Разработка методики комплексного проектирования объемных композиционных материалов для швейных изделий
На правах рукописи
БЕКМУРЗАЕВ ТАМЕРЛАН ЛЕМАЕВИЧ
Разработка методики комплексного проектирования объемных композиционных материалов для швейных изделий
Специальность 05.19.04 «Технология швейных изделий»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
ШАХТЫ 2009
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Южно-Российский государственный университет экономики и сервиса" (ГОУ ВПО «ЮРГУЭС»)
Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент
Денисова Татьяна Владимировна
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Черепенько Анатолий Павлович
кандидат технических наук
Суконцева Наталья Юрьевна
Ведущая организация: Кафедра ТКШИ
ГОУ ВПО СОГУ им. К.Л. Хетагурова,
г.Владикавказ
Защита состоится «___» ноября 2009 года в _____ часов на заседании диссертационного совета Д 212.313.01 при Южно-Российском государственном университете экономики и сервиса по адресу:
346500, г. Шахты, Ростовская область, ул. Шевченко, д. 147, ауд. 2247.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке «Южно-Российского государственного университета экономики и сервиса».
Текст автореферата размещен на сайте ГОУ ВПО ЮРГУЭС: http//www.sssu.ru.
Автореферат разослан «___» __________ 2009 года.
Ученый секретарь
диссертационного совета Куренова С.В.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы. Кризисные явления в мировой экономике и экономике Российской Федерации концентрируют внимание производителей товаров легкой промышленности на решении проблем уровня конкурентоспособности продукции, эффективности производства, снижения материальных затрат. Актуальность проектирования и производства теплозащитной одежды с объемными утеплителями значительно возросла по сравнению с докризисным периодом, так как такая одежда отличается высокой материалоемкостью.
Применение объемных композиционных материалов вызывает необходимость разработки специальных научно-обоснованных методов проектирования, гарантирующих высокий уровень качества готовой продукции, рациональное использование сырья, снижение энергетических и трудовых затрат. Объединение различных способов фиксации объемных утеплителей и многокомпонентных материалов, полученных с использованием объемных утеплителей, в отдельную группу объемных композиционных материалов (ОКМ) позволяет разработать единые подходы к проектированию теплозащитной одежды. В этом случае появляется возможность прогнозирования поведения ОКМ на различных топографических участках тела человека, обоснованного выбора припусков и прибавок, оптимизации конструкций ОКМ в зависимости от величины и характера нагрузок.
Базой для проектирования одежды с объемными композиционными материалами являются работы отечественных и зарубежных ученых П.А. Колесникова, Р.Ф. Афанасьевой, Р.А. Делль, А. Бартона, О. Эдхолма. Проблемам создания перо-пуховой одежды посвящены исследования Л.А. Бекмурзаева, И.Ю. Бринка, Т.В. Денисовой, Т.Е. Пасековой, О.А. Алейниковой, Е.В. Назаренко и др.
До настоящего времени не разработаны четкие критерии оценки взаимосвязи геометрии пакетов утепляющих материалов с их конструкционным решением, внешними нагрузками и уровнем термического сопротивления. Существующие рекомендации по корректировке лекал швейных изделий не учитывают особенности поведения утеплителей, эти рекомендации не связаны с топографией распределения утепляющего слоя, жесткостью материалов оболочки.
Перечисленные проблемы определили направление и характер исследований, представленных в настоящей работе.
Цель диссертационного исследования заключается в разработке единого подхода к конструкционному решению объемных композиционных материалов для швейных изделий на основе комплексных аналитических и экспериментальных исследований свойств исходных материалов и готовых объемных композитов.
В качестве объектов исследований рассматриваются двух- и трехслойные объемные композиционные материалы, двухслойные ОКМ с переборками, швейные изделия на базе этих ОКМ.
Для достижения поставленной цели решены следующие основные научные, технологические и техниео-экономические задачи:
- исследование и моделирование свойств исходных материалов при различных нагрузках;
- установление влияния конструкционного решения объемных композиционных материалов на степень соответствия их свойств основным эксплуатационным требованиям при минимизации показателя материалоемкости;
- обоснование характера изменения геометрии отсеков симметричных и асимметричных ОКМ в процессе деформирования под действием внешних нагрузок;
- разработка математической модели взаимосвязи деформации материалов оболочки и утеплителя;
- разработка требований к конструкционному решению деталей одежды на базе объемных композиционных материалов с учетом топографии давлений и теплообмена с окружающей средой;
- разработка обобщенной методики корректировки лекал в соответствии с изменяющейся геометрией отсеков теплозащитной одежды.
Основные методы и средства исследований. В работе использована методология системного подхода к проектированию ОКМ и швейных изделий на базе объемных материалов, методы структурного анализа, компьютерные методы моделирования объектов.
При исследовании геометрии отсеков ОКМ использованы контактные и бесконтактные методы измерений и фиксации результатов. Для исследований физико-механических свойств материалов использованы стандартные методики, в том числе для определения объемности утеплителей ("FILL POWER" – "F.P" - наполняемость) использована европейская методика.
