автореферат диссертации по технологии материалов и изделия текстильной и легкой промышленности, 05.19.04, диссертация на тему:Теория и методы проектирования объемных малошовных оболочек с триаксиальной и мультиаксиальной структурой

005003110

На правах рукописи

Х-

ЛАВРИС Екатерина Васильевна

ТЕОРИЯ И МЕТОДЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОБЪЕМНЫХ МАЛОШОВНЫХ ОБОЛОЧЕК С ТРИАКСИАЛЬНОЙ И МУЛЬТИАКСИАЛЬНОЙ СТРУКТУРОЙ

Специальность 05.19.04 «Технология швейных изделий»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

- 1 ДЕК 2011

Москва 2011

005003110

Работа выполнена в Московском государственном университете дизайна и технологии на кафедре «Художественного моделирования, конструирования и технологии швейных изделий»

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

Андреева Елена Георгиевна

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Кирсанова Елена Александровна

доктор технических наук, профессор Юхин Сергей Семенович

доктор технических наук, профессор Сурженко Евгений Яковлевич

Ведущая организация: Ивановская государственная

текстильная академия

Защита состоится «21» декабря 2011 г. в 13:30 часов на заседании диссертационного совета Д 212.144.01 в Московском государственном университете дизайна и технологии по адресу: 115035, Москва, ул. Садовническая, д. 33, стр.1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета дизайна и технологии.

Автореферат разослан « » 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.144.01 ^ ._ ЗарецкаяГ.П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Необходимость реализации инновационной стратегии развития России ставит перед швейной промышленностью задачи, решение которых требует разработки новых высокоэффективных малооперационных технологий и перехода на новый уровень производства текстильных изделий. Задача расширения области применения текстильных изделий находится в рамках одного из основных направлений инновационно-ориентированных целевых фундаментальных исследований государственной корпорации «Ростехнологии»: «Фундаментальные исследования по созданию новых материалов с градиентными и уникальными физико-механическими свойствами».

Применение швейных изделий, как оболочек, в настоящее время выходит за рамки легкой промышленности. А требования активно развивающегося рынка спецодежды и композиционных материалов на тканой основе определяют не только особенности конструкции изделия и технологии его изготовления, но и необходимость обеспечения ряда специфических свойств, таких как строгое соответствие заданной внешней форме, отсутствие швов, двусторонность, устойчивость к деформационным разнонаправленным нагрузкам, изотропность или, наоборот, градиентность свойств и других. Реализация таких требований может быть осуществлена благодаря использованию особых переплетений нитей и созданию оболочек с минимальным числом швов. Однако существующие технологии изготовления цельнотканых оболочек не могут обеспечить ни малошовности объемных оболочек сложных форм, ни заданной анизотропии или изотропности свойств, что определяет актуальность разработки принципиально новой технологии изготовления малошовных оболочек сложных форм с заданными уникальными свойствами.

Эксплуатация специальной одежды и изделий из технических текстильных материалов может осуществляться в особо сложных условиях, что формирует потребность в новых малошовных и бесшовных оболочках, характеризующихся следующими факторами: увеличивающейся сложностью их промышленного изготовления, значительной ответственностью выполняемых функций, повышенными требованиями к качеству изделия и его свойствам. В связи с этим в основе теоретических аспектов разработки методологии изготовления принципиально новых малошовных оболочек сложных форм должна лежать система надежности, а сложное текстильное изделие следует рассматривать как техническое устройство с учетом комплексного и системного подхода к его проектированию.

Одним из распространенных на сегодняшний день способов получения малошовных оболочек является производство нетканых изделий, имеющих широкий спектр применения, как в одежде, так и в технических изделиях, однако они обладают одним существенным недостатком: необходимо изготовление форм внешнего вида для каждого отдельного образца. Помимо этого, из-за отсутствия сетчатой структуры, не достигается присущая ткани формоустойчивость, что ограничивает ассортимент изделий.

Методы изготовления цельновязанных изделий позволяют получить трикотаж, который обладает анизотропией свойств, а также плохо сопротивляется деформационному воздействию и накапливает остаточную часть деформации, что ведет к потере изначально заданной формы и ухудшению внешнего вида изделия.

Повысить надежность текстильной оболочки, а именно устойчивость к различным видам деформационных воздействий, можно при условии проектирования и изготовления оболочки с максимально устойчивой структурой, каковой является тканая. Таким образом, для удовлетворения требований, предъявляемых к объемным малошовным изделиям как бытового, так и технического назначения, целесообразно использовать тканые оболочки. Однако существующие методы проектирования тканых оболочек не получили широкого применения из-за таких недостатков, как неравномерность структуры и невозможность резкого изменения кривизны поверхности создаваемой объемной оболочки.

Использование ткацких переплетений, состоящих из двух систем нитей, в малошовных оболочках характеризуется тем, что четырехугольная элементарная ячейка ткани является достаточно подвижной, легко деформируемой под внешним воздействием. Для уменьшения изменения сетевых углов целесообразно ввести третью систему нитей, тем самым, получая элементарные ячейки треугольной формы, являющиеся более устойчивыми, что подтверждено как теоретическими, так и экспериментально, благодаря сравнительным испытаниям тканей с двух- и трехниточными переплетениями. Введение четвертой и последующих дополнительных систем нитей в структуру ткани позволит снизить анизотропию свойств и повысить устойчивость к деформационным воздействиям. Поэтому при разработке новых методов проектирования и изготовления малошовных тканых изделий эффективно использовать модифицированные виды переплетений, обладающие минимальной анизотропией свойств. При этом вве-

дение модифицированных видов переплетений требует детального исследования их свойств, как в плоских тканях, так и в объемных оболочках.

Объемные малошовные оболочки являются трехмерными объектами, поэтому для их проектирования не подходят традиционные методики конструирования, основанные на аппроксимированном построении разверток поверхностей. Разработка метода проектирования, все этапы которого осуществляются в трехмерном пространстве, позволит создать малошовную объемную оболочку строго заданной внешней формы, а также в перспективе автоматизировать процесс проектирования и изготовления тканых изделий сложных форм.

Проведенные исследования выявили проблему создания малошовных оболочек сложных пространственных форм, обладающих заданной анизотропией или изотропностью свойств, строгим соответствием проектируемой форме и равномерностью структуры с целью обеспечения высокой эксплуатационной надежности изделий. Данная проблема требует радикальных инновационных решений, базирующихся на глубокой проработке теоретических аспектов проектирования и изготовления малошовных оболочек, обладающих особыми свойствами, которые являются новыми как для швейной отрасли, так и для областей, где в перспективе будет широко востребован текстиль, таких как авиационная, космическая и электронная промышленности.

Перспективность исследований в направлении разработки новых методов проектирования и изготовления малошовных оболочек показали разработки Московского государственного университета дизайна и технологии (МГУДТ), научных текстильных центров США, Германии, Великобритании.

Тема диссертации утверждена Ученым Советом МГУДТ. Работа выполнялась в рамках реализации важнейших проектов государственного значения по приоритетным направлениям в области технологии глубокой переработки отечественного сырья и материалов в легкой промышленности, технологий авиа-космической отрасли, создания новых материалов с градиентными и уникальными физико-механическими свойствами.

Работа выполнялась по тематическому плану НИР МГУДТ, 2006-2008 гг. комплексная тема: «Разработка методов проектирования бесшовных объемных оболочек», в рамках госбюджетных тем НИР 64.01.07; 64.33.14; 1.1.06: «Разработка теоретических основ проектирования тканых бесшовных оболочек объемных тел повышенной формоустойчивости и износостойкости с использованием принципов неевклидовой геометрии» и «Тео-

5

рия неевклидовой геометрии при расчете тканых бесшовных оболочек объемных тел повышенной формоустойчивости и износостойкости», «Теория триангуляционного расчета оболочек сложных трехмерных тел при расчете тканых бесшовных оболочек с буфинированной поверхностью».

Целью работы является разработка теоретических основ проектирования объемных малошовных оболочек с триаксиальной и мультиаксиаль-ной структурой, обладающих заданной эксплуатационной надежностью, устойчивостью к деформации, строгим соответствием форме одеваемой поверхности.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

-анализ современного состояния процессов проектирования и изготовления малошовных текстильных изделий;

-анализ видов переплетений, используемых при производстве тканых оболочек с минимальным числом швов;

-разработка методологии проектирования объемных малошовных три-и мультиаксиальных оболочек с заданными свойствами;

-разработка методики проектирования структуры цельнотканых оболочек на основе системы показателей надежности;

-выявление особенностей проектирования и изготовления плетеных оболочек с триаксиальной и квадроаксиальной структурой из кожаных и текстильных лент;

-разработка методики проектирования три- и мультиаксиальных оболочек из лент с декоративными эффектами;

-разработка теоретических основ моделирования малошовных тканых оболочек на основе триангуляции Делоне;

-разработка концепции плетельного станка для производства объемных оболочек с три- и квадроаксиальной структурами;

-разработка методики проектирования и способа изготовления триак-сиальных цельнотканых оболочек с усилительными элементами;

-исследование свойств объемных цельнотканых оболочек с усилительными элементами;

-разработка метода проектирования объемных цельнотканых оболочек с комбинацией двуаксильного и триаксиального переплетений;

-промышленная апробация разработанных методов проектирования и изготовления малошовных тканых оболочек.

Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в том, что:

-развито новое перспективное научное направление по разработке методов проектирования и способов изготовления малошовных три - и муль-тиаксиальных оболочек в строгом соответствии с заданной пространственной формой и параметрами структуры для обеспечения планируемых эксплуатационных свойств и на этапе проектирования;

-предложена классификация объемных текстильных оболочек, учитывающая современные направления совершенствования малошовных и бесшовных технологий и определяющая перспективные области их применения;

-разработана концепция проектирования цельнотканых оболочек, представляющая собой поэтапное формирование сложной технической системы и позволяющая проектировать изделия с заданной эксплуатационной надежностью;

-составлена методика проектирования цельнотканых оболочек в трехмерном пространстве без перехода к двухмерным разверткам, что обеспечивает высокую точность расчетов;

-разработаны методы проектирования: о три- и мультиаксиальных оболочек, универсальные для создания малошовных изделий любой пространственной формы и любого назначения;

о оболочек с визуальными эффектами для производства текстильных

изделий с новыми декоративными решениями; о цельнотканых триаксиальных оболочек с усилительными элементами для изделий с высокой формоустойчивостью; о оболочек сложных пространственных форм, состоящих из комбинации двуаксиального и триаксиального переплетений, для производства малошовных изделий с градиентными свойствами; -на основе триангуляции Делоне разработаны методы проектирования траектории расположения нитей в тканой структуре для системы автоматизированного проектирования триаксиальных оболочек;

-разработаны принципиально новые способы проектирования и изготовления малошовных оболочек, научная новизна которых подтверждена тремя патентами РФ: (№2384749, № 2346092, № 2358049);

-создана концепция оборудования для производства триаксиальных и квадроаксиальных малошовных оболочек, включающая четыре способа модификации стандартного плетельного оборудования.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждена корректностью теорети-

7

ческих предпосылок постановки задач и современными методами их решения, использованием известных положений фундаментальных наук, сходимостью полученных теоретических результатов с данными эксперимента и результатами промышленной апробации созданных малошовных оболочек с три- и мультиаксиальной структурами.

Основные методы исследования. Методологическую основу проведенных теоретических и экспериментальных исследований составили как классические, так и новые научные представления о проектировании малошовных текстильных изделий. В работе использованы методы теоретического анализа, классификации, математического моделирования, трехмерного описания пространственных моделей, методы аппроксимации и интерполяции, основные положения теории алгоритмизации и программирования, принципы неевклидовой геометрии, современные методы и технические средства исследования свойств текстильных материалов.

Использование системного и комплексного подхода при разработке новых методов проектирования позволило создать теоретические основы проектирования, применимые к широкому спектру малошовных оболочек различного назначения и свойств. В работе использовались программы Microsoft World, Microsoft Excel, AutoCAD, Adobe Photoshop, ParaSolid, Coral Draw для операционной системы Windows XP.

