Моделирование процесса дробления комплексов технического льняного волокна
На правах рукописи
Смирнов Александр Анатольевич
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ДРОБЛЕНИЯ КОМПЛЕКСОВ ТЕХНИЧЕСКОГО ЛЬНЯНОГО ВОЛОКНА
Специальность: 05.19.01
«Материаловедение текстильной и легкой промышленности»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Кострома – 2008
Работа выполнена в Костромском государственном технологическом университете
Научный руководитель:
кандидат технических наук, доцент
Киселев Михаил Владимирович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,
Гусев Борис Николаевич,
Ивановская государственная текстильная академия
кандидат технических наук, доцент
Федосова Наталья Михайловна,
Костромской государственный технологический университет
Ведущая организация:
ВНИИЛК, г. Кострома.
Защита состоится « 25 » июня 2008 г. в 1200 часов на заседании диссертационного совета Д 212.093.01 в Костромском государственном технологическом университете по адресу: 156005 г. Кострома, ул. Дзержинского, 17, ауд. Б-106.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Костромского государственного технологического университета.
Автореферат разослан 23 мая 2008 г.
Ученый секретарь диссертационного совета,
доктор технических наук, профессор __________________ П.Н. Рудовский
1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы.
По сравнению c другими природными и химическими волокнами лен обладает рядом отличительных свойств, которые представляют большой интерес как в повседневной жизни человека, так и для использования в технических целях. Поэтому производство изделий с использованием льняного волокна остается перспективным направлением. Создание конкурентоспособной продукции, отвечающей мировым стандартам качества, является актуальной проблемой на сегодняшний день для льняной промышленности.
Получение качественной пряжи зависит прежде всего от технологических процессов ее переработки и от качества исходного сырья. Одним из основных процессов обработки льна является дробление комплексов на более тонкие и короткие, из которых затем формируется пряжа. Следует отметить высокую сложность данного процесса, который зависит от множества факторов, взаимосвязанных между собой.
Многие исследователи, занимающиеся проблемами разрушения нитей и тканей, дроблением комплексов льняных волокон отмечают сложность моделирования реальных технологических процессов с учетом реального строения нити и вероятностными физико-механическими и геометрическими ее свойствами, что привело к созданию ряда упрощающих допущений при моделировании нитей и тканей, которые на сегодняшний день широко известны.
Для исследования поведения данных сложных систем и процессов хорошие результаты дает применение математического моделирования, которое позволяет исследовать влияние различных факторов независимо друг от друга. Наиболее перспективным направлением в современной науке по данному вопросу является проблема прогнозирования механических свойств нити и ткани, что в свою очередь невозможно без применения математического моделирования. С широким внедрением вычислительной техники появляется возможность эффективного применения численных методов математического анализа и визуализации процессов на экране ПЭВМ. В связи с этим в последнее время отмечено появление нового направления в науке "Компьютерное материаловедение", чему и посвящена данная работа.
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка методики проектирования структуры комплекса льняных волокон и прогнозирование процесса дробления льняного комплекса методами математического моделирования с учетом вероятностных физико-механических и геометрических свойств моделируемого объекта и реального строения объекта исследования.
Для достижения поставленной цели были поставлены и решены следующие задачи:
- построена математическая модель разрушения элементарного льняного волокна с учетом его реального строения;
- построена математическая модель разрушения двух элементарных волокон при деформации «сдвига» и «раздира»;
- разработана методика определения координат центров тяжести сечений элементарных волокон в поперечных срезах льняного комплекса;
- построена математическая модель дробления комплекса льняных волокон, учитывающая вероятностные характеристики исследуемого объекта;
- разработаны интегрированные характеристики процесса дробления льняного комплекса.
Методы исследования. Для решения поставленных задач использовались различные методы математического моделирования и компьютерной обработки объектов моделирования. В частности при математическом моделировании комплекса льняных волокон и его составляющих использовались численный метод конечных элементов в объемной постановке. Для решения задач предельного анализа использовался метод последовательных нагружений с учетом геометрической нелинейности поведения моделируемого объекта (метод Нъютона-Рафсона). При определении статистических характеристик поперечных сечений комплекса использовались алгоритмы распознавания графических образов, векторизация растровых изображений, поиска центров тяжести тел с произвольной формой. При выполнении экспериментальной части использовались натурные эксперименты на приборе Ф-01. При статистической обработке результатов экспериментов, в том числе вычислительных, применялись корреляционный, дисперсионный анализы и другие статистические методы. Использованные методы исследования реализовались с применением ПЭВМ в ППП ANSYS 10.0, Компас, Photoshop, Corel Draw, Statistica, Delphi 7.0, MS Excel и оригинальное программное обеспечение.
