Автоматизация проектирования изделий легкой промышленности из натурального меха с учетом теплозащитных свойств Сало Раиса Хантемировна

Содержание к диссертации

Введение

1 Вопросы автоматизации проектирования теплозащитных свойств пушно-мехового полуфабриката 13

1.1 Современные системы автоматизации проектирования изделий из натурального меха 14

1.2 Взаимосвязь теплозащитных и структурных характеристик натурального меха в условиях эксплуатации 20

1.3 Анализ методик теплового расчета одежды 26

Выводы к главе 1 33

2 Моделирование процесса теплопередачи через пушно-меховой полуфабрикат 34

2.1 Оценка ветрового воздействия 35

2.2 Определение коэффициентов теплопередачи 44

2.3 Экспериментальное исследование взаимосвязей

теплофизических и структурно-геометрических параметров мехового полуфабриката 51

Выводы к главе 2 59

3 Оптимизация выбора мехового полуфабриката с заданными теплозащитными характеристиками 60

3.1 Применение математических моделей и методов в проектировании одежды из различных материалов 61

3.2 Моделирование теплового сопротивления сложного пакета меховой одежды 65

3.3 Разработка математической модели для оптимизации выбора пушно-мехового полуфабриката 70

Выводы к главе 3 79

4 Разработка программного обеспечения для расчета и подбора пушно-мехового полуфабриката 80

4.1 Алгоритмы для расчета теплового сопротивления и подбора мехового полуфабриката минимальной массы 81

4.2 Разработка программного обеспечения 86

4.2.1 Описание программы 86

4.2.2 Разработка программных модулей «Расчет теплового сопротивления» и «Подбор мехового полуфабриката» 87

4.3 Проведение вычислительного эксперимента 97

Выводы к главе 4 102

Основные результаты и выводы 103

Список использованных источников

• Современные системы автоматизации проектирования изделий из натурального меха
• Оценка ветрового воздействия
• Применение математических моделей и методов в проектировании одежды из различных материалов
• Алгоритмы для расчета теплового сопротивления и подбора мехового полуфабриката минимальной массы

Введение к работе

Актуальность темы. Одним из перспективных направлений повышения эффективности производства в легкой промышленности является применение автоматизированных систем проектирования (САПР).

В настоящее время на отечественных предприятиях швейной отрасли успешно используются более двадцати различных САПР, в том числе ЛЕКО, T-FLEX, СТАПРИМ, Комтенс, Ассоль (Россия), Грация, СТАТУРА (Украина), Accu-Mark (США), Investronica (Испания), Gerber (Великобритания), Lectra System (Франция), AGMS-3D (Япония). Эти системы позволяют осуществлять разработку эскизов одежды, построение конструкций, создание и градацию лекал, выполнение раскладок, расчет норм материалов, определение трудоемкости изготовления изделий и другие операции подготовительных этапов производственного цикла.

Рассматриваемые САПР предназначены для проектирования изделий из текстильных материалов. В случае использования соответствующих методик модули некоторых из них становятся приемлемыми для построения чертежей конструкций и моделирования изделий из натурального меха. Другие модули (выполнение раскладок, создание образа моделей, нормирование расхода материала) не применимы при проектировании меховой одежды в связи со спецификой ее изготовления.

Ряд коллективов и ведущих специалистов занимается созданием САПР, предназначенных для предприятий по изготовлению изделий из- натурального меха. Научно-исследовательским институтом меховой промышленности (ОАО «НИИМП») совместно с Московским физико-техническим институтом разработана «САПР-мех» для отдельных подготовительных процессов изготовления меховой одежды. С помощью системы можно решать отдельные задачи, такие как, разработка базовой конструкции и моделирование на ее основе, построение схем раскладок меховых шкурок, измерение площади лекал.