Объекты исследования. Объектами исследования в работе являлись: малошовные оболочки с три- и мультиаксиальными ткаными структурами, методы их проектирования и изготовления, в том числе методы триангуляционного проектирования малошовных мягких оболочек и плетельное оборудование для производства изделий с три- и квадроаксиаль-ным переплетениями.

Практическая значимость результатов работы:

- предложены новые виды трехниточных переплетений и способы изготовления тканых оболочек с зональной модификацией переплетения, что позволяет создавать широкий ассортимент малошовных изделий бытового и технического назначения;

- разработан способ проектирования и изготовления малошовных тканых триаксиальных оболочек заданной пространственной формы;

- составлены алгоритмы триангуляционного проектирования оболочек с триаксиальной структурой:

о для расчета малошовных оболочек с горизонтальным расположением уточных нитей;

о для расчета бесшовных оболочек со спиралевидным расположением уточной нити;

о для расчета структуры оболочек поверхностей сложных форм, -предложены два принципиально новых алгоритма перемещения ните-держателей станка Herzog 3-D-Flechtmaschine CAB 9-32-220 для изготовления оболочек с триаксиальной и квадроаксиальной структурой без внесения изменений в конструкцию оборудования;

-разработаны методы введения усилительных систем нитей в триакси-альную объемную оболочку для обеспечения заданных свойств в одежде специального назначения и повышения ее эксплуатационной надежности;

-предложен способ закрепления третьей системой нитей формы объемной цельнокроеной оболочки, полученной за счет изменения сетевых углов элементарных ячеек ткани;

-разработан принципиально новый способ проектирования силовой оболочки скафандров космонавтов и других малошовных объемных оболочек специального назначения с заданной эксплуатационной надежностью.

Апробация и реализация результатов работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на следующих собраниях научной общественности:

- трех научно-практических межвузовских конференциях "Молодые ученые - XXI веку";

- научной конференции стипендиатов программы «Михаил Ломоносов» 2006/07r. DAAD (Бонн, ФРГ);

- научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых II и III Московских фестивалей науки, МГУ;

- II Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы современных наук - 2011» (Польша);

- II Международной научно-практической конференции «Научный прогресс на рубеже тысячелетий - 2011» (Чехия);

- I Международной научно-практической конференции «Workshop Design-Innovation-Development» (Румыния);

- II Международной научно-практической конференции «Актуальные достижения европейской науки - 2011» (Болгария);

- I Международной Корейско-Российской конференции «Grand fashion";

- научно-практических семинарах в ОАО «НПП «Звезда» и ОАО «НИАТ».

Исследования свойств разработанных цельнотканых объемных деталей силовой оболочки скафандра космонавта показали перспективность разработанного метода проектирования и изготовления малошовных оболочек и его внедрения в производство скафандра космонавта. На основе разработанной методики проектирования цельнотканых оболочек с усилительными элементами проводится разработка технологии изготовления цельнотканой силовой оболочки перчатки для скафандра космонавта в рамках договора о сотрудничестве МГУДТ с ОАО «НПП «Звезда» по программе Федерального Космического Агентства по разработке усовершенствованного скафандра для внекарабельной деятельности. Разработанный метод проектирования малошовных оболочек с комбинацией дву- и триак-сиальных переплетений использован при разработке узлов для экспериментальных образцов скафандра космических туристов по заказу Американо-Российской компании «Final Frontier Design»; в настоящий момент ведутся работы по внедрению результатов в массовое производство скафандров для космических туристов и подана заявка на грантовую поддержку в Национальное агентство по аэронавтике и исследованию космического пространства NASA.

Апробация разработанных методов проектирования и способов изготовления малошовных оболочек с заданными визуальными эффектами осуществлена на предприятиях швейной и обувной промышленности, получены рекомендации для внедрения в производство одежды и обуви специального назначения, в частности медицинского.

Апробация разработанного метода проектирования и изготовления малошовных оболочек осуществлена на предприятии авиационной отрасли при разработке композиционных материалов нового поколения, где получены положительные отзывы. Проводятся работы по организации серийного производства авиационных композитных деталей на основе разработанных малошовных технологий.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы изложены в 45 работах, из них 16 в научных изданиях, включенных в список, утвержденный Высшей Аттестационной Комиссией.

Личный вклад автора состоит в выявлении и формировании основного содержания исследований, определившего развитие нового перспективного научного направления по разработке методов проектирования и способов изготовления малошовных оболочек с три- и мультиаксиальными структурами, имеющих широкую область применения для текстильных изделий бытового и технического назначения, разработке путей реапиза-

10

ции этого направления, постановке и разработке основных проблем теоретических и экспериментальных исследований по данному направлению. При непосредственном участии автора разработаны методы проектирования и изготовления малошовных три- и мультиаксиальных оболочек, выполнены эксперименты и разработаны рекомендации по использованию разработанных технологий. Автору принадлежит теоретическое обобщение результатов работ, опубликованных в соавторстве и использованных при написании данной диссертационной работы.

Автор защищает научно обоснованные технические и технологически решения в области проектирования и изготовления малошовных оболочек с три- и мультиаксиальными структурами, внедрение которых вносит значительный вклад в развитие швейной промышленности и экономики страны.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованных источников из 136 наименования и приложения. Работа изложена на 303 страницах машинописного текста, содержит 106 рисунков, 7 таблиц. Приложения представлены на 56 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы ее цели, задачи, предложены основные пути их решения и методы исследования. Определены научная новизна, практическая значимость и основные результаты, представленные к защите.

В первой главе установлено, что для повышения эксплуатационной надежности спецодежды и технических текстильных оболочек целесообразно использовать объемные тканые малошовные и бесшовные оболочки, в связи с их устойчивостью к различным видам деформационных воздействий благодаря стабильности тканых структур. Малооперационная технология изготовления тканых малошовных оболочек является одним из перспективных инновационных направлений производства швейных изделий, позволяющих объединить процессы ткацкого и швейного производства в один непрерывный процесс для повышения качества и обеспечения строгого соответствия заданным параметрам проектируемых объектов.

В работе представлена концепция проектирования тканых малошовных оболочек на основе поэтапного формирования сложной технической системы в соответствии с современными теориями оболочек и эксплуатационной надежности. Анализ тканой оболочки как сложного технического

устройства позволяет оценить эксплуатационную надежность изделия и выявить проблемные зоны, требующие ее повышения.

Проведен анализ современного состояния процессов проектирования и изготовления цельнотканых изделий, в результате которого выявлена проблема создания малошовных оболочек сложной пространственной формы, обладающих заданной анизотропией или изотропностью свойств, строгим соответствием проектируемой форме, равномерностью структуры, что необходимо для обеспечения высокой эксплуатационной надежности швейных изделий.

С геометрической точки зрения оболочкой называется тело, ограниченное криволинейными поверхностями, расстояние между которыми всюду намного меньше любого другого размера. Текстильные оболочки, как правило, являются сложными, то есть состоящими из нескольких сочлененных оболочек простейших тел.

Оболочки подразделяются на развертываемые и неразвертываемые. Но при использовании малошовных технологий производства текстильных изделий понятие развертываемое™ теряет смысл, так как не влияет на процесс изготовления. Важна сама форма оболочки, ее геометрическая модель и характер изменения кривизны. Эти характеристики определяют технологию изготовления малошовного изделия. По форме объемные оболочки предлагаем классифицировать на три вида: плоские, пространственные и разнотолщинные (рис.1).

Объемные текстильные оболочки

Пространственные

Разнотолщинные т

Оболочки с плав-ноизменяющейся кривизной поверхности

Оболочки с резко-изменяющейся кривизной поверхности

Оребренные оболочки (объем которых ограничен несколькими гранями с жесткими ребрами, при этом имеются пустоты в теле оболочки)

Рисунок 1 - Классификация объемных текстильных оболочек

12

По количеству систем нитей, участвующих в производстве, тканые оболочки разделены на три группы: двуаксиальные, триаксиальные и мультиаксиальные (рис.2). Двуаксиальные структуры состоят из двух систем нитей: основы и утка. Триаксиальная структура формируется из трех систем нитей: нитей утка и двух систем нитей наклонных застилов. Мультиаксиальные структуры получают переплетением более чем трех систем нитей.

Двуаксиальные Триаксиальные

Введение дополнительных систем нитей

К водроаксшльное переплетение

Гексоакспальное переппетенне

Рисунок 2 - Виды структур в тканых оболочках

Использование ткацких переплетений, состоящих из двух систем нитей, при производстве малошовных оболочках осложнено тем, что четырехугольная элементарная ячейка ткани является достаточно подвижной единицей, легко деформируемой под внешним воздействием. Для умень-

шения изменения сетевых углов предлагаем ввести третью систему нитей, тем самым, получая элементарные ячейки треугольной формы, которая является более устойчивой формой с точки зрения геометрии, что подтверждено сравнительными испытаниями тканей с двух- и трехниточными переплетениями. Характер анизотропии свойств в тканях с дву- и триакси-альной структурой при одноосном растяжении до разрыва наглядно подтверждают этот факт (рис.3).

где Рисунок 3 - Графики, характеризующие анизотропию свойств в образцах тканей при одноосном растяжении до разрыва, на примере относительного разрывного усилия и удельного разрывного удлинения: а, г- образца с дву-аксиальным переплетением, б, д - образца с триаксиальным переплетением, в, е~ образца с триаксиальным переплетением большей поверхностной плотности

С целью создания градиентности свойств или уникальных физико-механических характеристик в оболочки с дву- или триаксиальным переплетениям могут быть введены дополнительные системы нитей, такие оболочки получили название мультиаксиальные.

В диссертационной работе обоснованно, что введение дополнительных систем нитей позволяет:

- повысить прочностные характеристики оболочки; свести к минимуму изменение сетевых углов; изменить зонально или целиком свойства оболочки за счет использования дополнительных систем нитей с показателями, отличными от двух/трех основных систем нитей;

расширить возможности реализации конструкторско-дизайнерских идей при выборе цветовых сочетаний и визуальных эффектов.

В работе предложено рассматривать любое мультиаксиальное переплетение как модификацию дву- или триаксиального переплетения (таблица 1), что значительно облегчает процесс проектирования структуры оболочки, при этом дву- или триаксиальное переплетение является базовым.

Таблица I

Модификация элементарных ячеек при введении дополнительных систем нитей

Количество систем нитей, участвующих в переплетении Вид модификации элементарной ячейки при введении дополнительных систем нитей

Базового триаксиального переплетения Базового двуаксиального переплетения

Четыре / \ X

Пять Х"Х А

* * У

Шесть к А

Формообразование в объемных тканых оболочках можно достигать за счет изменения сетевых углов или длин сторон элементарных ячеек, од-

нако это приводит к неравномерности структурных показателей на отдельных участках изделия, а, следовательно, к анизотропии свойств оболочки. С целью исключения этого недостатка и расширения возможностей производства оболочек объемных форм, в работе предложен способ их проектирования, основанный на введении дополнительных формообразующих нитей с перегибом в триаксиальную структуру ткани, позволяющий обеспечить формоустойчивость конструкции и улучшить эксплуатационные свойства малошовных изделий.

Разработана классификация новых трехниточных переплетений, применение которых позволяет расширить ассортимент малошовных изделий бытового и технического назначения.

Проведены исследования и сравнительный анализ свойств тканей, состоящих из двух и трех систем нитей, которые показали, что триакси-альные оболочки обладают меньшей анизотропией свойств и более устойчивой структурой, характеризующейся меньшим изменением сетевых углов, что позволяет рекомендовать их для проектирования объемных фор-моустойчивых изделий с минимальным числом швов.