Исследования осуществлялись с привлечением аналитических, экспериментальных методов, методов планирования и обработки результатов экспериментальных исследований, методов математической статистики. В работе использовались программы Microsoft Word, Microsoft Excel, Maple для операционной системы Windows 2000, Windows ХР.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- теоретическом обосновании изменения геометрии отсеков объемных композиционных материалов в процессе деформирования под действием внешних нагрузок;
- разработке математической модели конструкционного решения объемных композиционных материалов;
- разработке математической модели процесса деформирования объемных композиционных материалов с вертикальным простегиванием на опорной поверхности;
- теоретическом обосновании конструкционного решения отсеков объемных композиционных материалов переменной асимметрии.
Практическая значимость работы заключается:
- в разработке обобщенного метода корректировки лекал в соответствии с геометрией отсеков теплозащитных пакетов;
- в разработке методики расчета расстояния между строчками простегивания или линиями сварки слоев оболочки ОКМ на этапе эскизного проектирования;
- в разработке методики и экспериментального стенда исследования объемных композиционных материалов при динамических нагрузках;
- в разработке новых конструкций теплозащитных пакетов с вертикальным простегиванием, отличающихся переменной асимметрией вдоль строчек простегивания и жесткостью слоев материалов оболочки.
Апробация и реализация результатов исследования. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на Международной научно-практической конференции «Новые технологии легкой промышленности» в г. Ташкент (2007 г.); на конкурсе работ, заявленных по программе "У.М.Н.И.К." (Шахты 2007 г.); на Всесоюзной выставке-ярмарке научно-исследовательских работ и инновационной деятельности (ИННОВ-2007, Новочеркасск, ЮРГТУ (НПИ); на семинаре-совещании заведующих кафедрами "Материаловедение" (г. Москва 2008 г.); межвузовских и внутривузовских научно-практических конференциях: Ростов-на-Дону (РИС ЮРГУЭС, 2008 г.), Шахты (ЮРГУЭС, 2005 - 2009 гг.).
Разработанные методики расчета конструкционного решения теплозащитных пакетов на опорных участках и корректировки лекал прошли производственную проверку на предприятиях «Меб-Текс» г. Шахты, ООО "Фабекс-Джинс" г. Владикавказ. Результаты и материалы исследования использованы в учебном процессе ГОУ ВПО ЮРГУЭС при выполнении курсовых работ исследовательского характера на стыке фундаментальных дисциплин, при выполнении НИРС и дипломных работ студентов специальности «Технология швейных изделий».
Публикации автора. Основные положения работы опубликованы в 10 статьях, в том числе 2 статьи опубликованы в научных изданиях, рекомендованных экспертным советом ВАК, получено решение на выдачу патента на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, списка литературы, заключения и приложений. работа изложена на 155 стр.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, определена ее цель, сформулированы основные задачи, указаны методологическая и теоретическая база исследования, научная новизна и практическая значимость работы, ее структура и объем.
В первой главе выполнен обзор научной и специальной литературы по вопросам проектирования теплозащитной одежды, детально проанализированы методы получения и свойства классических композиционных материалов. Отдельно рассмотрены материалы легкой промышленности, которые по конструкционному решению и совокупности свойств могут быть отнесены к композиционным материалам.
Для обобщения основных подходов к решению задач оптимизации свойств различных материалов, для их описания и определения требований к их качеству необходимо выполнить классификацию. Различные классификации материалов легкой и текстильной промышленности не могут быть использованы для определения требований к материалам, представляющим собой некоторые композиции разнородных тканей, нетканых материалов или объемных элементов (волокон, пушин и т.п.), соединенных между собой различными способами. Объединение таких материалов в отдельные классы, группы и подгруппы позволит систематизировать способы создания новых материалов, обобщить направления оптимизации свойств последних.
Наиболее близкими структурами материалов, состоящих из нескольких компонентов, являются композиционные материалы. Как следует из определения, композиционные материалы (композиты) – многокомпонентные материалы, состоящие из полимерной, металлической, углеродной, керамической или другой основы (матрицы), армированной наполнителями из волокон, нитевидных кристаллов или тонкодисперсных частиц. Путем целенаправленного подбора матрицы и наполнителя получают материалы с требуемым сочетанием эксплуатационных и технологических свойств.
Анализ литературных источников показал, что из материалов легкой промышленности к слоистым композитам относят искусственные кожи (artificial leather), применяемые для изготовления обуви, одежды, головных уборов, галантерейных изделий и изделий технического назначения. По строению и структуре они могут быть пористыми, монолитными и пористо-монолитными, одно- и многослойными, безосновными и на волокнистой основе, армированными и т.п.
По упрощенному определению "композиционные материалы – это пучки специальных нитей, сплетенных между собой и пропитанных специальным наполнителем". Всего в год в России выпускается 42 тонны специальных «ниток» для композитов и почти треть из них используется для производства сверхлегких армированных композитов.
Текстильные материалы обладают иерархией структуры. Сложность и иерархичность структуры (уровни масштаба: 10(-5) м – волокна, 10(-3) м – нити, 10(-1) м – ткань, 100 м – деталь из композита) ведут к сложности моделей материала, обилию упрощающих предположений, высокой погрешности расчетов, накапливающейся при продвижении от одного уровня иерархии к следующему. В связи с изложенным основные показатели физико-механических свойств материалов текстильной промышленности носят в своем определении слово "условный". Например – условный модуль упругости, условная жесткость.