С учетом современных тенденций в области развития автоматизации проектирования в Омском государственном институте сервиса при сотрудничестве с Омским филиалом Института математики им. С.Л. Соболева разработаны алгоритмы и программы, позволяющие в автоматизированном режиме оценивать качество меховой шкурки, проектировать поверхность мехового скроя.

Однако в указанных работах не рассматривались задачи определения теплозащитных характеристик натурального меха и подбора мехового полуфабриката в пакет одежды в соответствии с климатическими условиями. В связи с этим актуальным являются проведение дальнейших исследований, разработка математических моделей, алгоритмов и программ для автоматизации проектирования изделий из натурального меха.

Цель диссертационной работы заключается в автоматизации процесса расчета теплозащитных характеристик сложного пакета одежды и подбора мехового полуфабриката для различных условий эксплуатации с использованием методов оптимизации.

В соответствии с поставленной целью были определены следующие научные и практические задачи:

- провести аналитические исследования по выявлению зависимости теплозащитных характеристик волосяного покрова от его структурно-геометрических параметров, определить коэффициенты основных составляющих теплопередачи с учетом особенностей строения натурального меха в условиях ветрового воздействия;

- выполнить экспериментальные исследования с целью идентификации расчетных и эмпирических зависимостей коэффициента теплопроводности натурального меха от структурно-геометрических параметров волосяного покрова;

-построить математическую модель для оптимизации подбора мехового полуфабриката при условии соответствия требуемому тепловому сопротивлению;

- разработать методики для автоматизации расчета теплового сопротивления сложного пакета одежды и подбора мехового полуфабриката минимальной массы с учетом условий эксплуатации;

- на основе предложенных методик разработать программу для расчета теплозащитных характеристик сложного пакета одежды и подбора мехового полуфабриката в изделие.

Методы исследований. В работе использованы стандартизированные методы измерения параметров мехового полуфабриката, методы оптимизации и математического моделирования, современные компьютерные технологии и объектно-ориентированное программирование. Достоверность результатов, полученных в диссертационной работе, обеспечена многократными измерениями при экспериментальных исследованиях, проведением расчетов на ПК.

Научная новизна работы:

-установлены аналитические зависимости теплозащитных характеристик натурального меха от структурно-геометрических параметров в условиях ветрового воздействия;

-разработана математическая модель оптимизации, позволяющая подобрать меховой полуфабрикат минимальной массы с учетом обеспечения требуемого теплового сопротивления для конкретных климатических условий;

- созданы методики для расчета теплового сопротивления сложного пакета одежды и подбора мехового полуфабриката минимальной массы в изделие.

Автор выносит на защиту: , .

- аналитические зависимости теплозащитных характеристик натурального меха от структурно-геометрических параметров в условиях ветрового воздействия;

- математические модели, позволяющие автоматизировать процесс расчета теплозащитных характеристик сложного пакета одежды и подбора мехового полуфабриката минимальной массы в соответствии с требуемым тепловым сопротивлением для конкретных климатических условий;

-методики и алгоритмы автоматизированного расчета теплового сопротивления сложного пакета одежды и подбора мехового полуфабриката минимальной массы с учетом требований эксплуатации.

Практическая значимость результатов работы:

Предложенная методика автоматизации расчета теплового сопротивления пакета одежды может быть использована при проектировании теплозащитной одежды бытового и специального назначения из натурального меха и некоторых других волокнистых теплоизоляторов. С помощью данной методики обеспечена возможность получения информации о тепловом сопротивлении конкретного мехового полуфабриката и пакета одежды с учетом климатических условий.

Разработанная программа позволяет сократить затраты времени на расчет теплового сопротивления пакета теплозащитной одежды, подобрать меховой полуфабрикат минимальной массы в соответствии с требуемыми условиями эксплуатации. Она может быть использована в качестве отдельного программного продукта или в сочетании с системами автоматизированного проектирования изделий из натурального меха на промышленных предприятиях и в учебном процессе.

Структура и объем диссертационной работы. Работа состоит из введения, четырех глав и заключения, списка использованных источников, включающего 156 наименований, и 6 приложений. Диссертация изложена на 122 страницах, содержит 2 таблицы и 25 рисунков.