Научная новизна работы:
- Впервые разработана объемная конечно-элементная модель элементарного волокна с учетом его реального строения и вероятностных геометрических и физико-механических характеристик.
- Впервые разработана объемная конечно-элементная модель дробления двух элементарных волокон при деформациях «раздира» и «сдвига».
- Определено значение модуля упругости 1 рода клеящего комплекса с учетом его неоднородности и дефектов строения.
- Разработана методика исследования определения координат центров тяжести сечений элементарных волокон сечений в поперечных срезах льняного комплекса.
- Льняной комплекс, при построении его 3D модели и модели разрушения, рассматривался как композит с определенным строением, отвечающий полученным экспериментальным данным.
- Впервые разработана объемная, вероятностная конечно-элементная модель дробления комплекса льняных волокон.
- На основе конечно-элементного анализа комплекса льняных волокон предложены интегрированные критерии процесса его дробления.
Практическая ценность и реализация результатов работы. Использование математической модели комплекса на уровне элементарного волокна позволяет предоставить исследователю, занимающемуся проблемами прочности наиболее детальную информацию на сегодняшний день для проектирования узлов и механизмов, участвующих в технологическом процессе обработки льняного сырья и выбрать их оптимальные конструктивные параметры. Использование данной модели позволяет исследовать характер разрушения льняного комплекса в зависимости от большого количества факторов и изучить влияние каждого фактора в отдельности на изучаемый процесс, что невозможно в натурном эксперименте в силу одновременного изменения всех факторов, и возможно при математическом моделировании. Результаты работы внедрены на ООО «Агролен-Инвест» (Костромская область, пос. Островское) основной задачей которого является повышение конкурентоспособности выпускаемой продукции, выпуск наиболее тонкой, высококачественной пряжи и развитие направления селекции для получения исходного сырья с заранее благоприятными для последующей обработки свойствами.
Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на
на технических советах льнокомбинатов: ОАО Льнокомбинат им. И.Д. Зворыкина (г. Кострома), ОАО «БКЛМ» (г. Кострома), ООО «Агролен-Инвест» (Костромская область, пос. Островское);
на международной научно-технической конференции «Современные наукоемкие инновационные технологии развития промышленности региона ЛЕН – 2006» (Кострома 2006);
на общероссийском научном семинаре «Технология текстильных материалов АИН РФ им. А.М. Прохорова» (Кострома 2008)
на заседаниях кафедры №12 «Специальные конструкционные материалы и противокоррозионная защита» ВА РХБЗ им. Маршала Советского союза С.К. Тимошенко (Кострома 2006);
на расширенном заседании кафедры МТВМ КГТУ (Кострома 2008);
Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 8 печатных работ, из которых 5 статей входят в «Перечень…..» ВАК и 3 материала научно-технических конференций.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и общих выводов. Работа содержит 183 страницы, из них 10 таблиц, 52 рисунков.
2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, изложены цели и задачи исследования, отмечены научная новизна и практическая значимость.
В первой главе рассмотрены основные вопросы, касающиеся структуры объекта исследования, его механических характеристик и процесса дробления на всех технологических перехода.
Структура и строение льна очень подробно разобрано многими авторами, такими как: Ордина Н.А., Бояркин А.Н., Эсау К., Михайлова А.М., Лазарева С.Е., Ковалев В.Б., однако практически нет никаких данных о физико-механических характеристик элементов, составляющих льняной комплекс (значения модули упругости первого рода, разрушающего напряжения, коэффициента Пуассона). Литературный обзор математических моделей показал их широкое применение к анализу нитей и тканей. На сегодняшний день при достаточно удовлетворительном словесном описании строения исходного сырья до этапа получения нити, математические модели практически отсутствуют. Это, очевидно, связанно со сложным строением льняного комплекса, вероятностно-статистическим подходами к решению задач прочности и др.
Лен по своей структуре представляет из себя сложную полимерную композицию, которую можно сравнить со структурой композиционного материала. Элементарные волокна, имеющие ориентированное строение — армирующий элемент, а аморфная, лигнино-углеводная композиция — полимерная матрица. В связи с этим, необходимо подходить к изучению процесса дробления льня с точки зрения разрушения композитов, наполненных дискретными волокнами.