Для определения понятия "объемный материал" выполнен анализ плотности материалов, используемых при производстве одежды и обуви. В первую очередь, к объемным материалам можно отнести основную часть материалов, используемых при производстве теплозащитной одежды. Так, конструкция пакета зимней одежды, рекомендованная ЦНИИШПом, строится по следующей схеме: основной (покровный) материал, ветрозащитная прокладка, утепляющая прокладка (утеплитель) и подкладка. Каждый слой этого пакета выполняет конкретные функции.
Все материалы пакета должны быть легкими, так как увеличение веса любого слоя ведет к увеличению общего веса одежды. Основным слоем, обеспечивающим теплозащитные свойства одежды, является утеплитель. Материалы этого слоя должны быть пористыми, иметь малые значения коэффициента теплопроводности. Они должны сохранять заданную толщину в период эксплуатации одежды и обуви.
Утепляющий слой представляет собой скрепленные определенным образом волокна хлопка, шерсти, пера и пуха водоплавающих птиц. В качестве утеплителя используются мех, клееные объемные полотна и поролон.
Анализ плотности материалов, рекомендуемых для теплозащитной одежды, показал, что средняя объемная плотность иглопробивного полушерстяного ватина равна 60 кг/м3, клееных объемных полотен – 18 кг/м3, насыпная плотность перо-пуховой массы водоплавающих птиц составляет 4–5 кг/м3. При использовании в пуховой одежде эта плотность возрастает за счет сжатия в пакетах до 8–10 кг/м3. Значительное влияние на изменение плотности перо-пуховой массы оказывает жесткость материалов оболочки.
Использование материалов с высокой плотностью приводит к повышению веса теплозащитной одежды, что способствует утомляемости человека, такую одежду сложно одевать и снимать.
В работе предлагается использовать для производства теплозащитной одежды утеплители плотностью до 25 кг/м3, которые определяются как "объемные материалы". Наименьшая плотность наблюдается у утеплителей на базе перо-пуховой композиции. Этот утеплитель является ярким представителем объемных материалов.
Для равномерного распределения перо-пуховой массы по поверхности детали используются различные конструкционные решения теплозащитных пакетов. Эти конструкционные решения можно отнести к специальному классу "объемных композиционных материалов" (ОКМ) по следующим формальным показателям композитов:
- теплозащитный пакет состоит более чем из одного компонента (в простейшем примере – это два слоя материала оболочки и перо-пуховая масса, расположенная между ними);
- объемному пакету присущи новые свойства, отличные от исходных материалов (деформационные и эксплуатационные характеристики, особенности поведения в готовых изделиях).
Особенностями ОКМ являются: разрозненность структурных элементов "наполнителя" (пушин и перьев); придание материалам оболочки функций матрицы.
На основании анализа конструкционного решения теплозащитных пакетов одежды с объемными несвязными утеплителями установлено, что до настоящего времени нет четкой классификации пакетов этого типа. Основным принципом, заложенным в существующие предложения по классификации, является количество слоев материалов оболочки, непосредственно контактирующих с объемным утеплителем.
Этот принцип в целом оправдан, но не учитывает объемно напряженного состояния системы "материал оболочки – объемный несвязный утеплитель". В частности, если материал оболочки будет состоять из одного или двух слоев, то такие пакеты относятся к двухслойным. Напротив, к четырехслойным пакетам относятся теплозащитные пакеты, составленные из двух двухслойных пакетов. Естественно, утеплитель в четырехслойном пакете находится в тех же условиях, что и в двухслойных пакетах. При учете в классификации количества слоев материала оболочки, принимающих участие в деформировании объема утеплителя, заключенного между этими слоями, возможно обоснование обобщенной теории расчета различных конструкционных решений ОКМ.
При проектировании теплозащитной одежды с использованием ОКМ до настоящего времени не уделяется необходимого внимания конструкционному решению пакетов и топографии их расположения на участках тела человека. Так, конструкции ОКМ могут быть выполнены с горизонтальным, вертикальным, наклонным или фигурным простегиванием. Направление строчек простегивания определяет необходимое расстояние между ними. При вертикальном простегивании расстояние должно быть уменьшено для предотвращения смещения утеплителя в низ отсека. Часть отсека, расположенная на опорной поверхности, подвержена действию нагрузок от веса одежды, которые периодически изменяются в процессе движения человека.
Существующие в настоящее время методы и методики проектирования одежды не позволяют в полной мере учитывать особенности объемных композиционных материалов. В диссертации приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований взаимосвязи конструкционного решения ОКМ, топографии размещения деталей на поверхности тела человека, изменения геометрии и плотности объемного утеплителя, обоснованы предложения по снижению расхода объемного утеплителя на единицу изделия.
Вторая глава посвящена теоретическому обоснованию основных принципов конструкционного решения ОКМ с вертикальным простегиванием. В главе рассмотрены основные параметры характеризующие геометрию отсека, опорной поверхности и внешнюю нагрузку.
Для обоснования конструкционного решения отсеков выполнен анализ различных вариантов решения подобной проблемы в других областях науки и техники. В частности, рассмотрены принципы расчета арочных перекрытий в строительстве, расчеты корпусов и тонкостенных оболочек в ракетостроении.
В рамках анализа природных аналогов защиты организма человека от низких температур рассмотрены процессы терморегуляции организма животных и птиц. Терморегуляция – это совокупность физиологических реакций организма, обеспечивающих постоянство температуры тела. Принято считать, что терморегуляция свойственна лишь гомойотермным животным (млекопитающие и птицы), организм которых обладает способностью поддерживать температуру внутренних областей тела на относительно постоянном уровне (около 37–38 °С у млекопитающих и 40–42 °С у птиц) независимо от изменений температуры окружающей среды. У человека температура ядра тела (т.е. мозга, крови, внутренних органов) поддерживается на уровне порядка 37 °С. Терморегуляцию тела обычно разделяют на физическую и химическую.