В первой главе представлен анализ систем автоматизированного проектирования швейных изделий, известных экспериментальных исследований в области теплофизических свойств натурального меха и методик теплового расчета одежды.

Современные программные средства, предназначенные для проектирования одежды из натурального меха, позволяют выполнять конструирование и моделирование, производить разбивку лекал на шаблоны, формировать поверхность ме хового скроя, измерять площадь лекал, оценивать качество меховой шкурки и готовых изделий. Однако процесс проектирования осуществляется без учета теплозащитных характеристик материала и требований к пакету одежды, вытекающих из условий эксплуатации.

Проведенный анализ экспериментальных данных показал, что существует тесная взаимосвязь теплозащитных и структурно-геометрических параметров рыхловолокнистого теплоизоляционного материала, к которым относится натуральный мех. Однако аналитическое описание этих связей с учетом ветрового воздействия и перепадов температур отсутствует. Результаты оценки теплозащитных характеристик различных видов натурального меха являются субъективными и не позволяют формализовать процесс подбора пушно-мехового полуфабриката в пакет одежды.

Изучение имеющихся методик теплового расчета изделий показало, что для адекватной оценки теплового сопротивления натурального меха и пакета одежды из него необходимо ввести ряд допущений в соответствии с условиями эксплуатации и структурным строением материала.

Во второй главе с целью автоматизации расчета теплового сопротивления на основе известных законов теплофизики и аэродинамики предложено аналитическое описание процесса теплопередачи в натуральном мехе в условиях ветрового воздействия.

В работе используются общепринятые в швейной промышленности единицы измерения структурно-геометрических параметров натурального меха, температуры кожи человека и окружающей среды. Единицы измерения физических величин соответствуют системе СИ. Расчеты производятся с учетом переводных коэффициентов.

При моделировании процесса теплопередачи были приняты следующие допущения:

• процесс теплопередачи рассматривается в стационарном режиме;

• не учитываются излучение и влагоперенос;

• теплопередача осуществляется теплопроводностью твердого вещества кожевой ткани и волоса, неподвижного воздуха в межволосяном пространстве, свободной и вынужденной конвекцией внутри и на поверхности волосяного покрова;

• продольное и поперечное обтекание воздухом волосяного покрова является ламинарным.

Для оценки влияния ветра на теплозащитные свойства натурального меха определена скорость течения воздуха вдоль волоса, найдена зависимость снижения скорости ветра в глубине волосяного покрова, установлена глубина, ниже которой теплоотдача является незначительной.

В общей высоте волосяного покрова определена доля поверхностного слоя, продуваемая ветром насквозь, т.е. характерная глубина продувания. Эта величина зависит от структурных параметров и является постоянной в пределах конкретного вида меха. Введенный безразмерный ветровой коэффициент, равный отношению высоты волосяного покрова к характерной глубине продувания, отражает теплоизоляционные свойства меха в условиях ветрового воздействия.

Для характеристики доли волосяного покрова с минимальной теплоотдачей введен тепловой коэффициент, обусловленный структурными особенностями и суммарным влиянием всех компонентов (ости и пуха). т .

Получены коэффициенты, аналогичные коэффициенту теплопроводности, соответствующие значениям структурных параметров волосяного покрова, которые позволяют формализовать процесс теплопереноса при свободной и вынужденной конвекции.

Для апробации аналитической модели выполнен эксперимент по исследованию взаимосвязи коэффициента теплопроводности и структурно-геометрических параметров натурального меха. Экспериментальные данные удовлетворительно согласуются с результатами расчетов. В ходе эксперимента выявлена зависимость массы мехового полуфабриката от его структурно-геометрических параметров.

В третьей главе описаны предложенные нами математические модели и разработанные на их основе методики теплового расчета сложного пакета одежды с учетом климатических условий и подбора мехового полуфабриката минимальной массы в соответствии с требуемым тепловым сопротивлением.