Вторая глава диссертационной работы посвящена теоретическим аспектам проектирования три- и мультиаксиальных оболочек. Предложена терминология элементов оболочки. Рассмотрены особенности проектирования малошовных оболочек с точки зрения неевклидовой геометрии. Разработаны расчетные формулы для определения структурных показателей три- и мультиаксиальной оболочек, необходимые для проектирования изделий с заданной плотностью распределения нитей и позволяющие оценивать усадку изделия, которая произойдет в процессе производства. Основные разработанные формулы представлены ниже:

¿з = ^1и.фг йн 2 а3=(Ьз-Ьи.ф)/1.и.ф*100%

Е, =1,15КЯЛЗ +с{дзПи +0,5Ы„рзПиПлз/П„рз)-0,Ш5с12„р,ПиПЛ] к{чГ 0,01(ПиТи+0,866(П„р,Тпр1. + Г1 ,„ !]„.)) п спр.з ~ Т„р,3П„р -/(ТПр,3Ппр,3 + ТЛЗПЛ З + ТиПи си— ТиПг/(ТпрзПпрз + ТЛЗПЛЗ +

вд

с1и = С05б0° (Т„р.3Ппр.3 + / (Т„р.3Ппр.3 + Т„Г1,„ + Ти1и= созбО" (1 - Си)

с^р.,. = созбО" (ТиПи + ТЛ.3ПЯЗ) /(Т„р.ЛпР.з + Т„.Л.3 + Т»Пч)= сов60°(1- спр.)

где Ьз - длина нити застила ткани, Ьи.ф. - расстояние между центрами нитей утка в местах пересечения их с нитями застилов, с1н - диаметр нити, а3 - уработ-ка нитей застилов, Е1 - поверхностное заполнение, с1и - диаметр исходных нитей

. ¿4р.з. ~ диаметр нитей правого застила с1ял - диаметр нитей левого застила, П„, Пщх, /7Л З - количество нитей на 100 мм исходных, правого и левого застила соответственно, Ти ,Тпр.3 , Тлз - линейная плотность по исходным нитям, нитям правого застила и нитям левого застила соответственно, с,„ спр2- доля массы нитей исходных и правого застила, с 1и, с- доля массы нитей в направлениях соответственно перпендикулярном исходным нитям и нитям правого застила, М1р - поверхностная плотность, а - угол между исходными нитями и нитями за-

стила, ц - коэффициент изгиба нитей.

Предложена методика проектирования тканых мапошовных оболочек, особенностью которой является то, что весь процесс расчета формы и структуры изделия выполняется в трехмерном пространстве без перехода к двухмерным разверткам, что обеспечивает точность расчетов и сокращение их трудоемкости. Обобщенная схема процесса проектирования три- и мультиаксиальных оболочек универсальна для изделий любой пространственной формы и назначения (рис.4). _

ВХОДНАЯ ИНФОРМАЦИЯ:

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТРУКТУРНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ОБОЛОЧКИ

_

ч

т

ш

з:

X

ш

ь-

ш

с

с

ш

а.

ш

С

I г о к

] Ш о. о

■ о -

■

§5*5*

^о а™ § £ § 5Ш

С 5 га а;

О 8 -1

Ш £ = 8

о & ? Я

м 5. 5. *

1 Внешняя ЗО-форма

2. Требования надежности

3. Ограничивающие условия

(Состав нитей, особенности формообразования и т.д.)

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОБОЛОЧКИ

ПРОЕКТИРОВАНИЕ 30-ФОРМЫ ИЗДЕЛИЯ

ТРИАНГУЛЯЦИОННЫИ РАСЧЁТ ОБОЛОЧКИ

& &

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПРОИЗВОДСТВА ОБОЛОЧКИ

УСЛОВИЯ

ТРИАНГУЛЯЦИИ

УСЛОВИЯ

РАВНОВЕСНОГО

СОСТОЯНИЯ

ОБОЛОЧКИ

ТЕХНОЛОГИЯ

ПРОИЗВОДСТВА

ОБОЛОЧКИ _I

ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ТРИАНГУЛЯЦИИ В ТРАЕКТОРИЮ РАСПОЛОЖЕНИЯ НИТЕЙ

КОЛИЧЕСТВО ОСНОВНЫХ И ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ ФОРМООБРАЗУЮЩИХ НИТЕЙ В СЕЧЕНИЯХ ОБОЛОЧКИ

Рисунок 4 - Обобщенная структура процесса проектирования триаксиаль-ных оболочек

При проектировании в качестве входной информации задается трехмерная форма проектируемого изделия, система требований надежности и, при необходимости, ограничивающие условия, зависящие от выбора особенных нитей в соответствии с назначением изделия или от ожидаемых специфических визуальных эффектов.

17

Структурные показатели оболочки определяем на основе входной информации с учетом установленных системных требований надежности, при этом комплексно рассматриваются: переплетение - особенности геометрии элементарных ячеек - трехмерная форма оболочки. Вид переплетения определяем исходя из назначения проектируемого изделия и возможностей оборудования. На основе требований к эксплуатационной надежности и к структуре проектируемой оболочки устанавливаем допустимые отклонения сетевых углов и длин сторон ячеек, определяющих особенности поведения структуры в процессе эксплуатации. Вид переплетения и параметры элементарных ячеек являются технологическими особенностями производства оболочки.

Трехмерную форму проектируемого изделия рассматриваем с точки зрения теории цельнотканых оболочек, определяем опорные и неопорные участки оболочки и характер изменения кривизны с целью выявления проблемных областей.

Определение структурных показателей ячеек тканой структуры является подготовительным этапом проектирования оболочки, позволяющим установить дополнительные технические параметры проектируемого текстильного изделия, предоставляющим достаточную информацию для проектирования оболочек в ЗБ САПР без двухмерных разверток.

При проектировании оболочки первоначально задают форму одеваемой поверхности в трехмерном пространстве, что возможно выполнить как путем трехмерного фотографирования, так и заданием параметров одеваемой поверхности в трехмерной среде проектирования. Если внешняя форма проектируемого изделия отлична от формы одеваемой поверхности, то в трехмерную модель вносятся изменения, учитывающие конструктивные и технологические прибавки.

Следующим шагом проектирования изделия является расчет расположения нитей в структуре оболочки. В топологии известно много различных способов задания трехмерных многообразий, но наиболее подходящим для триаксиальных оболочек представляется метод триангуляции, широко используемый в трехмерных САПР.

Процесс расчета расположения нитей в структуре оболочки состоит из трех этапов: триангуляционный расчет оболочки, его трансформация в траекторию расположения нитей, определение количества основных и дополнительных формообразующих нитей в сечениях оболочки, что подробно описано в работе.

Треугольные элементы, полученные в результате триангуляции, преобразуем во множества, подчиняющиеся законам неевклидовой геометрии, соблюдая следующую аксиому: две параллельные прямые, принадлежащие одной поверхности, пересекаются хотя бы один раз. Это позволяет условно преобразовать стороны треугольников в три системы параллельных линий, которые отображают расположение нитей в структуре триаксиальной оболочки. В случае, если проектируемая оболочка является телом вращения или существуют определенные требования к расположению дополнительных формообразующих нитей, производим перерасчет условий введения или выведения дополнительных нитей в рамках заданной триангуляции путем перестраивания пар соседних треугольников, то есть флипом, что необходимо для подчинения условий введения дополнительных нитей определенному алгоритму или для формирования рисунка оболочки при помощи дополнительных нитей.

В результате преобразования триангуляции получаем информацию о траектории расположения нитей и условиях введения дополнительных формообразующих нитей, что позволяет определить количество основных и дополнительных нитей в каждом сечении проектируемой оболочки, на основе чего устанавливаются технологические параметры производства с учетом особенностей используемого оборудования.

Разработанная методика проектирования триаксиальных оболочек может быть применена как к плоским, так и к объемным оболочкам. Принципы процесса проектирования оболочек применимы и для мульти-аксиальных переплетений, при условии, что они рассматриваются как модификация триаксиального переплетения.

При изготовлении малошовных оболочек нити могут быть заменены на ленты с целью ускорения и упрощения процесса изготовления, а так же для достижения более явных декоративных эффектов плетеной фактуры. В этом случае методика проектирования оболочек должна учитывать параметры лент и особенности переплетения, связанные с получением декоративного эффекта. В работе предложены расчетные формулы для мультиак-сиальных структур для проектирования плетеных изделий из лент: минимальная длина стороны элементарной ячейки: триаксиального переплетения Ья = 1,588 -IV , квадроаксиального переплетения 1я = 1,768 • IV , уработка лент наклонных застилов для триаксиального переплетения

Ь и .ф

а„= 1 - —. ' -

■у/{Ь и .ф - Г ) 2 + 4 с! 2 + IV

для квадроаксиального переплетения:

Ьи.ф

а „ = 1 —

у1(Ьи.ф - 0,5 ■ IV )2

+ 9 а + 0,5Ж

• усадка оболочки по ширине Уш= Ш0'ал^ти, усадка по длине: Уд= Д0-ал-со8а,

где ал - уработка лент застилов; IV - ширина ленты; Ьи.ф — фактическое расстояние между центрами лент утка в местах пересечения с нитями застилов; (1 - толщина ленты застила; £3 - длина ленты застила, Ш0 -ширина оболочки, Д0 - длина оболочки.

В оболочках с три- и мультиаксиальными переплетениями за счет комбинации лент различных цветов и фактур можно получить многообразие визуальных эффектов. Для этого процесс проектирования оболочек дополняется этапом определения параметров переплетения, в том числе размера раппорта. Последовательность построения триангуляции и ее преобразование остаются теми же, однако требуют проверки полученной триангуляционной сети на кратность количества элементарных ячеек заданному раппорту. На основе этого заключения в работе разработан метод проектирования оболочек с визуальными эффектами, который был успешно апробирован при изготовлении одношовного платья и плетеных бесшовных заготовок верха женской обуви (рис.5).

Рисунок 5 - Примеры разработанных малошовных и бесшовных изделий с триаксиальной и квадроаксиальной структурой

В третьей главе диссертационной работы рассмотрены теоретические основы компьютерного моделирования малошовных оболочек на основе триангуляции Делоне.

Проведенный анализ принципов неевклидовой геометрии показал целесообразность ее использования при проектировании объемных малошовных тканых оболочек на основе топологии трехмерных многообразий.

Установлено, что метод триангуляции Делоне с последующей линейной интерполяцией ребер элементарных треугольных ячеек применим для расчета тканых оболочек, так как позволяет определить расположение нитей в тканой структуре. В диссертационной работе разработана последовательность триангуляционного расчета количества и расположения нитей в триаксиальной цельнотканой оболочке (рис.6).

Исходной информацией для моделирования цельнотканых оболочек являются: геометрия формы одеваемой поверхности, поперечный диаметр нитей, количество нитей на 100 мм, вид переплетения, особенности введения формообразующих нитей, допустимые значения отклонения плотности распределения нитей, изменения сетевых углов и длин сторон элементарных ячеек.

Определение массива точек для расчета триангуляции триаксиальной оболочки целесообразно выполнять на основе информации о расположении исходных (уточных) нитей. Это связано с тем, что предварительное построение системы исходных нитей на проектируемой поверхности позволит разбить поверхность на пояса и использовать их при построении триангуляции алгоритмом полосового слияния, который является одним из самых эффективных при триангуляции, а так же задать нумерацию точек массива, что сократит трудоемкость решения алгоритма триангуляции.

Алгоритм формирования триангуляции для расчета цельнотканой оболочки заключается в постоянном наращивании текущей триангуляции по одному треугольнику за один шаг. На каждом шаге алгоритм ищет новый треугольник, который подключается к границе текущей триангуляции.