Физическая терморегуляция обеспечивает сохранение постоянства температуры тела за счет изменения отдачи тепла организмом путем проведения через кожу (кондукция и конвекция), лучеиспускания (радиация) и испарения воды. Отдача постоянно образующегося в организме тепла регулируется изменением теплопроводности кожи, подкожного жирового слоя. эпидермиса и волосяного покрова (мех). Теплоотдача в значительной мере регулируется динамикой кровообращения в теплопроводящих и теплоизолирующих тканях. С повышением температуры окружающей среды в теплоотдаче начинает доминировать испарение.
Химическая терморегуляция реализуется через обмен веществ и через теплопродукцию таких тканей, как мышцы, печень, бурый жир. Включение химической терморегуляции происходит, когда физическая терморегуляция оказывается недостаточной для поддержания постоянства температуры тела.
Механизм теплоизолирующего действия перьевого и волосяного покровов (физическая терморегуляция) заключается в том, что определенным образом расположенные, различные по структуре группы волос или перьев удерживают вокруг тела слой воздуха, который и выполняет роль теплоизолятора. Адаптивные изменения теплоизолирующей функции покровов сводятся в основном к перестройке их структуры.
Рассмотренные особенности характеризуют устойчивые свойства теплоизолирующих покровов, определяющие общий уровень тепловых потерь, и, по существу, не представляют собой активных терморегуляционных реакций. Возможность лабильной регуляции теплоотдачи определяется подвижностью перьев и волос, в силу чего на фоне неизменной структуры покрова возможны быстрые изменения толщины теплоизолирующей воздушной прослойки и интенсивности теплоотдачи.
Важным элементом физической терморегуляции птиц является оперение, которое покрывает почти всю поверхность их кожи. Толщина оперения зависит от температуры воздуха. В случае температурного комфорта оперение птиц плотно прилегает к телу, что снижает толщину теплозащитного слоя из пера и пуха. Такую форму физической терморегуляции обозначают как пиломоторную реакцию. Эта форма регуляции теплоотдачи действует главным образом при низкой температуре среды и обеспечивает не менее быстрый и эффективный ответ на нарушения теплового баланса, чем химическая терморегуляция, требуя при этом меньших затрат энергии.
Анализ структуры оперения и его поведения при изменении температуры позволил установить механизм физической терморегуляции. Так, в терморегуляции птиц основную роль играют покровные, мягкие перья и пух. Анализ литературных источников и исследования структурного состава перо-пуховой массы водоплавающих птиц позволили выявить взаимосвязь между процентным составом смеси по массе и объему. Например, процентное соотношение покровного, мягкого пера и пуха по массе в оперении гусей составляет 75/25. Оперение гусей, непосредственно участвующее в физической терморегуляции, на 60 % по объему состоит из перьев, только 40 объемных процентов составляет пух.
Как показали результаты анализа и расчетов, объем пуха при равных массах с пером значительно больше. Разветвленная структура пуха способствует своеобразному армированию воздушных объемов, что снижает степень конвективной передачи тепла за счет перемещения воздуха.
На практике при комплектовании перо-пуховых смесей для производства одежды считается, что максимальное содержание мягкого пера в смеси по массе не должно превышать 30 %. Рекомендуются смеси 10/90 20/80 (в числителе показан процент пера в смеси). Такая существенная разница в процентном соотношении пера и пуха в живой природе и в производстве швейных изделий показывает несовершенство методики составления композиций утепляющих материалов и конструкций теплозащитных пакетов.
Перья и пух на поверхности тела птиц расположены таким образом, что на основной площади поверхности оперение представляет своеобразный "черепичный слой" из перьев, закрывающий равномерный слой из пуха. Пушины при этом находятся в сжатом состоянии, что уменьшает толщину пухового слоя, как показано на рисунке 1а. Участок ОА очина пера располагается в коже. Выгнутая часть опахала пера располагается под небольшим углом к поверхности тела птицы. Перья заходят друг на друга и закрывают доступ воздуха к пуховому слою.
При снижении температуры окружающей среды происходит местное утолщение кожи за счет набухания верхней части перовой сумки. При этом происходит перемещение по вертикали уровня выхода пера из кожи, граница очина пера, утопленного в кожу перемещается из уровня А на уровень А1, как показано на рисунке 1б. Пуховый слой освобождается от давления и занимает свободный объем. Изменение толщины оперения можно рассчитать по формуле Н = Lпераtg() (где 
; k = h/h). Расчеты влияния угла и величины k на толщину оперения гусей и уток показали, что толщина оперения может изменяться в пределах 0–2 см.
Современное развитие науки и техники в области швейного и текстильного производств не позволяет воспроизвести в полной мере природный механизм изменения или поддержания термического сопротивления утепляющего слоя с минимальными (достигнутыми в природных условиях) материальными и энергетическими затратами. В настоящее время нет технических возможностей управлять ориентацией в пространстве каждого структурного элемента теплозащитного слоя, как это было показано выше на примере оперения птиц. Теплозащитный слой современной одежды представляет собой объемный композиционный материал, разделенный на отсеки различными способами.