Методика теплового расчета, основанная на известных формулах теплообмена, позволяет определить тепловое сопротивление общее и каждого составляющего слоя пакета одежды, включая воздушные промежутки, учитывает структурно-геометрические параметры мехового полуфабриката и климатические условия окружающей среды. Под сложным пакетом нами принят комплект, состоящий из комнатной одежды (белье, сорочка, брюки, джемпер) и мехового пальто. Перепад температуры вблизи кожи человека позволяет оценить тепловой комфорт в пакете одежды.

Приводится разработанная нами математическая модель оптимизации. На ее основе создана методика подбора мехового полуфабриката минимальной массы в соответствии с требуемым тепловым сопротивлением.

В конце главы приведены примеры использования разработанных математических моделей, показывающие практическую значимость предложенных методик.

В четвертой главе дается описание алгоритмов и программы для расчета теплового сопротивления сложного пакета одежды и подбора мехового полуфабриката минимальной массы в соответствии с требуемым тепловым сопротивлением.

Программа может быть использована в качестве отдельного программного продукта или в комплексе с другими модулями САПР изделий из натурального меха.

В состав программы включены модули «Расчет теплового сопротивления», «Подбор мехового полуфабриката» и база данных. Программы реализована на языке C++ с использованием библиотеки Qt, которые полностью поддерживают объектно-ориентированный подход к разработке программного обеспечения.

Структура базы данных представлена в виде таблиц. В качестве системы управления базой данных была использована СУБД SQLite версии 3.

Программный модуль «Расчет теплового сопротивления» -предназначен для определения теплового сопротивления сложного пакета одежды и его компонентов в отдельности с учетом структурно-геометрических параметров мехового полуфабриката, климатических условий заданной территориальной области и вида деятельности человека.

С помощью модуля «Подбор мехового полуфабриката» осуществляется выбор мехового полуфабриката минимальной массы в соответствии с требуемым тепловым сопротивлением.

Апробация результатов работы. Основные результаты и положения диссертационной работы докладывались на следующих конференциях и семинарах: Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы подготовки специалистов для сферы сервиса», ОГИС, октябрь 2003; II Международной научно-практической конференции «Проблемы совершенствования качественной подготовки специалистов высшей квалификации», ОГИС, ноябрь 2004; Межвузовской научно-практической конференции студентов и аспирантов «Молодежь, наука, творчество - 2004», ОГИС, апрель 2004; научно-практической конференции «Тенденции и перспективы развития легкой промышленности, повышение конкурентоспособности товаров в период подготовки к вступлению в ВТО», ОГИС, апрель 2005; III Международном технологическом конгрессе «Военная техника, вооружение и технологии двойного применения», ОмГУ, июнь 2005; III Международной научно-практической конференции «Современные тенденции и перспективы развития образования в высшей школе», ОГИС, декабрь 2005; научных семинарах ОГИС.

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 10 научных работах [78,101,102,123-128,132].

Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю заведующей кафедрой ТШИ, доценту Зое Егоровне Нагорной, профессору Александру Александровичу Колоколову и преподавателю Южно-Уральского государственного университета Алексею Владимировичу Горшкову за постоянное внимание к работе и полезные советы. 

Современные системы автоматизации проектирования изделий из натурального меха

В настоящее время имеется более двадцати систем автоматизированного проектирования швейных изделий, успешно функционирующих на отечественных и зарубежных предприятиях. Среди них ЛЕКО, Т - FLEX, СТАПРИМ, Комтенс, Ассоль (Россия); Грация, СТАТУРА (Украина); Accu - Mark (США), Gerber (Великобритания), Lectra System (Франция), Investronica (Испания), AGMS-3D (Япония) и другие. Применение САПР в легкой промышленности способствует сокращению временных и материальных затрат, повышению качества проектных работ [87].