, г ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОГРАНИЧИВАЮЩИХ < £ ЗАДАНИЕ КРИТЕРИЕВ 5 ЗО-ФОРМЫ 1- Допустимые отклонения длин сторон юоз ОБОЛОЧКИ ячеек' ~ V > 2. Допустимое изменение сетевых углов. У I Ч 3. Допустимое изменение плотности |_ к5 расположения нитей. • 4.0собенности введения формообразующих и П нитей. ¡-КО 40 9 ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАБОРА ТОЧЕК, 0 £ £ однозначно определяющего С ^ геометрию проектируемой оболочки

ГГ К ^ ПОСТРОЕНИЕ ТРИАНГУЛЯЦИИ ДЕЛОНЕ ПО ЗАДАННОМУ НАБОРУ ТОЧЕК

X < X 0-II- ш -у и £ ПРОВЕРКА УСЛОВИЯ ДЕЛОНЕ ДЛЯ ВСЕХ ПАР ТРЕУГОЛЬНИКОВ

КОРРЕКЦИЯ ТРИАНГУЛЯЦИИ В СООТВЕТСТВИИ С ТРЕБОВАНИЯМИ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ

ИНТЕРПОЛЯЦИЯ ТРИАНГУЛЯЦИИ В ТРАЕКТОРИЮ РАСПОЛОЖЕНИЯ НИТЕЙ

ВЫХОДНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

КОЛИЧЕСТВО ОСНОВНЫХ и ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ ФОРМООБРАЗУЮЩИХ НИТЕЙ В СЕЧЕНИЯХ ОБОЛОЧКИ

Рисунок 6 - Последовательность триангуляционного расчета количества и расположения нитей в триаксиальной цельнотканой оболочке

После построения триангуляции необходимо выполнить проверку условия Делоне для всех пар треугольников, а также провести коррекцию в соответствии с требованиями эксплуатационной надежности и выполнить необходимые перестроения при помощи операций флипа для подготовки триангуляции к интерполяции в траектории расположения нитей проектируемой тканой оболочки.

В диссертационной работе для проектирования оболочек тел вращения и регулярных поверхностей предлагаются два метода триангуляции: метод слитной полосовой триангуляции для расчета малошовных оболочек с горизонтальным расположением уточных нитей и метод расчета бесшовных оболочек со спиралевидным расположением уточной нити, которые можно реализовать при составлении системы автоматизированного проектирования триаксиальных оболочек тел вращения или линейчатых поверхностей.

Установлено, что моделирование малошовных и бесшовных оболочек сложных пространственных форм, в том числе манекена женской фигуры, требует зонального формирования триангуляции с последующим сращиванием участков для построения триангуляционной модели, преобразуемой в траектории расположения нитей, с учетом ограничивающих критериев. По этой причине разработан метод триангуляции по заданным участкам с дополнительным пересчетом треугольников в областях соединения участков для формирования равномерной структуры оболочки сложной пространственной формы, состоящей из треугольников, стремящихся к равносторонности с обеспечением устойчивости триаксиальной тканой структуры оболочки. Процесс перестроения треугольников в областях соединения участков триангуляций детально рассмотрен в работе и представляет собой перестроение элементарных ячеек с учетом возможных отклонений длин сторон ячеек и сетевых углов (рис. 7).

Рисунок 7 - Пример соединения триангуляций участков поверхности 30-манекена по вертикали

Для цельнотканой оболочки любой пространственной формы можно построить траекторию расположения нитей одной из систем как систему

23

параллельных сечений с учетом угла наклона секущей, а точки пересечения трех систем параллельных сечений, построенных под углом 60° друг к другу, образуют массив точек триангуляции участка, где углы наклона всех секущих перпендикулярны касательным. На основе этого заключения в работе разработан метод триангуляции поверхностей сложных форм по точкам пересечения систем параллельных сечений при стремлении всех элементарных треугольных ячеек проектируемой сети к равноугольное™ и равномерном изменении длин сторон ячеек по мере изменения кривизны поверхности для обеспечения визуальной равномерности структуры оболочки.

Разработанные методы триангуляции сложных поверхностей были использованы при проектировании виртуальных моделей оболочек манекенов женской фигуры (рис.8), на основе которых были изготовлены цель-нотканые оболочки, отличающиеся равномерностью структуры и хорошей посадкой, что позволяет рекомендовать разработанные методы триангуляционного проектирования для программы автоматизированного проектирования триаксиальных оболочек сложных объемных форм.

а б

Рисунок 8 - Схемы триаксиальной сети, полученные: а - методом триангуляции по заданным участкам с дополнительным пересчетом треугольников в областях соединения участков, б - методом триангуляции по точкам пересечения пяти систем сечений

В четвертой главе диссертационной работы представлена концепция плетельного станка для производства три- и квадроаксиальных объем-

24

ных оболочек. В настоящее время основной задачей является внедрение технологии изготовления триаксиальных малошовных тканых изделий в массовое производство, что требует разработки нового оборудования.

Проведенные исследования показали, что объемные тканые оболочки с три- и мультиаксиальной структурой, обладающие заданными формой и свойствами, могут быть выработаны на текстильном оборудовании в соответствии с разработанными схемой процесса проектирования и методикой расчета структурных показателей.

Однако, использование ткацких станков для изготовления три- и мультиаксиальных структур ограничено вследствие того, что перекрест наклонных застилов возможно выполнить только через две нити утка, что продиктовано особенностями движения берда. Этот факт исключает возможность производства ткани с наиболее стабильной структурой, которая получается триаксиальным полотняным переплетением. Поэтому предлагаем считать плетеную структуру частным случаем тканой, в которой все нити расположены по наклонной траектории по отношению к оси выработки материала.

В работе разработана концепция оборудования для производства три- и квадроаксиальных малошовных и бесшовных оболочек, включающая четыре способа модификации стандартного плетельного оборудования:

- введение осевых вертикальных нитей, проходящих через отверстие в центре крылаток;

- модификация 2D плетельного станка с введением дополнительного механизма для перемещения нитедержателей третьей системы нитей;

- разработка новых схем траектории движения нитедержателей для станка Herzog 3-D-Flechtmaschine САВ 9-32-220;

- модификация 2,5D или 3D плетельного станка с введением дополнительного механизма для перемещения нитедержателей третьей системы нитей.

Введение осевых вертикальных нитей является самым простым способом получения плетеных оболочек с триаксиальной структурой. Оно позволяет получить оболочки с повышенной прочностью в продольном направлении. Но большинство технических оболочек испытывает максимальные нагрузки не в продольном, а в поперечном направлении, поэтому метод введения дополнительных осевых нитей имеет узкую область применения.

Модификация 2D, 2,5D и 3D плетельных станков с введением долни-тельного механизма для перемещения нитедержателей третьей системы нитей может показать очень хорошие результаты и обеспечит высокую скорость производства, но это требует инженерных разработок нового передаточного механизма и изготовления фактически нового типа станка. Такого результата можно достичь, например, путем разбиения крылаток на две половины и размещением их на расстоянии друг от друга так, что будет образован трек, достаточный для прохождения переносного механизма нитедержателей третьей системы нитей.

Разработка новых схем траектории движения стандартных нитедержателей для ЗО-плетельного станка является наиболее перспективным направлением для разработки способов производства триаксиальных текстильных оболочек.

В ходе исследований разработано два принципиально новых алгоритма плетения для станка Herzog 3-D-Flechtmaschine САВ 9-32-220 (рис. 9) для производства триаксиальных оболочек. При этом также возможно вводить четвертую систему осевых нитей. Схемы взаимодействия крылаток на первом шаге плетения триаксильных оболочек представлены на рис. 10. Разработанные алгоритмы были апробированы в опытной лаборатории института ITA, г. Аахен, Германия.

Рисунок 9 - Модификация станка Herzog 3-D-Flechtmaschine CAB 9-32-220

26

Х|'Х"Х*Х||Х|,Х|ХМХ"Х"Х х ||Х||Х||Х||Х|Х||Х|Хм Xм х

XX X X X X X X XX Х^'^'^'^^'Х^пХ

Х^Х^иХиХиХиХиХиХ-Х Я-Ч^ХиХнХиХ'ХиХ^Х

^ Х ХиХ 'Х'Х' ХиХ, X X Я^-Х'Х' Х'Х 'Х 'Х^^

^ X ^||Х 'Х"Х"Х ^ X х Х^хХ Х ХХХХ*ХХ

ХХ ХнХмХ 'ХиХО^ Х х ХЯ^ХпХиХ 'ХиХпХ^Х

х х-У"Х''ХпХ"Х":х; х х

^Х^Х^'Х";*'1 х х-ч-х" хи хп хи хи х *Х*Х

Х'Х X X X X X X Х"Х Х' Х'^^^^^^ Х' Х Х"Х" XX» X" XX Х"Х"Х ХпХпХ'^"ХХ|Х|ХХ"Х

а б

Рисунок 10 - Схемы взаимодействия крылаток на первом шаге плетения в соответствии с разработанным алгоритмом: а - для 40 нитей застилов, 6 -для 48 нитей застилов

Алгоритмы перемещения нитедержателей разработаны для 40 и 48 нитей застилов. Как в первом, так и во втором случае траектория движения нитедержателей нитей застилов является синусоидной. Но для первого алгоритма характерна большая амплитуда движения, следовательно, изменение длины нитей в области от рабочей поверхности до формирования переплетения будет значительным, что может отрицательно сказаться на таких нитях как карбоновые. Однако, при использовании прочных нитей, устойчивых к истиранию, указанный недостаток не окажет существенного влияния, при этом данный алгоритм является более быстродейственным чем второй алгоритм.

Результаты разработок будут использованы при модификации отечественного плетельного оборудования с целью производства триаксиальных и мультиаксиальных малошовных и бесшовных оболочек.

Пятая глава диссертационной работы посвящена разработке методов проектирования и изготовления малошовных оболочек с зональным распределением свойств за счет комбинации переплетений с различным числом систем нитей на заданных участках.

Проектирование изделий специального назначения и технического текстиля нередко требует, чтобы оболочка обладала градиентными свойствами, то есть определенными свойствами на заданных участках. Как правило, это относится к изделиям с повышенной эксплуатационной надежностью, где на отдельных участках необходимо повысить такие показатели как формоустойчивость, жесткость, устойчивость к истиранию и т.д, что в

малошовных тканых оболочках может быть достигнуто путем модификации структуры ткани.

Для повышения прочности малошовных оболочек был разработан принципиально новый способ их проектирования из основного полотна триаксиальной структуры и усилительных элементов, введенных методами ткачества (рис. 11). Новизна способа изготовления цельнотканой оболочки с усилительными элементами защищена патентом РФ.

\ЛАМЛЛЛЛАЛЛЛ'ЛД

' . ^ О .'¿'а 'л 'л гж 'л 'Л. кгл гл . Ж'.ШЬЖиГлГлМЪТЛ'АЛТлТлП

■Л'ЛЬ V т.

ЖГ/ЛУЛ'Л'Д'ЛМ'ДЧЧ Т. П'А'/Л'Л'Л'»Й'ЛВДА'ИЛт

V О V' С .V к- Йл'Л' ЛЙгрЛЛЛЛ ..' ; .¿.-о о^лчч'л'лп*

....-------->

тлтавдммммглЛ'

..............

Ч'.ГУЛ'Я'ЯЛтМЯВИКЯВМИИГЯЬА

"......^^ЖмДО^ТЛ^Или^^

а б

Рисунок 11 - Участок цельнотканой оболочки с усилительным элементом введенным методом ткачества, а - вид сбоку, б - вид сверху

Исследования показали, что ткань с треугольными ячейками сопротивляется деформационным усилиям без изменения сетевого угла, в направлениях, параллельных трем системам нитей. А максимальное изменение сетевых углов и, следовательно, деформация структуры ткани про-

28

изойдет в том случае, если деформационное усилие будет приложено в направлении, которое является перпендикуляром к одной из систем нитей. Именно эти направления требуют дополнительного усиления при изготовлении оболочек с минимальной анизотропией свойств, что можно выполнить путем введения дополнительных систем нитей.

Расположение дополнительных усилительных систем нитей должно соответствовать направлению и месту приложения деформации при эксплуатации изделия. Методы введения усилительных систем нитей зависят от возможностей оборудования и функций, которые должна выполнять цельнотканая оболочка.