Рисунок 1 – Механизм физической терморегуляции птиц:
а) – положение перьев и пуха при комфортном состоянии птицы;
б) – расчетная схема системы "перо – кожа птицы"
Геометрия отсеков ОКМ тесно связана с плотностью их заполнения объемными несвязными утеплителями. Для уменьшения возможности перемещения структурных элементов утеплителей в нижние части готовых объемных пакетов, последние простегиваются горизонтальными или вертикальными строчками. На величину расстояния между строчками простегивания оказывают влияние следующие основные факторы:
- конструкционное решение теплозащитного пакета (количество слоев, наличие промежуточного элемента, коэффициент асимметрии отсека);
- последовательность выполнения операций – "простегивание + заполнение или заполнение + простегивание";
- физико-механические свойства материалов оболочки и объемного утеплителя (жесткость на изгиб, модуль упругости).
Практический интерес представляет качественная оценка изменения геометрии отсеков пакетов с объемными утепляющими материалами в зависимости от свойств этих материалов и коэффициента асимметрии. Асимметричные пакеты – это шаг в направлении решения вопроса снижения давления на перо-пуховую массу. Давление снижается за счет предварительной деформации изгиба одного из слоев материала оболочки и перевода усилий от этой деформации в растягивающие усилия противоположного слоя. В таблице 1 показана качественная взаимосвязь между свойствами материалов оболочки, свойствами объемного утеплителя и геометрией отсеков.
Таблица 1– Качественная взаимосвязь между свойствами объемного
утеплителя, материалов оболочки и геометрией отсеков
| Жесткость материала оболочки - B; Расчетная плотность заполнения отсека - | Симметричный отсек  | Асимметричный отсек   | |
| 1 | B < Впорог = 0 |  |  |
| 2 | B < Впорог 0 |  |  |
| 3 | B > Впорог 0 |  |  |
| 4 | B > Впорог сим = 1 > 0 асим = 1 0 |  |  |
| 5 | B < Впорог или B > Впорог = 2 > 1 |  |  |
| 6 | B < Впорог или B > Впорог =3 > 2 |  |  |
Комплексный анализ взаимосвязи жесткости материалов оболочки, плотности объемного утеплителя и геометрии отсеков позволяет на начальном этапе проектирования теплозащитной одежды выбрать предпочтительные конструкционные решения объемных композиционных материалов с учетом свойств материалов оболочки и утепляющего слоя. Для снижения давления на утеплитель в симметричных отсеках необходимо выбирать материалы малой жесткости. В асимметричных отсеках жесткость материала оболочки начинает оказывать влияние на величину давления на утеплитель только при значениях плотности свыше 0. Сжатие утеплителя в отсеке увеличивается при деформации изгиба нижнего (короткого) слоя оболочки. Превышение плотности заполнения отсека относительно насыпной плотности 0 показано в строке 5 таблицы 1.
Анализ объемно-деформированного состояния системы "материалы оболочки – объемный утеплитель" позволил найти взаимосвязь между свойствами материалов оболочки, утеплителя и геометрией отсеков. На основании анализа литературных источников установлено, что контур поперечного сечения отсека можно описать дугами окружности. В этом случае энергия изгиба материалов оболочки определяется по формуле
, (1)
где М – изгибающий момент; В – жесткость материала оболочки; z – ось, направленная вдоль изгибаемого материала; R – радиус изгиба оболочки; l – общая длина изгибаемой оболочки.
Удельная потенциальная энергия деформации сжатия единичного объема, выраженная как функция от объемного модуля упругости К и показателя объемной деформации 
, равна
. (2)
На основании аналитического исследования взаимосвязи свойств утеплителя и материалов оболочки с геометрией симметричного отсека, исходя из равенств (1) и (2) для объема Vотс = SотсL (Uизг = U0обVотс), получено выражение объемной деформации
, (3)
где – центральный угол, опирающийся на слой оболочки длиной l0/2, Sотс – площадь поперечного сечения отсека, L – длина отсека вдоль строчек простегивания.
В результате аналитического исследования объемной деформации симметричного отсека установлено, что интенсивность объемной деформации этих отсеков имеет максимальное значение при угле = /4.
Получено аналитическое выражение для расчета величины объемной деформации утеплителя асимметричного отсека при k = lv/ln, схема которого показана на рисунке 2
. (4)
Подставив в (4) площадь отсека (Sотс) и выражение угла 0 = f(k,0)
получим окончательный вид уравнения для расчета объемной деформации утеплителя об (уравнение не приводится из-за громоздкости).
 | Рисунок 2 – Расчетная схема асимметричного отсека |
На рисунке 3 показано влияние угла 0 на величину объемной деформации утеплителя в отсеке ОКМ при различных значениях k (расчеты выполнены при ln = 0,05 м, B = 0,510-6 Нм2).
Как видно из рисунка, величина объемной деформации при угле 0 = 0 для k > 1 отличается от нуля. Такая деформация объема утеплителя при 0 = 0 и k > 1 должна быть в том случае, когда изгиб материала верхнего слоя оболочки происходит за счет деформации утеплителя. Следовательно, для уменьшения давления на утеплитель необходимо проектировать объемные композиционные материалы с асимметричными отсеками, в которых изгиб одного из слоев оболочки выполняется в процессе простегивания.