Из сравнительного анализа существующих САПР следует, что на современном этапе развития легкой промышленности преобладают графические CAD/САМ системы. Их можно разделить на две группы: системы 2 - CAD/САМ, предназначенные для «плоскостного» конструирования, и системы 3 - CAD/САМ - для «пространственного» конструирования. Большой вклад в развитие трехмерного автоматизированного проектирования внесен фирмой Autodesk. Ею разработана система AutoCAD - универсальный графический пакет, который может быть использован любым специалистом, работающим с технической графикой [93].

В указанных САПР реализуются основные этапы проектирования швейных изделий из текстильных материалов: художественное проектирование модели, конструкторская и технологическая подготовка производства [87, 88].

Блок «Художник» позволяет пользователю визуализировать внешний вид изделия до создания лекал и самого изделия. С помощью компьютерной техни ки в двухмерных системах создаются и корректируются модели на экране дис плея в двухмерном изображении [13, 114]. В некоторых САПР используется ЗО-моделирование для визуализации примерки плоских лекал на трехмерном манекене [13, 103].

Блок «Конструктор» традиционно включает в себя модули «Конструктивное моделирование и оформление лекал», «Градация» и «Раскладка». Технология параметризации позволяет связать измерения деталей с размерными признаками человека [13, 45, 87, 88, 93, 103, 116]. При этом система обеспечивает мгновенное интерактивное перестроение всех взаимосвязанных деталей. В результате полностью параметризованная конструкция может быть перестроена при изменении набора размерных признаков.

Большое значение для предприятия имеет автоматизация процессов раскладки лекал и раскроя, результатом чего является экономия материала. Оптимизация процесса раскладки лекал реализуется через интерактивный и автоматизированный режимы работы [116, 120].

Актуальным направлением автоматизации проектирования является воспроизведение трехмерной модели объекта (фигуры человека) на экране монитора при помощи сканирующей системы и специальных программ [114]. В последнее время для этих целей в САПР широко используют цифровые фотоаппараты и видеокамеры [153], например, определение дополнительных размерных признаков осуществляется по цифровой фотографии [120].

Модули различных САПР обеспечивают автоматизацию технологической подготовки производства предприятия [87, 107, 108], позволяют составлять технологические последовательности, выполнять и редактировать схемы разделения труда, автоматически пересчитывать время и стоимость обработки изделий, печатать сопроводительную документацию.

В связи с современными тенденциями в области автоматизации проектирования актуальным направлением развития следует считать создание небольших специализированных систем, предназначенных для решения задач конкретной предметной области [122, 123]. Опыт использования прикладных программ позволяет сделать вывод о том, что наиболее эффективным и удобным является сочетание нескольких их видов в рамках единой информационной среды [107].

Анализ литературы показывает, что расчету теплового баланса и подбору материалов в пакет теплозащитной одежды с учетом климатических условий и вида деятельности человека уделяется недостаточно внимания, поэтому разработка алгоритмов и программ для решения подобного рода задач является актуальной.

Вышеперечисленные САПР предназначены для проектирования изделий из текстильных материалов и технологических процессов их производства. В случае использования соответствующих методик конструирования и прибавок к размерным признакам модули некоторых из них становятся приемлемыми для построения чертежей конструкций изделий из натурального меха и кожи. Другие модули (выполнение раскладок, создание образа моделей, нормирование расхода материала) не применимы для проектирования меховой одежды в связи со спецификой ее изготовления.

В последнее время ряд научно-исследовательских коллективов занимается созданием САПР, специально предназначенных для проектирования изделий из натурального меха и кожи.

Научно-исследовательский институт меховой промышленности (ОАО «НИИМП») совместно с Московским физико-техническим институтом проводит разработку системы автоматизированного проектирования меховой одежды, отдельных подготовительных процессов ее изготовления [30-33]. Система "САПР-мех" включает в себя разработку модулей "Конструктор", "Моделирование", "Технолог".