В диссертационной работе разработано три метода введения усилительных систем нитей для формирования усилительного элемента в триак-сиальной объемной оболочке, позволяющие усовершенствовать конструкции одежды специального назначения и повысить ее эксплуатационную надежность:

- метод введения усилительных нитей в направлении трех основных систем нитей оболочки, позволяющий укреплять структуру ткани в этих направлениях, сохраняя характер анизотропии свойств триаксиального переплетения, требующий незначительной модификации оборудования;

- метод введения усилительных нитей перпендикулярно нитям основного полотна, существенно сокращающий анизотропию свойств в области сформированного усилительного элемента цельнотканой триакси-апьной оболочки;

- метод введения усилительных нитей в форме петель, позволяющий усилить направление, перпендикулярное одной из систем основных нитей цельнотканой оболочки, и реализуемый в качестве отделочной операции с использованием автоматических или полуавтоматических приспособлений.

Перспективной областью применения объемных цельнотканых оболочек является производство спецодежды, особенно такой сложной по конструкции и ответственной по выполняемым функциям, как скафандр космонавта.

Главная и наиболее сложная часть скафандра - оболочка. Она отделяет внутреннее пространство скафандра от внешней среды и выполняет функции по обеспечению его герметичности и восприятию сил от внутреннего избыточного давления, а также обеспечивает движение человека в скафандре.

Использование швов для формообразования значительно снижает прочностные показатели силовой оболочки. Разработанные методы проектирования и изготовления малошовных тканых оболочек позволяет исключить такие недостатки как разрушение шва, прокол нитей, изменение форм поперечных сечений и отверстий оболочки при эксплуатации.

Проведенные сравнительные исследования цельнотканой оболочки с усилительными элементами и участка действующей силовой оболочки локтевого узла скафандра космонавта, изготовленного швейным методом, выявили, что показатели разрывной нагрузки цельнотканой оболочки не только соответствуют нормативным значениям, предъявляемых к материалам при производстве костюма космонавта, но и превышают показатели оболочек, изготовленных по швейной технологии на 6%.

Анализ геометрии пространственных оболочек показал, что цельно-тканая оболочка сложной трехмерной формы, может проектироваться как комбинация участков с двухниточным и трехниточным переплетением. В диссертационной работе был разработан принципиально новый метод изготовления оболочек, заключающийся в комбинации двухниточного переплетения на участках с нулевой кривизной поверхности и трёхниточного переплетения, образующего участки оболочки с кривизной отличной от нуля, из трех систем основных нитей и дополнительных формообразующих нитей. Новизна разработанного метода подтверждена патентом РФ. Пример виртуальной модели оболочки с комбинацией дву- и триаксиаль-ных переплетений представлен па рис. 12.

Рисунок 12 - Трехмерная модель оболочки с комбинацией дву- и триаксиального переплетения, построенная в автоматизированной среде проектирвоания

Разработана структура процесса проектирования оболочек сложных форм, состоящих из комбинации двуаксиального и триаксиального переплетений, позволяющая проектировать изделия любой пространственной формы с заданными параметрами эксплуатационной надежности (рис.13).

Использование в оболочках комбинирования переплетений сокращает процесс их изготовления, позволяет создавать цельнотканые оболочки сложной формы с заданными зональными изменениями свойств, что расширяет область применения новых видов цельнотканых оболочек швейных изделий бытового и специального назначения.

Схема процесса проектирования цельнотканой оболочки с комбинацией переплетений была использована при разработке экспериментальной оболочки макета дирижабля из лент (рис. 14), где имеется как переход от трехниточного к двухниточному переплетению, так и обратный. Полученная оболочка обладает равномерной плотностью расположения лент, что является признаком стабильности структуры и подтверждает возможность использования комбинации переплетений для изготовления оболочек сложных пространственных форм.

Однако на данном этапе развития плетельного и ткацкого оборудования реализация указанного метода изготовления цельнотканых изделий в механизированном варианте не возможна. В связи с этим мы предлагаем рассматривать процесс производства оболочек с комбинацией переплетений как изготовление двуаксиальных оболочек с последующим введением третьей системы нитей. В этом случае операции ручного труда будут сведены к минимуму. Внешний вид двуаксиальной тканой структуры и полученной из нее триаксиальной представлен на рисунке 15.

Как известно, формообразование в ткани с целью минимизации числа швов и вытачек можно выполнять за счет изменения сетевых углов. В швейном производстве фиксацию измененных сетевых углов принято выполнять либо швами, либо клеевыми материалами. Как показали проведенные в работе исследования, введение третьей системы нитей в двуакси-альную структуру позволяет не только зафиксировать объемную форму изделия, полученную путем изменения сетевых углов, но и придать изделию большую износоустойчивость. При формообразовании оболочки изменение сетевых углов, доходя до «предельно допустимого», может привести к изменению плотности расположения нитей. В этом случае именно третья система нитей наилучшим образом способна удерживать и уравновесить изменение плотности расположения нитей двух других систем нитей.

ВХОДНАЯ ИНФОРМАЦИЯ:

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТРУКТУРНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ОБОЛОЧКИ

1.Внешняя 30-форма

2. Требования надежности

3. Ограничивающие условия (Состав нитей, особенности формообразования и т.д.)

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ОБОЛОЧКИ

ПРОЕКТИРОВАНИЕ 30- ФОРМЫ ИЗДЕЛИЯ

С! Ш

ш к X ш ь-ш с; с: ш о. ш с:

Оч <

X о.

и ^111

ш

ш

со о

Е

о

о >< 5 3

к ф

н

О а; ч: ^

га ф 5 X О. о о -

е

о

й X

м

СГ

ф

л -0

X

о. X

о о. п

с о ф а

ф I ^ 5

га о. о. м

з: го о;

ф X X

л X зГ ^ I ф

о. Ф

о и

с го 5

,0. X со

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ПРОИЗВОДСТВА ОБОЛОЧКИ

■1

РАЗДЕЛЕНИЕ ОБОЛОЧКИ НА УЧАСТКИ ДВУХНИТОЧНОГО и ТРЕХНИТОЧНОГО

ПОСТРОЕНИЕ ТРАЕКТОРИИ РАСПОЛОЖЕНИЯ НИТЕЙ УТКА

ПОСТРОЕНИЕ ЗАДАЮЩИХ НИТЕЙ

УСЛОВИЯ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СЕТЕЙ

УСЛОВИЯ РАВНОВЕСНОГО СОСТОЯНИЯ ОБОЛОЧКИ (характер изменения сетевых углов, допустимое отклонение поверхностной плотности)

ПОСТРОЕНИЕ ТРИАНГУЛЯЦИИ ДЛЯ

УЧАСТКОВ ТРИАКСИАЛЬНОГО ПЕРЕПЛЕТЕНИЯ

и

ПОСТРОЕНИЕ ЧЕБЫШЕВСКОЙ СЕТИ ДЛЯ УЧАСТКОВ ДВУАКСИАЛЬНОГО ПЕРЕПЛЕТЕНИЯ

СРАЩИВАНИЕ СЕТЕЙ ВСЕХ УЧАСТКОВ С ПЕРЕСТРОЕНИЕМ ГРАНИЦ ПЕРЕПЛЕТЕНИЙ

ТЕХНОЛОГИЯ

ПРОИЗВОДСТВА

ОБОЛОЧКИ -- ~ I_

ГРАНИЦЫ СМЕНЫ ПЕРЕПЛЕТЕНИЙ

ПРОВЕРКА РАВЕНСТВА КОЛИЧЕСТВА НИТЕЙ ПО ГРАНИЦАМ УЧАСТКОВ

.......Ц.

п

, I

КОЛИЧЕСТВО ОСНОВНЫХ и

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫХ ФОРМООБРАЗУЮЩИХ НИТЕЙ В СЕЧЕНИЯХ ОБОЛОЧКИ

Рисунок 13 - Схема процесса триаксиальных переплетений

проектирования цельнотканой оболочки, состоящей из комбинации дву

Рисунок 14 - Оболочка макета корпуса-оболочки дирижабля, выполненная комбинацией дву- и триаксиального переплетений

ЩШ ПШШШШ'

Jf.it ж л. л

6

Рисунок 15 - Внешний вид двуаксиальной (а) и полученной из нее триак-сиальной (б) тканой структуры

При проектировании малошовных изделий особый интерес представляет задача получения оболочек сложных пространственных форм, имеющих не стандартные, далекие от классических силуэты. Нами предложена методика проектирования и изготовления малошовных изделий сложных пространственных форм, получаемых путем изменения сетевых углов двуаксиальных тканей с последующей фиксацией формы третьей системой нитей. Детально процессы проектирования и изготовления таких оболочек изложены в диссертационной работе. Готовый вид платья, изго-

товленного по предлагаемой молошовной технологии, представлен на ри-

Рисунок 16 - Внешний вид двухшовного платья, выполненного комбинаций дву- (а) и триаксиального (б) переплетений

В шестой главе диссертационной работы приведены результаты промышленной апробации и внедрения разработок.

Использование трёх основных систем нитей в структуре ткани позволяет создавать малошовные и бесшовные текстильные изделия сложной пространственной формы. Цельнотканые триаксиальные оболочки прошли успешную апробацию при изготовлении изделий бытового назначения. Свидетельством тому является разработка и изготовление одношовных и двухшовных плечевых изделий и обуви с бесшовными плетеными заготовками верха. Для проектирования этих объектов была использована методика проектирования плетеных три- и квадроаксиальных оболочек из лент.

Для платьев и жакетов использованы текстильные шелковые ленты. Образец мужских мокасин изготовлен из кожаных лент, а заготовки верха женских туфель - из сутажного шнура.

В настоящее время особенно актуальным является внедрение технологии изготовления триаксиальных малошовных тканых оболочек в производство особо прочных, объёмных сложных форм специализированных деталей изделий авиационной, космической и электронной промышленно-стей.

Триаксиальное переплетение позволяет изготавливать текстильные изделия с изотропными свойствами или с заданным зональным распределением прочностных показателей, что особенно важно для создания оболочек специального назначения.

Триаксиальные оболочки были использованы при изготовлении бесшовных узлов силовой оболочки перчатки скафандра космонавта.

Современные орбитальные скафандры космонавтов отвечают требованиям безопасности и эргономики, но разработка нового типа планетарных скафандров требует увеличения надежности силовой текстильной оболочки путем использования инновационных материалов и технологий. Применение триаксиальных малошовных оболочек позволяет значительно повысить прочностные показатели, износостойкость, исключить большинство швов и уменьшить массу изделия, но самое главное - значительно улучшает его эргономику.

Метод проектирования объемных цельнотканых оболочек с усилительными элементами был апробирован на ОАО «НПП «Звезда». В соответствии с договором о творческом сотрудничестве была выполнена работа по экспериментальной разработке и исследованию образца силовой оболочки перчатки скафандра космонавта с цельноткаными оболочками пальцев.

Использование цельнотканых оболочек позволяет изготавливать изделия с минимальными прибавками. Поэтому при разработке экспериментальных образцов пальцев перчатки космонавта за основу был взят существующий манекен, соответствующий гермооболочке, так как силовая оболочка должна повторять гермооболочку.

Разработаны три цельнотканых оболочки пальцев отличающиеся по волокнистому составу, способу введения и месту расположения усилительных элементов, по форме исходной поверхности манекена. Оболочки пальцев изготовлены вручную, вид переплетения основного полотна -

трехниточное полотняное, дополнительные формообразующие нити вводили в соответствии с заданной геометрией буфинированной поверхности.

Основной критерий оценки перчатки - субъективная оценка удобства движения в перчатке под давлением. Первым этапом оценки является примерка (надевание) перчатки. Второй этап оценки проводят при испытании перчатки на приспособлении для подачи давления, разработанном на «НПП «Звезда». Окончательное испытание перчатки проходит в камере под давлением до 1,5 атмосфер.

Субъективная оценка разработанных цельнотканых оболочек пальцев показала, что все они отвечают предъявляемым требованиям надежности, а по эргономичности превосходят сшитый аналог, то есть намного легче осуществлять различные движения пальцев в перчатке с цельнотка-ными пальцами, чем со сшитыми.