Для снижения давления необходимо подбирать такие материалы, которые могут сохранять проектируемую форму за счет жесткости. Естественно, на возможность сохранения формы будут оказывать комплексное влияние жесткость и поверхностная плотность этих материалов. В работе представлены расчеты для определения взаимосвязи критической погонной нагрузки от веса материалов, жесткости этих материалов и геометрии отсеков. Установлено, что минимальная величина критической нагрузки, при которой произойдет потеря устойчивости оболочки отсека равна 
(где – центральный угол, опирающийся на дугу l0/2; l0 – расстояние между строчками простегивания). Влияние В и на qкр при l0 = 0,1 м показано на рисунке 4. Как видно из результатов расчета, величина критической силы резко возрастает при росте жесткости и центрального угла.
Материалы первой группы жесткости (В < 1000 мкНсм2) не могут образовать складки в форме арки, так как нагрузка от собственного веса превышает расчетные значения qкр.
| Рисунок 3 –Влияние угла 0 на величину объемной деформации |  |
 | Рисунок 4 - Влияние В и на критическую нагрузку qкр при l0 = 0,1 м |
Результаты натурных наблюдений и теоретический анализ геометрии отсеков на опорной поверхности определили необходимость решения вариационной задачи, суть которой сводится к определению формы контуров сечения деформированного отсека. В математической постановке – необходимо найти уравнение нерастяжимой нити длины l > h, концы которой расположены на одной из параллельных прямых, а середина нити находится на другой прямой (h – расстояние между прямыми). Фигура, ограниченная прямой, на которой расположены концы нити, и контурами нити, должна иметь наибольшую площадь.
На основании решения установлено, что средняя часть нити сливается с одной из прямых, а концы нити располагаются по дугам окружности радиуса h. Суммарная длина концевых участков равна h.
Результаты решения рассмотренной вариационной задачи легли в основу теоретической базы моделирования формы контуров сечения деформированных отсеков.
Третья глава посвящена экспериментальному исследованию основных свойств и геометрии ОКМ с вертикальным простегиванием.
Для исследования геометрии плоских отсеков ОКМ использован модернизированный трехкоординатный измерительный стенд с цифровой индикацией толщины. Создан специальный стенд-макет опорной поверхности с возможностью измерений угловых величин (рисунок 5). Разработанный стенд может использоваться с различными моделями опорных поверхностей (разные формы и радиусы). Использование такого стенда позволяет исключить этапы расчетов при переходе от прямоугольной системы координат к цилиндрической.
 | Рисунок 5 - Принципиальная схема специального измерительного стенда (модель плечевого участка): 1- платформа; 2 – вертикальные стойки, 3 – неподвижный вал; 4 – специальная втулка; 5 - винт фиксации кронштейна; 6 – кронштейн; 7 – шкала измерения поворота кронштейна; 8 – стрелка углов поворота; 9 – цилиндрическая поверхность модели плеча; 10 – направляющая и шкала смещений вдоль строчек простегивания; 11 – цифровой измерительный щуп; 12 – каретка горизонтальных смещений; 13 – шкала цифровой индикации смещений щупа |
Теоретически обоснована методика экспериментальных исследований свойств и геометрии отсеков при динамических нагрузках, изготовлен и использован при исследованиях стенд с широким диапазоном изменения амплитудно-частотных характеристик (рис. 6). Частота колебаний штока с образцом может изменяться от 1 до 60 Гц, амплитуда – в пределах 2–30 мм.
Рисунок 6 – Принципиальная схема экспериментальной установки для исследования геометрии отсеков теплозащитных пакетов при действии периодических нагрузок (1 – образец; 2 – строчки простегивания; 3 – модель опорной поверхности; 4 – распределенная нагрузка q; 5 – шток; 6 – регулировочный винт; 7, 8 – регулируемый и нерегулируемый кривошипы; 9 – шкив; 10 – вал; 11 – ведущий шкив; 12 – ремень; 13 – электродвигатель; 14 –редуктор; 15 – муфта; 16 – натяжное устройство)
На базе теоретического обоснования и серии предварительных экспериментальных исследований установлены основные факторы, оказывающие влияние на геометрию отсеков на опорной поверхности: масса груза, моделирующая вес одежды; степень асимметрии отсека и масса утеплителя в отсеке. Остальные факторы (посадка верхнего слоя отсека по линиям строчек простегивания, отношение расстояния между строчками простегивания к радиусу опорной поверхности) фиксировались на одном (двух) уровнях.
Для исследования влияния этих факторов проведена серия экспериментальных исследований с использованием методики планирования и анализа результатов. На рисунке 7 показана поверхность отклика (толщина пакета) при фиксированном значении расстояния между строчками простегивания (исследования выполнялись в статике на стенде – см. рис. 5).
В результате экспериментальных исследований взаимосвязи параметров геометрии отсека, амплитуды и частоты, характеризующих динамические колебания установлено, что степень смещения утеплителя в нижние части отсека существенно уменьшается при 400 – 500 циклах динамических воздействий. При увеличении количества циклов свыше 8000, смещение утеплителя прекращается.
Рисунок 7 – Влияние массы груза и массы утеплителя на толщину отсека
 |
| Рисунок 8 –отсек ОКМ переменной асимметрии |
Выполнены исследования геометрии ОКМ с переменной асимметрией, конструкционное решение которых предложено в настоящей работе. У отсеков ОКМ с вертикальным простегиванием переменной асимметрии предусмотрено изменение k=lv/ln от максимальной величины на опорных участках до минимальной – на участках, свободных от давления.