Проведенный анализ теории и механики разрушения волокнистых композитов и полимеров, с учетом применения их к разрушению льняного комплекса показал, что:
- расчет композитов, армированных дискретными волокнами является довольно сложной задачей;
- продольная жесткость композита складывается из суммы жесткостей матрицы и волокна;
- необходимо применять вероятностный подход к разрушению композита, вследствии наличия различных структурных дефектов в матрице и волокнах;
- существующие аналитические модели разрушения композита не позволяют описать в полной мере характер и процесс его разрушения;
- при расчете сложных геометрических систем целесообразно применять численные методы решения, а конкретно, метод конечных элементов;
Выявлена необходимость в создании математической конечно-элементной модели комплекса льняных волокон и модели ее дальнейшего дробления, с учетом реального строения и придания вероятностных физико-механических свойств элементам. При расчете на разрушение учитывать нелинейность поведения системы. Для практической реализации был выбран программный продукт ANSYS.
Во второй главе описывается методика построения геометрической конечно-элементной модели элементарного льняного волокна, с учетом реального строения. Детальное изучение внутренней структуры льняного волокна привело к отказу от представления его в виде одного стержневого элемента и к построению его трехмерной твердотельной модели с учетом внутренней полости (рисунок 1 и 2).
Степень детализации была выбрана в первом приближении на уровне внутренних слоев природного элементарного волокна. Для уточненного построения трехмерной модели волокна с анизотропными свойствами был выбран тип конечного элемента — прочностной твердотельный элемент (SOLID45 3-D Structural Solid). Данный тип конечного элемента применяется для построения сложных твердотельных геометрических моделей имеющих шесть степеней свободы относительно осей X, Y и Z.
В связи со сложностью моделируемого объекта был выбран способ моделирования «снизу», т.е. вначале строились узловые точки в пространстве, которые затем последовательно соединяются, образуя конечные элементы. Для этого было разработано оригинальное программное обеспечение, позволяющее в интерактивном режиме задавать необходимые параметры волокна (длина, диаметр волокна). Реальное строение в данном случае учтено следующим образом: волокно состоит из 5 слоев, в поперечном сечении имеет шестигранную форму, внутри волокна находится глухой воздушный канал. В продольном направлении модель волокна имеет веретенообразную форму. Вероятносные характеристики закладываются на стадии создания конечных элементов, при этом каждый конечный элемент имеет индивидуальные характеристики: модуль упругости, коэффициент Пуассона.
Рис. 1 – Конечно-элементное представление элементарного волокна вдоль оси
Рис. 2 – Конечно-элементное представление элементарного волокна в поперечном сечении
Проверка адекватности построенной математической модели основывалась на определении теоретической разрывной нагрузки и экспериментальных данных (рисунок 3). При математическом исследовании процесса разрушения элементарного волокна использовалась модель слабого звена, в частности модель Пирса.
Рис. 3 – Зависимость разрывной нагрузки элементарного волокна от места крепления и приложенной нагрузки.
В третьей главе разработана модель дробления двух элементарных волокон поскольку основным видом разрушения в реальном технологическом процессе является отрыв одних волокон от других или их сдвиг. Модель двух волокон построена на основе принципов построения одного элементарного волокна. Соединение двух волокон происходит посредством твердотельных конечных элементов, тех же, что и основное волокно. Данные конечные элементы имитируют клеящий комплекс, отличие лишь в физико-механических свойствах, заложенных в них. При этом также применялся вероятностный подход к заданию основных свойств. Для построения данной модели было разработано оригинальное программное обеспечение, головная форма программы которой представлена на рисунке 4.
Предложена математическая модель испытывающая два вида разрушения: сдвигу волокна и отрыву их друг от друга. Задачей исследования в данной главе являлось создание адекватной модели разрушения части комплекса в виде двух волокон. Результатом вычислительного эксперимента являлось нахождение разрушающей нагрузки, которая впоследстии сравнивалась с экспериментальными данными при соответствующих видах нагружения. На рисунке 5 представлены экспериментальные измерения силы разрыва двух элементарных волокон при «сдвиге», на рисунке 6 — при «раздире». Сравнение математических и экспериментальных данных показало адекватность предложенных моделей.
Методом вычислительного эксперимента был найден модуль упругости первого рода клеящего комплекса, который составляет 105 – 106, что отличается от известного в литературе модуля упругости первого рода лигнина составляющего величину 109.