Помимо субъективной оценки удобства для выявления лучшего цельнотканого образца была проведена оценка изменения размеров оболочек под действием давления. Для этого определяли три показателя изменения размеров оболочки: длину, поперечный диаметр по первой и второй фалангам; измерения выполняли вдоль усилительных элементов. На основе анализа результатов испытаний для успешной разработки новой технологии изготовления цельнотканой оболочки перчатки составлена система требований в качестве исходной информации для проектирования бесшовной силовой оболочки скафандра с триаксиальной структурой.

В результате проведенных исследований составлены рекомендации производству по проектированию и изготовлению манекена и цельнотканой силовой оболочки перчатки космонавта. Они были использованы при разработке бесшовной силовой оболочки целой перчатки скафандра космонавта (рис.17), которая прошла успешную апробацию на ОАО «НПП «Звезда» в составе скафандра «Сокол КВ-2» (рис. 18). Испытатель в скафандре без затруднений производил операции руками: сгибание/разгибание пальцев, захват и удержание предметов, откручивание и закручивание регулятора подачи давления, нажим кнопки отстрела парашюта, открытие и закрытие шлема, расстегивание замка привязной системы. В результате отмечено, что перечисленные операции легче выполнять в экспериментальной цельнотканой перчатке, чем в штатной, выполненной по швейной технологии. В настоящее время ведутся работы по внедрению технологии производства цельнотканых перчаток.

Рисунок 17 - Цельнотканая силовая оболочка перчатки скафандра космонавта

Рисунок 18 - Испытания цельнотканой силовой оболочки перчатки в составе скафандра «Сокол КВ-2»

Триаксиальные цельнотканые оболочки имеют перспективу использования для основы композитов. Современные композиционные материалы на текстильной основе обладают таким весомым недостатком как рас-слаиваемость, что связано с использованием прошивок для соединения слоев и создания объемных форм. Применение триаксиальных структур при изготовлении композитов позволяет создавать цельнотканые оболочки любой объемной формы, полые или разнотолщинные, методами ткачества, исключая эффект расслаивания.

На факультете технологии швейного производства Московского государственного университета дизайна и технологии по заданию Национального института авиационных технологий были изготовлены опытные образцы цельнотканых триаксиальных оболочек, включая бесшовную оболочку макета самолета (рис. 19).

Рисунок 19 - Цельнотканая триаксиальная оболочка макета самолета

Разработаны технологии изготовления плетеных оболочек преформ шпангоута Т-образной формы, фюзеляжа, где использованы методы проектирования оболочек с комбинацией переплетений.

Результаты работы показали, что разработанные малошовные технологии могут быть успешно использованы для изготовления углеродных преформ сложных пространственных форм, необходимых для создания деталей в авиационной промышленности.

Результаты диссертационной работы были использованы при выполнении следующих договоров:

- Договор о творческом сотрудничестве с Открытым Акционерным Обществом «Научно производственное предприятие «ЗВЕЗДА» от 22.11.2004

- «Проектирование силовой оболочки локтевого участка скафандра космонавта по бесшовной технологии»;

- № 1.1.06 от 2006г. с Федеральным агентством по образованию РФ -«Теория триагуляционного расчета оболочек сложных трехмерных тел при расчете тканых бесшовных оболочек с буфинированной поверхностью»;

- № 0803-Х от 28.02.2008 с Открытым Акционерным Обществом «Национальный институт авиационных технологий» - «Разработка конструкции и технологии изготовления преформы для типовой детали»;

- № 0805-Х от 10.07.2008 с Открытым Акционерным Обществом «Научно производственное предприятие «ЗВЕЗДА» - «Разработка цельнотканой силовой оболочки перчатки космического скафандра».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Развито новое перспективное научное направление по разработке методов проектирования и способов изготовления малошовных три - и мультиаксиальных оболочек в строгом соответствии с заданной пространственной формой и параметрами структуры для обеспечения планируемых эксплуатационных свойств и на этапе проектирования инновационных текстильных изделий бытового и технического назначения.

2. Разработана классификация объемных текстильных оболочек, учитывающая современные направления совершенствования малошовных и бесшовных технологии их изготовления и определяющая перспективные области применения.

3. Разработаны принципиально новые способы проектирования и изготовления цельнотканых оболочек, научная новизна которых подтверждена патентами РФ:

- «Способ изготовления цельнотканых оболочек с усилительными элементами» за №2358049 от 10.06.2009г„ Бюл. №16;

- «Цельнотканая оболочка с комбинацией двухниточных и трёхни-точных переплетений» № 2346092 от 10.02.2009г., Бюл. №4;

- «Композитная лопатка вентилятора с многослойным армирующим материалом» № 2384749 (РФ) от 20.03.2010г., Бюл. №8.

4. Разработана классификация новых триаксиапьных переплетений, позволяющая расширить ассортимент цельнотканых изделий бытового и технического назначения.

5. Разработана концепция проектирования цельнотканых оболочек, представляющая собой поэтапное формирование сложной технической системы в соответствии с современными теориями оболочек и эксплуатационной надежности.

6. Составлена методика проектирования цельнотканых оболочек путем расчета формы и структуры изделия в трехмерном пространстве без перехода к двухмерным разверткам, что обеспечивает точность расчетов и сокращение их трудоемкости.

7. Разработаны схемы процессов и способы проектирования:

- три- и мультиаксиапьных оболочек, универсальные для изделий любой пространственной формы и любого назначения;

- оболочек с визуальными эффектами, позволяющий расширить область применения малошовных три- и квадроаксиальных оболочек за счет получения новых декоративных решений;

- цельнотканых триаксиальных оболочек с усилительными элементами, позволяющие создавать малошовные изделия с максимальной формоустойчивостью;

- оболочек сложных форм, состоящих из комбинации двуаксиально-го и триаксиального переплетений, позволяющие проектировать изделия любой пространственной формы с заданными параметрами эксплуатационной надежности.

8. На основе триангуляции Делоне разработаны методы проектирования траекторий расположения нитей в структуре цельнотканой оболочки и моделирования сложной пространственной формы изделия:

- метод слитной полосовой триангуляции для расчета малошовных оболочек с горизонтальным расположением уточных нитей;

- метод расчета бесшовных тканых оболочек со спиралевидным расположением уточной нити;

- метод триангуляции по заданным участкам с дополнительным пересчетом треугольников в областях соединения участков, для формирования равномерной структуры оболочки сложной пространственной формы, состоящей из треугольных ячеек, стремящихся к равносторонности для обеспечения устойчивости триаксиальной цельнотканой структуры оболочки;

- метод триангуляции поверхностей сложных форм по точкам пересечения систем параллельных сечений при стремлении всех элементарных треугольных ячеек проектируемой сети к равноуголь-ности и равномерном изменении длин сторон ячеек по мере изменения кривизны поверхности для обеспечения визуальной равномерности структуры оболочки.

9. Разработана концепция оборудования для производства триакси-альных и квадроаксиальных малошовных и бесшовных оболочек, включающая четыре способа модификации стандартного плетельного оборудования для изготовления силовой оболочки скафандров космонавтов и других объемных текстильных оболочек специального назначения на принципиально новом уровне, не имеющем аналогов в мировой практике.

Ю.Разработаны два принципиально новых алгоритма перемещения нитедержателей станка Herzog 3-D-Flechtmaschine САВ 9-32-220, позволяющие производить оболочки с триаксиальной и квадроаксиальной структурой без внесения изменений в конструкцию оборудования.

11.Разработаны методы введения усилительных систем нитей для формирования усилительных элементов в триаксиальных объемных оболочках, позволяющие усовершенствовать конструкции одежды специального назначения и повысить ее эксплуатационную надежность:

- метод введения усилительных нитей в направлении трех систем основных нитей оболочки, позволяющий укреплять структуру ткани в этих направлениях, сохраняя характер анизотропии свойств триаксиального переплетения, требующий незначительных изменений в оборудовании;

- метод введения усилительных нитей перпендикулярно нитям основного полотна, существенно сокращающий анизотропию свойств в области сформированного усилительного элемента цельнотканой триаксиальной оболочки;

- метод введения усилительных нитей в форме петель, позволяющий усилить направление, перпендикулярное одной из систем основных нитей цельнотканой оболочки, и реализуемый в качестве отделочной операции с использованием автоматических или полуавтоматических приспособлений.

12.Исследования свойств разработанных цельнотканых деталей силовой оболочки скафандра космонавта показали перспективность внедрения малошовных технологий изготовления объемных тканых изделий в производство силовой оболочки скафандра космонавта.

13.Апробация разработанных инновационных технологий осуществлена на предприятии авиационной отрасли при разработке композиционных материалов нового поколения, получены положительные отзывы.

Основное содержание работы опубликовано в следующих работах:

1. Лаврис Е.В. (Лунина Е.В.), Смирнов А.Н. Design of 3-D Woven Textiles // 1st International Workshop Design-Innovation-Development: Сборник материалов I Международной конференции. - Румыния, Иаси, 2006 - 0,22 п.л. (лично автором - 0,12 п.л.).

2. Лаврис Е.В., Мищенко Ю.С., Проектирование цельнотканых триак-сиальных оболочек с усилительными элементами // Вестник Московского государственного университета дизайна и технологии. - 2006. - № 6(48) -0,47 п.л. (лично автором - 0,24 пл.).

3. Андреева Е.Г., Базаев Е.М., Лаврис Е.В. Цельнотканые объемные оболочки с комбинацией двухниточных и трехниточных переплетений // Швейная промышленность. - 2006 - №6 - 0,25 п.л. (лично автором - 0,10 пл.) (из перечня ВАК).

4. Лаврис Е.В. Manufacture of woven seamless three-axial shells // Scientific workshop of DAAD grant-holders: Сборник тезисов докладов международной конференции. - ФРГ, Бонн, 2006 - 0,18 п.л. (лично автором -0,18 пл.).

5. Лаврис Е.В., Мищенко Ю.С. Проектирование оболочек с усилительными элементами по цельнотканой технологии // Молодежь - производству: Сборник тезисов докладов международной научно-технической конференции. - Республика Беларусь, Витебск: ВГТУ, 2006 - 0,14 п.л. (лично автором - 0,06 пл.).

6. Базаев Е.М., Лаврис Е.В. От вечернего платья до летательных космических аппаратов // Второй московский фестиваль науки: Сборник докладов II Всероссийской научно-практической конференции. - М.: МГУ -2007 - 0,06 пл. (лично автором - 0,03 пл.).

7. Лаврис Е.В. Three-axial woven seamless shells // Сборник научных докладов международной конференции стипендиатов программы «Михаил Ломоносов» НСАО. - ФРГ, Бонн - 2007 - 0,08 пл. (лично автором - 0,08 пл.).

8. Лаврис Е. В., Удалова Е. С., Андреева Е. Г. Проектирование объемных пространственных текстильных оболочек с триаксиальной структурой

// Дизайн и технологии. - М.: ИИЦ МГУДТ - 2008 - №9 - 0,43 пл. (лично автором - 0,15 п.л.) (из перечня ВАК).

9. Базаев Е. М., Кутуева Ю.С., Лаврис Е. В., Андреева Е. Г. Бесшовные технологии от вечернего платья до летательных космических аппаратов // Дизайн и технологии. - М.: ИИЦ МГУДТ -2008 -№10 - 0,37 п.л. (лично автором - 0,10 п.л.) (из перечня ВАК).

10. Андреева Е.Г., Лаврис Е.В., Кутуева Ю.С. Цельнотканые технологии в производстве одежды специального назначения // Естественные и технические науки. - М. - 2008 - 0,34 п.л. (лично автором - 0,11 п.л.).

11. Лаврис Е.В. Цельнотканые оболочки с триаксиальной структурой: текстильные изделия нового поколения // Текстильная промышленность. -М- 2008 - №11-12 - 0,25 п.л. (лично автором - 0,25 п.л.) (из перечня ВАК).

12. Лаврис Е. В., Базаев Е. М., Андреева Е. Г. Развитие бесшовных технологий в швейной промышленности: от одежды до космических высот// История науки и техники. - М.:Научтехлитиздат - 2008 - №6 10 - 0,72 п.л. (лично автором - 0,34 пл.) (из перечня ВАК).