Такое изменение позволяет снизить теплопотери за счет уменьшения площади контакта поверхности одежды с окружающей средой. На рисунке 8 показан отсек ОКМ переменной асимметрии. Асимметрия отсеков может изменяться плавно или по какой-либо иной зависимости. Пределы изменения степени асимметрии по длине пакета определяются совместным влиянием физико-механических свойств утеплителя и оболочки.
Четвертая глава посвящена разработке аналитического метода корректировки лекал швейных изделий с объемными несвязными утеплителями.
Проектирование теплозащитной одежды с объемными материалами предлагается осуществлять в соответствии со следующими этапами:
- построение чертежа базовой конструкции по стандартным методикам конструирования с учетом технических условий на конкретный ассортимент;
- корректировка лекал разработанной конструкции с учетом деформации ОКМ на опорных участках утепляющих материалов и параметров пакета.
Деформация сечения отсека ведет к изменению основного показателя теплозащитной одежды – толщины пакета. Происходит и изменение расстояния между строчками простегивания. На основании теоретических и экспериментальных исследований, результаты которых приведены в главах 2 и 3, предложены общие принципы корректировки лекал с учетом конструкционных решений ОКМ, свойств материалов и характера внешних нагрузок (величины и распределения давления).
Универсальность предлагаемой методики заключается в учете свойств материалов и топографии давления. Впервые в предлагаемой методике определены общие принципы выбора материалов оболочки:
- на опорных участках жесткость материала верхнего слоя оболочки должна быть выше 5000 мкНсм2;
- на участках одежды свободных от давления, необходимо выбирать материалы с жесткостью до 1000 мкНсм2.
Новым в обобщенной методике является учет геометрии опорного участка – доказано, что на опорном участке плечевого пояса необходимо предусмотреть посадку слоев материалов оболочки вдоль строчек вертикального простегивания. Величина посадки зависит от толщины теплозащитного пакета и коэффициента асимметрии.
Для освобождения утеплителя на опорных участках от влияния веса одежды предусмотрен напуск со стороны верхнего слоя оболочки по низу изделия, что позволяет перенести рассматриваемые нагрузки на нижний слой, в результате чего возможна стабилизация запроектированных значений толщины.
Разработана конструкция детской куртки, на примере которой показана реализация основных результатов теоретических исследований. Детально рассмотрен опорный участок плечевого пояса.
Предложена конструкция кокетки без плечевого шва. Разработан аналитический метод расчета расстояния между строчками простегивания, позволяющий оптимизировать распределение утеплителя и повысить уровень качества изделий. При корректировке лекала кокетки использованы основные принципы трехмерного проектирования.
В работе предложены новые методы технологии обработки и сборки пакетов с объемным утеплителем, позволяющие снизить теплопотери организма человека и стабилизировать толщину одежды на опорных участках.
В заключении представлены выводы и предложения, имеющие теоретическую и практическую значимость:
1. В результате анализа существующих методов конструктивного решения объемных композиционных материалов (ОКМ) и проектирования теплозащитной одежды на их базе установлено, что основные проблемы в этой области связаны с оптимизацией компонентов объемных утеплителей, снижением давления на объемные материалы и особенностями учета толщины ОКМ в процессе проектирования. Решение этих вопросов создает основу для повышения уровня качества швейных изделий и снижения материалоемкости.
2. На основании анализа теплообмена птиц с окружающей средой аналитически обоснован механизм физической терморегуляции. Установлено процентное соотношение пера и пуха, участвующее в физической терморегуляции гусей и уток: 75/25 по массе и 60/40 по объему (в числителе указано процентное содержание пера, в знаменателе – пуха).
Установлено, что приведенные показатели резко отличаются от рекомендованных соотношений компонентов (20/80 – по массе), принятых в практике производства швейных изделий.
3. В результате аналитического и экспериментального исследований конструктивного решения отсеков ОКМ установлено основное техническое решение снижения давления на утеплитель – использование асимметричных отсеков с вертикальным простегиванием, получена математическая модель взаимосвязи устойчивости формы оболочки отсека до заполнения объемным утеплителем, свойств и размеров материалов.
4. На основании составления энергетического баланса "энергия изгиба оболочки – энергия деформации утеплителя" получена математическая модель взаимосвязи изменения плотности объемного утеплителя от свойств компонентов ОКМ и геометрии отсека.
5. Аналитическое исследование деформации ОКМ симметричного и асимметричного конструкционных решений с вертикальным простегиванием на опорных участках позволило установить, что для снижения давления на утеплитель на этих участках необходимо выполнять соединение материалов оболочки с посадкой верхнего слоя относительно нижнего. Степень посадки зависит от отношения толщины ОКМ к радиусу модели опорной поверхности.
6. В результате исследования теплопроводности деталей одежды на базе асимметричных ОКМ установлено, что для повышения термического сопротивления необходимо проектировать отсеки переменной асимметрии. На опорном участке размер верхнего слоя оболочки между строчками простегивания должен быть больше соответствующего размера нижнего слоя, на вертикальных участках соотношение размеров изменяется на противоположное. Использование ОКМ с вертикальным простегиванием переменной асимметрии повышает термическое сопротивление за счет уменьшения площади теплоотдачи с внешней поверхности одежды.
