА;

- разработаны практические рекомендации, повышающие уровень антропометрического соответствия однослойной женской плечевой одежды, в том числе: рекомендации по расположению конструктивных элементов на детали спинки и по определению параметров нижнего участка проймы с у