13. Лаврис Е. В., Кутуева Ю. С., Андреева Е. Г. Проектирование цельно-тканых оболочек с заданной эксплуатационной надежностью // Швейная промышленность. - 2008 - № 6. - 0,37 пл. (лично автором - 0,14 пл.) (из перечня ВАК).

14. Лаврис Е. В. Проектирование цельнотканых триаксиальных оболочек. Монография. - ИИЦ МГУДТ - 2008 - 6,7 пл. (лично автором — 6,7 пл.).

15. Лаврис Е. В. Объемные цельнотканые оболочки: классификация и методы изготовления // Дизайн. Материалы. Технология - С.Пб. - 2009-№1- 0,36 п.л. (лично автором - 0,36 пл.) (из перечня ВАК).

16. Лаврис Е. В., Андреева Е. Г. Textile goods of new génération: seamless woven items // Fiber2fashion: World internet journal of textile and apparel production (Международный интернет-журнал текстильной и швейной промышленности). - 2009 - 0,20 пл. (лично автором - 0,10 пл.).

17. Андреева Е. Г., Лаврис Е. В. Seamless textile technologies for the apparel industry development // Tekstilna industrija. - Сербия, Белград - 2010 -Volume LVIII. Number 2 - 0,30 пл. (лично автором - 0,15 пл.).

18. Лаврис Е. В., Андреева Е. Г. Методика проектирования объемных цельнотканых триаксильных оболочек // Дизайн и технологии. - М.: ИИЦ МГУДТ -2010 - №17 - 0,30 пл. (лично автором - 0,15 пл.) (из перечня ВАК).

19. Андреева Е. Г., Лаврис Е. В. Seamless textiles technologies for aircraft and space industries // Innovative materials & technologies in made-up textile articles and footwear: Сборник тезисов докладов 9-ой международной конференции CLOTHEC'2010. - Польша, Радом, 2010-0,10 п.л. (лично автором - 0,05 пл.).

20. Андреева Е.Г., Гетманцева В.В., Лаврис Е.В., Петросова И.А. Инновационные подходы и пути совершенствования процессов проектирования швейных изделий industries // Актуальные проблемы науки в развитии инновационных технологий для экономики региона (ЛЕН-2010): Сборник тезисов докладов международной научно-технической конференции. - Кострома, 2010 - 0,05 п.л. (лично автором - 0,02 пл.).

21. Андреева Е.Г., Гетманцева В.В., Лаврис Е.В., Петросова И.А. Innovations in design for development of apparel industry // Tendencije razvoja u tekstilnoj industriji: Сборник докладов международной конференции. -Сербия, Белград, 2010. - 0,20 п.л. (лично автором - 0,05 пл.).

22. Степанищева А.Н., Лаврис Е.В. Применение специального армирующего технического текстиля для изготовления композитов // Дизайн: новые взгляды и решения: Сборник тезисов докладов II Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых. - Казань: КГТУ, 2010 - 0,07 пл. (лично автором - 0,03 пл.).

23. Степанищева А.Н., Лаврис Е.В. Классификация элементов швейного изделия в соответствии с современной теорией оболочек // Молодая наука: Сборник тезисов докладов всероссийской научно-практической конференции молодых ученых. - М., МГУДТ, 2010 - 0,05 пл. (лично автором - 0,02 пл.).

24. Журавлева Н.Л., Лаврис Е.В. Пути совершенствования конструкции одевды специального назначения с принудительной вентиляцией подо-дежного пространства // Молодая наука: Сборник тезисов докладов всероссийской научно-практической конференции молодых ученых. - М., МГУДТ, 2010 - 0,05 пл. (лично автором - 0,02 пл.).

25. Лаврис Е.В. Проектирование оболочек сложных форм с градиентными свойствами // Дизайн и технологии. - М.: ИИЦ МГУДТ -2010 - №19 -0,50 пл. (лично автором - 0,50 пл.) (из перечня ВАК).

26. Пастухова Е.А., Лаврис Е.В., Костылева В.В. Теоретическое описание фаз строения полотна для формирования заготовки верха обуви методом плетения // Дизайн и технологии. - М.: ИИЦ МГУДТ -2011 - №21 -0,43 пл. (лично автором -0,15 п.л.) (из перечня ВАК).

27. Лаврис Е. В., Андреева Е. Г. Проектирование объемных триаксиаль-ных оболочек в трехмерной среде // Швейная промышленность. - 2011 - № 2. - 0,75 пл. (лично автором - 0,40 п.л.) (из перечня ВАК).

28. Степанищева А.Н., Лаврис Е.В. Особенности проектирования швейных изделий с жесткими композиционными элементами// Дизайн и технологии. - М.: ИИЦ МГУДТ -2011 - №22 - 0,50 п.л. (лично автором - 0,25 пл.) (из перечня ВАК).

29. Лаврис Е. В., Андреева Е. Г. Аспекты проектирования и изготовления малошовных оболочек с градиентными свойствами // Швейная промышленность. - 2011 - № 3. - 0,56 пл. (лично автором - 0,30 пл.) (из перечня ВАК).

30. Лаврис Е.В. Design and manufacture of woven textile items with minimum number of seams // Grand fashion: Сборник докладом международной Корейско-Российской конференции. Июнь 2011. - M.: KF&CDA. - 0,25 пл. (лично автором - 0,25 пл.).

31. Лаврис Е.В. Совершенствование плетельного оборудования для производства текстильных деталей сложных форм // Политематический сетевой электр. научный журнал Кубанского государственного аграрного университета (Научный журнал КубГАУ). - 2011 - № 70. - 0,75 п.л. (лично автором - 0,75 пл.) (из перечня ВАК).

32. Степанищева А.Н., Лаврис Е.В. Возможности сочетания текстильных и композиционных материалов для изготовления швейных изделий // Перспективные науки. - 2011 - № 5. - 0,35 пл. (лично автором - 0,15 пл.) (из перечня ВАК).

33. Лаврис Е.В. Seamless woven textile for aircraft and space industries // Научный прогресс на рубеже тысячелетий - 2011: Сборник докладов II Международной научно-практической конференции. - Май, 2011 - Чехия- 0,25 пл. (лично автором - 0,25 пл.).

34. Гетманцева В.В., Лаврис Е.В., Петросова И.А. Trends of design technologies for innovative textile goods production // Fiber2fashion: World internet journal of textile and apparel production (Международный интернет-журнал текстильной и швейной промышленности). - 2011 - 0,30 пл. (лично автором-0,10 пл.).

35. Пастухова Е.А., Лаврис Е.В., Костылева В.В. Машинная технология изготовления плетеных изделий // Дизайн и технологии. - М.: ИИЦ МГУДТ -2011 - №23 - 0,70 пл. (лично автором - 0,20 пл.) (из перечня ВАК).

36. Степанищева А.Н., Лаврис E.B. Possibility of textile and composite materials combination for apparel manufacture // Актуальные проблемы современных наук - 2011: Сборник материалов II Международной научно-практической конференции, июнь 2011 - Польша, Прземысл - 0,25 п.л. (лично автором - 0,13 пл.).

37. Пастухова Е.А., Лаврис Е.В., Костылева В.В. Плетельные технологии для изготовления бесшовных заготовок верха обуви // Научная перспектива. - М.ГИнфинити -2011 -№6-0,44 п.л. (лично автором - 0,15 п.л.).

38. Гайдукова К.С., Лаврис Е.В. Проектирование объемных форм одежды с минимальным количеством швов // Актуальные достижения европейской науки - 2011: Сборник докладов II Международной научно-практической конференции. - Болгария, июнь 2011. - 0,20 п.л. (лично автором-0,10 пл.).

39. Пастухова Е.А., Лаврис Е.В., Костылева В.В. Braiding technologies for manufacture of seamless shoes uppers // Grand fashion: Сборник докладом международной Корейско-Российской конференции. Июнь 2011. - М.: KF&CDA. - 0,25 пл. (лично автором - 0,09 пл.).

40. Степанищева А.Н., Лаврис Е.В. Composite-textile: a new technologies for innovative clothes // Grand fashion: Сборник докладом международной Корейско-Российской конференции. Июнь 2011. - М.: KF&CDA. - 0,20 пл. (лично автором - 0,10 пл.).

41. Гайдукова К.С., Лаврис Е.В. Комбинирование дву- и триаксиальных переплетений при изготовлении малошовной одежды // Научно-аналитический журнал «Научный обозреватель». - М.: Инфинити -2011 -№6 - 0,31 п.л. (лично автором - 0,15 пл.).

42. Лаврис Е.В. Теория и методы проектирования объемных малошовных оболочек с триаксиальной и мультиаксиальной структурой. Монография. - М.: «Спутник+» - 2011-6,31 пл. (лично автором - 6,31 пл.).

43. Базаев Е. М., Лаврис Е. В. Цельнотканая оболочка с комбинацией двухниточных и трёхниточных переплетений // Патент № 2346092 (РФ) от 10.02.2009г., Бюл. №4. - 0,37 п.л. (лично автором - 0,18 пл.).

44. Лаврис Е.В., Кутуева Ю.С. Способ изготовления цельнотканых оболочек с усилительными элементами // Патент № 2358049 (РФ) от 10.06.2009г., Бюл. №16. - 0,42 п.л. (лично автором - 0,22 пл.).

45. Сироткин О.С., Литвинов В.Б., Токсанбаев М.С., Базаев Е.М., Лаврис Е.В., Еремкин Д.И. Композитная лопатка вентилятора с многослойным армирующим материалом // Патент № 2384749 (РФ) от 20.03.2010г., Бюл. №8. - 0,41 пл. (лично автором - 0,06 пл.).

ЛАВРИС ЕКАТЕРИНА ВАСИЛЬЕВНА

Теория и методы проектирования объемных малошовных оболочек с триаксиальной и мультиаксиальной структурой

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Усл. печ. 3 п.л. Тираж 80 экз. Заказ № 140-11

Редакционно-издательский отдел МГУДТ 115035, Москва, ул. Садовническая, д. 33, стр.1 Отпечатано в РИО МГУДТ

71 12-5/72

ФГБОУ ВПО «МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ДИЗАЙНА И ТЕХНОЛОГИИ»

ТЕОРИЯ И МЕТОДЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ОБЪЕМНЫХ МАЛОШОВНЫХ ОБОЛОЧЕК С ТРИАКСИАЛЬНОЙ И МУЛЬТИАКСИАЛЬНОЙ СТРУКТУРОЙ

Специальность 05.19.04 - «Технология швейных изделий»

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант доктор технических наук,

На правах рукописи

ЛУНИНА Екатерина Васильевна

профессор Е. Г. Андреева

к «г а мч!«*^

Москва-2011

Содержание

стр.