Рис. 5 – Экспериментальные измерения силы разрыва двух элементарных волокон при «сдвиге»
Рис. 6 - Экспериментальные измерения силы разрыва двух элементарных волокон при «раздире»
В четвертой главе создана модель комплекса льняных волокон, которая представляет совокупность элементарных волокон, соединенных между собой клеящим комплексом. В качестве конечного элемента был выбран твердотельный конечный элемент Solid 45.
Для адекватного построения поперечного сечения комплекса и учета реального строения была разработана методика определения закона распределения волокон в поперечном сечении комплекса льняных волокон в двух перпендикулярных направлениях. Результаты исследований, проведенные на основе анализа снимков поперечных сечений льна, показали, что расположение элементарных волокон в сечении льняного комплекса близкое к нормальному закону распределения.
Построение математической модели велось аналогично вышеизложенным моделям — методом «снизу», для этого также было создано оригинальное программное обеспечение, позволяющее в интерактивном режиме быстро создавать модель, меняя основные параметры модели (рисунок 7). В виду большого числа конечных элементов, что ведет к довольно сложным и долгим машинным расчетам, на данном этапе моделирования были сделаны рад допущений: элементарные волокна имеют в сечении два конечным элемента, нет воздушного канала. При этом сохранена веретенообразная форма волокон, также применяется вероятностное распределение физико-механических свойств, задаваемых каждому конечному элементу. К числу допущений также относятся постоянство поперечного сечения всего комплекса (т.е. количества элементарных волокон в сечении и их взаимного расположения, а не площади).
Рис. 7 – Интерфейс программы создания модели комплекса
Для анализа полученных данных были предложены интегрированные критерии, позволяющие количественно оценить характер разрушения.
Проведенные расчетные эксперименты показали возможность исследования характера разрушения комплекса льняных волокон в зависимости от различных сочетаний вводимых параметров при построении математической модели. Позволяет найти соотношения при которых будет происходить разрушения волокна поперек в одном сечении сразу всех элементарных волокон, или разрушение вследствие разделения элементарных волокон друг от друга по срединным пластинкам, либо совместные механизмы их разрушения. Интегрированные критерии находились следующим образом:
(1)
(2)
(3)
Nв– Количество разрушенных элементов элементарных волокон;
Nв0 – Общее количество элементов элементарных волокон;
Nc – Количество разрушенных элементов клеящего комплекса;
Nc0– Общее количество элементов клеящего комплекса;
Jв – Показатель, характеризующий степень разрушения элементарных волокон;
Jc – Показатель, характеризующий степень разрушения клеящего комплекса;
K – Интегрированный показатель, характеризующий степень дробления льняного комплекса;
Данная модель позволяет прогнозировать дробление комплекса льняных волокон в зависимости от факторов его строения и физико-механических и геометрических свойств, составляющих его компонентов. Кроме того, возможно применение данного подхода для моделирования аналогичных структур других, не льняных материалов. Применение данной модели является неотъемлемой частью при решении проблем оптимизации механического и химического воздействия на льняное волокно для интенсификации последующего дробления.
Рис. 8 – График зависимости разрушенных элементов от месторасположения их вдоль волокна, суммарное количество элементов в 1мм волокна на всех итерациях
Рис. 9 – График зависимости разрушенных элементов от месторасположения их вдоль волокна, количество элементов в 1мм волокна на каждой итерации
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
- Дробление льняного комплекса на элементарные волокна является сложным процессом, на который влияют большое количество разнообразных факторов. Процессы дробления льняного волокна в технологической цепочке его переработки в значительной мере определяют качество будущей пряжи и нити. Имеется большое количество математических моделей нитей, но практически отсутствуют модели дробления комплексов льняного волокна вплоть до элементарных волокон на стадиях обработки предшествующих получению нити.
- В связи со сложным строением комплекса льняных волокон с большим разбросом физико-механических и геометрических свойств для максимального приближения к его реальной структуре предложено при математическом моделировании комплекса льняных волокон представлять его в виде сложного объемного композита с заданной вероятностной структурой.
- К дроблению льняных волокон следует подходить с точки зрения механизма разрушения композитов, и, в частности, с учетом теорий разрушения полимеров. Для исследования разрушения математической модели комплекса льняных волокон была выбрана теория «пучка». Для решения задач предельного анализа выбран метод последовательных приращений.
- Разработано программное обеспечение, позволяющее создавать вероятностную геометрическую модель элементарного льняного волокна с учетом его реального строения. Построена математическая модель прочности элементарного льняного волокна, позволяющая прогнозировать данную величину в зависимости от его строения и физико-механических свойств. Сравнение теоретических и экспериментальных данных позволяет говорить об адекватности разработанной модели.