Новизна технического решения теплозащитного пакета переменной асимметрии подтверждена положительным решением на выдачу патента РФ.
7. На основании теоретических и экспериментальных исследований установлено, что для получения устойчивой формы отсеков на опорных участках необходимо использовать материалы повышенной жесткости. Снижение давления на утеплитель при этом достигается введением асимметричного конструктивного исполнения ОКМ с вертикальным простегиванием.
8. Технико-экономический анализ различных конструкционных решений ОКМ позволил установить, что оптимальными вариантами по критерию ресурсосбережения являются двухслойные отсеки с переборками.
9. На основании комплексного анализа ОКМ разработаны общие принципы к конструктивному решению теплозащитных пакетов с учетом топографии внешних нагрузок, которые прошли производственную апробацию.
Реализация конструкционных решений ОКМ с вертикальным простегиванием позволяет снизить плотность заполнения отсеков на опорных участках на 30–40 %.
Основные положения работы внедрены в учебный процесс и используются в курсах "Ресурсосберегающие технологии", "Технология швейных изделий" специальности "Технология швейных изделий".
Основное содержание диссертации опубликовано в работах:
| В изданиях, рекомендованных экспертным советом ВАК | |
| 1. | Бекмурзаев, Т.Л. Технико-экономическое обоснование выбора конструкций теплозащитных пакетов пуховой одежды [Текст] / О.А. Алейникова, Т.Л. Бекмурзаев, З.Л. Бекмурзаев // Швейная промышленность. 2006. № 4. – С. 53 – 54. |
| 2. | Бекмурзаев, Т.Л. Анализ взаимосвязи основных характеристик объемных пакетов [Текст] / Т.Л. Бекмурзаев, Т.В. Денисова, Л.А. Бекмурзаев, // Швейная промышленность. 2009. № 4. – С. 40 – 42. |
| В других изданиях | |
| 3. | Бекмурзаев, Т.Л. Аналитическое исследование влияния геометрии элемента сложной формы на процент межлекальных отходов раскладки на бесконечной плоскости [Текст] / Т.Л. Бекмурзаев, З.Л. Бекмурзаев, Н.И. Кузнецова, Д.Н. Петухова // Ресурсосберегающие технологии производства швейных изделий: Межвуз. сб. науч. трудов; ЮРГУЭС. – Шахты : Изд-во ЮРГУЭС, 2005. – С. 10 – 11. |
| 4. | Бекмурзаев, Т.Л. Аналитическое исследование путей повышения качества энергосберегающих композиционных материалов [Текст] / О.А. Алейникова, Т.Л. Бекмурзаев // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Технические науки. Приложение № 7, ноябрь 2006. – С. 50 – 55. |
| 5. | Бекмурзаев, Т.Л. Особенности обработки пуховых изделий с вертикальным простегиванием [Текст] / Е.В. Назаренко, Т.Л. Бекмурзаев, О.А. Алейникова // Современные проблемы техники и технологии сервиса: Технический прогресс в швейном произ-ве: Межвуз. сб. научн. тр.; ЮРГУЭС. Шахты : Изд-во ЮРГУЭС, 2006. – С. 18 – 19. |
| 6. | Бекмурзаев, Т.Л. Совершенствование проектирования и повышение эффективности производства теплозащитной пуховой одежды [Текст] / Т.Л. Бекмурзаев, З.Л. Бекмурзаев // Актуальные проблемы техники и технологии: Межвуз. сб. научн. тр.; ЮРГУЭ. Шахты : Изд-во ЮРГУЭС – 2007. – С. 47 – 48 |
| 7. | Бекмурзаев, Т.Л. Влияние вида утеплителя на свойства теплозащитных пакетов [Текст] / Т.Л. Бекмурзаев, Е.В. Назаренко // Перспективы развития инновационных и интеграционных процессов хлопкоочистительной, текстильной, легкой и полиграфической промышленности: Сборник материалов международной научно-практической конференции. – Ташкент : ТИТЛП, 2007. – С. 335 – 340 |
| 8. | Бекмурзаев, Т.Л. Опыт преподавания. Особенности проектирования и экономической оценки многокомпонентных (композиционных) материалов [Текст] / Л.А. Бекмурзаев, Т.В. Денисова, Т.Л. Бекмурзаев // Совершенствование профессиональной подготовки специалистов в области материаловедения, экспертизы и управления качеством изделий, услуг и работ : Научно-методический семинар по материаловедению в области сервиса, текстильной и легкой промышленности. – Черкизово, 2008. – С. 153-158. |
| 9. | Бекмурзаев, Т.Л. Влияние геометрии составляющих элементов перо-пуховой композиции на свойства утеплителя [Текст] / Е.В. Назаренко, Т.Л. Бекмурзаев // Современные проблемы и пути их решения науке, транспорте, производстве и образовании 2008 : Сборник научных трудов по материалам международной научно-практической конференции: Том 5, технические науки. – Одесса, 2008. – С. 21 – 23. |
| 10. | Бекмурзаев, Т.Л. Исследование материалов и проектирование швейных изделий на базе композиционных систем: монография / Л.А. Бекмурзаев, Т.В. Денисова, Т.Л. Бекмурзаев, Е.В. Назаренко, З.Л. Бекмурзаев, О.А. Алейникова, С.Г. Паченцева, С.В. Яковлева. – Шахты : Изд-во ЮРГУЭС, 2009. – 125 с. |