ВВЕДЕНИЕ...............................................................................................................6

1 Вопросы проектирования объемных малошовных оболочек с заданными свойствами.............................................................................................................18

1.1 Проектирование малошовных тканых оболочек с заданной эксплуатационной надежностью.........................................................................20

1.1.1 Теория тканых оболочек............................................................................21

1.1.2 Теория надежности в проектировании текстильных изделий...............24

1.1.3 Разработка методики проектирования структуры цельнотканых оболочек на основе системы показателей надежности.....................................29

1.2 Современное состояние процессов проектирования и изготовления малошовных изделий............................................................................................33

1.2.1 Классификация тканых оболочек по форме............................................34

1.2.2 Виды переплетений, используемые при производстве цельнотканых оболочек.................................................................................................................36

1.2.2.1 Оболочки с двуаксиальными переплетениями...........................36

1.2.2.2 Оболочки с триаксиальными переплетениями...........................39

1.2.2.3 Оболочки с мультиаксиальными переплетениями.....................50

1.3 Сравнительные исследования анизотропии деформационных свойств

тканей с двухаксиальной и триаксиальной структурой....................................57

1.3.1 Экспериментальное исследование свойств цельнотканой оболочки

полусферы..............................................................................................................66

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ..........................................................................................71

2 теория проектирования объемных малошовных три- и мультиаксиальных

оболочек.....................................................................................73

2.1 Особенности структуры цельнотканых оболочек с точки зрения неевклидовой геометрии......................................................................................74

2.2 Особенности расчета структурных показателей три- и мультиаксиальных оболочек.................................................................................................................78

2.3 Разработка обобщенной методики проектирования объемных цельнотканых триаксиальных оболочек.............................................................86

2.4 Особенности проектирования и изготовления оболочек с триаксиальной

и квадроаксиальной структурой из кожаных и текстильных лент..................91

2.4.1 Проектирование три- и мультиаксиальных оболочек из лент с

декоративными эффектами..................................................................................95

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ..........................................................................................99

3 Разработка теоретических основ моделирования малошовных тканых оболочек на основе триангуляции Делоне.......................................................101

3.1 Проектирование объемных малошовных оболочек................................101

3.1.1 Анализ методов описания объемных оболочек.....................................102

3.1.2 Возможности применения неевклидовой геометрии при расчете оболочек объемных поверхностей с переменным радиусом кривизны........106

3.1.2.1 Параллельные прямые в тканой оболочке..............................108

3.1.2.2 Сумма углов треугольников в трехмерной среде проектирования! 10

3.1.2.3 Разбиение плоскости на равные многоугольники.....................111

3.1.3 Использование метода триангуляции при проектировании объемных поверхностей.......................................................................................................114

3.2 Методика формирования триангуляции Делоне для расчета количества и расположения нитей в цельнотканой оболочке...............................................123

3.2.1 Расчет оболочек с горизонтальным расположением исходных нитей 129

3.2.2 Расчет оболочек со спиральным расположением исходной нити.......141

3.3 Триангуляционное проектирование изделий сложных форм на примере

оболочки манекена женской фигуры................................................................144

3.3.1 Метод триангуляции по заданным участкам с последующим пересчетом треугольников в областях соединения участков.........................144

3.3.2 Метод триангуляции поверхностей сложных форм по точкам

пересечения нескольких систем параллельных сечений................................149

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ........................................................................................155

4 Разработка концепции плетельного станка для производства объемных оболочек с три- и квадроаксиальной структурами..........................................157

4.1 Виды плетений и плетельного оборудования..........................................158

4.1.1 Трехмерное плетельное оборудование...................................................160

4.1.2 Трехмерный роторный плетельный станок...........................................167

4.1.3 Станок Herzog 3-D-Flechtmaschine CAB 9-32-220................................ 172

4.2 Модификации оборудования для производства бесшовных оболочек с

тремя основными системами нитей..................................................................177

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ........................................................................................181

5 Разработка способа проектирования оболочек с зональным распределением свойств за счет введения модифицированных переплетений на заданных участках...................................................................................182

5.1 Разработка способа изготовления триаксиальных цельнотканых оболочек с усилительными элементами...........................................................187

5.1.1 Метод введения усилительных нитей в направлении трех систем основных нитей оболочки..................................................................................189

5.1.2 Метод введения усилительных нитей перпендикулярно основным нитям оболочки...................................................................................................191

5.1.3 Метод введения усилительных нитей в виде петель............................193

5.1.4 Исследование свойств объемной цельнотканой оболочки с усилительными элементами...............................................................................195

5.2 Разработка методики проектирования цельнотканых триаксиальных оболочек с усилительными элементами...........................................................200

5.3 Разработка способа проектирования объемных оболочек с комбинацией двуаксиального и триаксиального переплетений............................................204

5.3.1 Разработка процесса проектирования оболочек сложных форм, состоящих из комбинации двуаксиального и триаксиального

переплетений.......................................................................................................206

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ........................................................................................218

6 Промышленная апробация. Внедрение результатов работы......................220

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................................................................230

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ.........................................234

ПРИЛОЖЕНИЕ 1.........................................................................248

ПРИЛОЖЕНИЕ 2.......................................................................263

ПРИЛОЖЕНИЕ 3.......................................................................276

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы

Необходимость реализации инновационной стратегии развития России ставит перед швейной промышленностью задачи, решение которых требует разработки новых высокоэффективных малооперационных технологий и перехода на новый уровень производства текстильных изделий. Задача расширения области применения текстильных изделий находится в рамках одного из основных направлений инновационно- ориентированных целевых фундаментальных исследований государственной корпорации «Ростехнологии»: «Фундаментальные исследования по созданию новых материалов с градиентными и уникальными физико-механическими свойствами».

Применение швейных изделий, как оболочек, в настоящее время выходит за рамки легкой промышленности. А требования активно развивающегося рынка спецодежды и композиционных материалов на тканой основе определяют не только особенности конструкции изделия и технологии его изготовления, но и необходимость обеспечения ряда специфических свойств, таких как строгое соответствие заданной внешней форме, отсутствие швов, двусторонность, устойчивость к деформационным разнонаправленным нагрузкам, изотропность или, наоборот, градиентность свойств и других [1]. Реализация таких требований может быть осуществлена благодаря использованию особых переплетений нитей и созданию оболочек с минимальным числом швов. Однако существующие технологии изготовления цельнотканых оболочек не могут обеспечить ни малошовности объемных оболочек сложных форм, ни заданной анизотропии или изотропности свойств, что определяет актуальность разработки

принципиально новой технологии изготовления малошовных оболочек сложных форм с заданными уникальными свойствами.

Эксплуатация специальной одежды и изделий из технических текстильных материалов может осуществляться в особо сложных условиях, что формирует потребность в новых малошовных и бесшовных оболочках, характеризующихся следующими факторами: увеличивающейся сложностью их промышленного изготовления, значительной ответственностью выполняемых функций, повышенными требованиями к качеству изделия и его свойствам. В связи с этим в основе теоретических аспектов разработки методологии изготовления принципиально новых малошовных оболочек сложных форм должна лежать система надежности, а сложное текстильное изделие следует рассматривать как техническое устройство с учетом комплексного и системного подхода к его проектированию.

Одним из распространенных на сегодняшний день способов получения малошовных оболочек является производство нетканых изделий, имеющих широкий спектр применения, как в одежде, так и в технических изделиях, однако они обладают одним существенным недостатком: необходимо изготовление форм внешнего вида для каждого отдельного образца. Помимо этого, из-за отсутствия сетчатой структуры, не достигается присущая ткани формоустойчивость, что ограничивает ассортимент изделий.

Методы изготовления цельновязанных изделий позволяют получить трикотаж, который обладает анизотропией свойств, а также плохо сопротивляется деформационному воздействию и накапливает остаточную часть деформации, что ведет к потере изначально заданной формы и ухудшению внешнего вида изделия.

Повысить надежность текстильной оболочки, а именно устойчивость к различным видам деформационных воздействий, можно при условии проектирования и изготовления оболочки с максимально устойчивой структурой, каковой является тканая. Таким образом, для удовлетворения

требований, предъявляемых к объемным малошовным изделиям как бытового, так и технического назначения, целесообразно использовать тканые оболочки. Однако существующие методы проектирования тканых оболочек не получили широкого применения из-за таких недостатков, как неравномерность структуры и невозможность резкого изменения кривизны поверхности создаваемой объемной оболочки.

Использование ткацких переплетений, состоящих из двух систем нитей, в малошовных оболочках характеризуется тем, что четырехугольная элементарная ячейка ткани является достаточно подвижной, легко деформируемой под внешним воздействием. Для уменьшения изменения сетевых углов целесообразно ввести третью систему нитей, тем самым, получая элементарные ячейки треугольной формы, являющиеся более устойчивыми, что подтверждено как теоретическими, так и экспериментально, благодаря сравнительным испытаниям тканей с двух- и трехниточными переплетениями. Введение четвертой и последующих дополнительных систем нитей в структуру ткани позволит снизить анизотропию свойств и повысить устойчивость к деформационным воздействиям. Поэтому при разработке новых методов проектирования и изготовления малошовных тканых изделий эффективно использовать модифицированные виды переплетений, обладающие минимальной анизотропией свойств. При этом введение модифицированных видов переплетений требует детального исследования их свойств, как в плоских тканях, так и в объемных оболочках.

Объемные малошовные оболочки являются трехмерными объектами, поэтому для их проектирования не подходят традиционные методики конструирования, основанные на аппроксимированном построении разверток поверхностей. Разработка метода проектирования, все этапы которого осуществляются в трехмерном пространстве, позволит создать малошовную объемную оболочку строго заданной внешней формы, а также в перспективе

автоматизировать процесс проектирования и изготовления тканых изделий сложных форм.

Проведенные исследования выявили проблему создания малошовных оболочек сложных пространственных форм, обладающих заданной анизотропией или изотропностью свойств, строгим соответствием проектируемой форме и равномерностью структуры с целью обеспечения высокой эксплуатационной надежности изделий. Данная проблема требует радикальных инновационных решений, базирующихся на глубокой проработке теоретических аспектов проектирования и изготовления малошовных оболочек, обладающих особыми свойствами, которые являются новыми как для швейной отрасли, так и для областей, где в перспективе будет широко востребован текстиль, таких как авиационная, космическая и электронная промышленности.

Перспективность исследований в направлении разработки новых методов проектирования и изготовления малошовных оболочек показали разработки Московского государственного университета дизайна и технологии (МГУДТ), научных текстильных центров США, Германии, Великобритании.

Тема диссертации утверждена Ученым советом Московского государственного университета дизайна и технологии (МГУДТ). Работа выполнялась в рамках реализации важнейших проектов государственного значения по приоритетным направлениям в области технологии глубокой переработки отечественного сырья и материалов в легкой промышленности, технологий авиа-космической отрасли, создания новых материалов с градиентными и уникальными физико-механическими свойствами.

Работа выполнялась по тематическому плану НИР МГУДТ, 2006-2008 гг. комплексная тема: «Разработка методов проектирования бесшовных объемных оболочек», в рамках госбюджетных тем НИР 64.01.07; 64.33.14; 1.1.06: «Разработка теоретических основ проектирования тканых бесшовных

оболочек объемных тел повышенной формоустойчивости и износостойкости с использованием принципов неевклидовой геометрии» и «Теория неевклидовой геометрии при расчете тканых бесшовных оболочек объемных тел повышенной формоустойчивости и износостойкости», «Теория триангуляционного расчета оболочек сложных трехмерных тел при расчете тканых бесшовных оболочек с буфинированной поверхностью».

Целью работы является разработка теоретических основ проектирования объемных малошовных оболочек с триаксиальной и мультиаксиальнои структурой, обладающих заданной эксплуатационной надежностью, устойчивостью к деформации, строгим соответствием форме одеваемой поверхности.

Для достижения поставленной цели е работе решались следующие задачи:

-анализ современного состояния процессов проектирования и изготовления малошовных текстильных изделий;

-анализ видов переплетений, используемых при производстве тканых оболочек с минимальным числом швов;

-разработка методологии проектирования объемных малошовных три- и мультиаксиальных оболочек с заданными свойствами;

-разработка методики проектирования структуры цельнотканых оболочек на основе системы показателей надежности;

-выявление особенностей проектирования и изготовления плетеных оболочек с триаксиальной и квадроаксиальной структурой из кожаных и текстильных лент;

-разработка методики проектирования три- и мультиаксиальных оболочек из лент с декоративными эффектами;

-разработка теоретических основ моделирования малошовных тканых оболочек на основе триангуляции Делоне;

-разработка концепции плетельного станка для производства объемных оболочек с три- и квадроаксиальной структурами ;

-разработка методики проектирования и способа изготовления триаксиальных цельнотканых оболочек с усилительными элементами;

-исследование свойств объемных цельнотканых оболочек с усилительными элементами;

-разработка метода проектирования объемных цельнотканых оболочек с комбинацией двуаксильного и триаксиального переплетений;

-промышленная апробация разработанных методов проектирования и изготовления малошовных тканых оболочек.

Научная новизна результатов диссертационной работы

заключается в том, что:

-развито новое перспективное научное направление по разработке методов проектирования и способов изготовления малошовных три - и мультиаксиальных оболочек в строгом соответствии с заданной пространственной формой и параметрами структуры для обеспечения планируемых эксплуатационных свойств и на этапе проектирования;

-предложена классификация об