- Разработано программное обеспечение, создающее модель разрушения двух элементарных волокон с учетом вероятностных свойств элементарных волокон и клеящего комплекса. Исследованы процессы разрушения двух элементарных волокон методом «сдвига» и «раздира». Проверена адекватность модели на основе сравнения экспериментальных и теоретических данных.
- Разработана компьютерная методика определения закона распределения центров элементарных льняных волокон в комплексах на различных стадиях технологического процесса, позволяющая определить законы распределения элементарных волокон в поперечном сечении комплекса. Установлено, что в подавляющем большинстве, закон распределения центров элементарных льняных волокон в комплексах является нормальным. Данный вывод позволит сделать еще один шаг для уменьшения неопределенности в постановке задачи о построении геометрической модели комплекса льняных волокон с учетом большого рассеяния его геометрических свойств.
- Разработано программное обеспечение, создающее математическую модель комплекса льняных волокон, отражающую реальное строение структуры природного комплекса и учитывающую вероятностные характеристики исследуемого объекта.
- Разработанная модель комплекса льняных волокон позволяет прогнозировать его разрушение в зависимости от факторов его строения и физико-механических и геометрических свойств, составляющих его компонентов. Кроме того, возможно применение данного подхода для моделирования аналогичных структур других не льняных материалов, имеющих сложное строение.
- Разработаны интегрированные характеристики процесса дробления льняного комплекса, позволяющие проследить этот процесс в любой его точке при заданных параметрах нагружения.
По теме диссертации опубликованы следующие работы:
Статьи в журналах, включенных в «Перечень….» ВАК
- Смирнов А.А. Моделирование формы и прочности элементарного льняного волокна / М.В. Киселев, Р.П. Войцеховский, Д.В. Голубков, А.А. Смирнов // Известия ВУЗов. Технология текстильной промышленности, Иваново: Изд-во ИвГТА. – 2006. – № 2(289).
- Смирнов А.А. Исследование характеристик строения навески льняного технического волокна /Р.В Корабельников, М.В. Киселев, Р.П. Войцеховский, Д.В. Голубков, А.А. Смирнов //Известия ВУЗов. Технология текстильной промышленности, Иваново: Изд-во ИвГТА. – 2006. – № 3 (290).
- Смирнов А.А. Методика определения некоторых геометрических характеристик комплексов льняных волокон / М.В. Киселев, Р.П. Войцеховский, А.А. Смирнов // Известия ВУЗов. Технология текстильной промышленности, Иваново: Изд-во ИвГТА. – 2006. – № 4C (291).
- Смирнов А.А. Построение модели прочности элементарного льняного волокна /М.В. Киселев, Р.П. Войцеховский, А.А. Смирнов // Известия ВУЗов. Технология текстильной промышленности, Иваново: Изд-во ИвГТА. – 2006. – № 6 (294).
- Смирнов А.А. Математическое моделирование разрушения комплекса льняных волокон / М.В. Киселев, А.А. Смирнов // Известия ВУЗов. Технология текстильной промышленности, Иваново: Изд-во ИвГТА. – 2007. – № 1С(300).
Материалы конференций
- Смирнов А.А. Методика определения некоторых геометрических характеристик комплексов льняных волокон / М.В. Киселев, Р.П. Войцеховский, А.А. Смирнов // Современные наукоемкие инновационные технологии развития промышленности региона (ЛЕН–2006): тезисы докладов / Международная научно-техническая конференция. – Кострома: Изд-во Костромского государственного технологического университета, 2006.– С.102-103.
- Смирнов А.А. Прогнозирование прочности элементарного льняного волокна при растяжении / М.В. Киселев, Р.П. Войцеховский, А.А. Смирнов // Современные наукоемкие инновационные технологии развития промышленности региона (ЛЕН–2006): тезисы докладов / Международная научно-техническая конференция. – Кострома: Изд-во Костромского государственного технологического университета, 2006.– С.267.
- Смирнов А.А. Определение зависимости прочности элементарного льняного волокна от факторов его геометрического строения и физико-механических свойств / М.В. Киселев, Р.П. Войцеховский, А.А. Смирнов // Современные наукоемкие инновационные технологии развития промышленности региона (ЛЕН–2006): тезисы докладов / Международная научно-техническая конференция. – Кострома: Изд-во Костромского государственного технологического университета, 2006.– С.267–268.