Оценка ветрового воздействия

В работе [126] показано, что меховое изделие на фигуре человека в условиях ветра находится в пределах динамического пограничного слоя, следовательно, скорость ветра вблизи поверхности ВП быстро затихает и течение можно считать ламинарным [10, 89, 131]. Поперечное обтекание волос при любой скорости ветра, продольное внутри ВП на достаточной глубине от наружной поверхности, а также течение воздуха в воздушной прослойке, вызванное движениями человека, является ламинарным. , .

Для определения скоростей свободной и вынужденной конвекции можно использовать формулу Пуазейля - Стокса для ламинарного течения в круглой гладкой трубе постоянного диаметра и закон сохранения массы [115, 141] Є = , (2.5) 128 Lpo Q = V-S, (2.6) где Q - объёмный расход жидкости или газа через трубу, м3/с; АР — разность давлений на концах трубы, Па; L — характерная длина трубы, м; D - диаметр трубы, м; р- плотность жидкости или газа, кг/м3; V- кинематическая вязкость, у } м /с, V— скорость течения, м/с; S- площадь поперечного сечения, м .

В волосяном покрове натурального меха образуется «трубка течения» с воздушными стенками, частично ограниченными твердыми волосами, поэтому можно применить формулу Пуазейля-Гагена-Стокса при течении по трубе с несплошными стенками [115, 131] где Ф - фактор формы сечения трубки течения; Ъ - общий периметр условной трубки течения (твёрдой с вязким трением, воздушной почти без трения), м; а — периметр твёрдой (вязкой) границы условной трубки течения, м. Множитель Ь/а показывает, что сила сопротивления меньше в то же число раз, во сколько общий периметр несплошной трубы больше периметра твердой границы, которая вязко сопротивляется течению [89, 127, 131].

Кроме указанных формул при описании процесса теплопередачи через натуральный мех были использованы известные физические законы - Менделеева - Клайперона и Бернулли для идеального газа, Архимеда, Торричелли, законы Кирхгофа для последовательного и параллельного соединения тепловых сопротивлений [23, 81, 89, 91, 115, 131, 141, 142].

Закон Бернулли для идеальной жидкости или газа имеет вид p = p0+pgh + , (2.8) у где Р0 — статическое давление, Па; g - ускорение свободного падения, м/с ; h — высота столба жидкости или газа, м; pgh - высотный напор Торичелли, Па; — скоростной напор, Па.

В пушно-меховом полуфабрикате тепловой поток проходит по нормали через кожевую ткань (КТ), по остевому и пуховому волосу и в промежутках между ними. Средние поперечные размеры структурных элементов теплоизо-ляторов входят в расчетные формулы тепловых коэффициентов. В данной работе введены следующие обозначения структурно-геометрических параметров пушно-мехового полуфабриката: h — высота ВП, м; Г- густота ВП, ед/м2; а - поперечный размер (диаметр) волоса, м; Q — «заполненность» волоса - доля твердого вещества (при отсутствии сердцевинного канала Q = 1); = — - извилистость ВП, где 4 - длина волоса истинная, м. При 1 воло-h сы располагаются в плоском сечении объёма волосяного покрова в раз чаще. а - коэффициент формы сечения волоса (для круга а « 1,15) [141, 142]; С - безразмерный коэффициент аэродинамического сопротивления,, для волоса натурального меха С = 0,3-Ю,5 [141, 142].

Среднее расстояние между волосами b (м) ь-$-, (2.9) где /?« 1,5 — коэффициент густоты геометрической сетки расположения волос [127]. При моделировании процесса теплопередачи через пушно-меховой полуфабрикат в данной модели приняты следующие допущения.

Процесс теплопередачи рассматривается в стационарном режиме, температура окружающей среды и скорость ветра постоянны.

Теплоотдача осуществляется теплопроводностью твердого вещества ко-жевой ткани и волосяного покрова, воздуха в пространстве между волосами, свободной и вынужденной конвекцией в глубине и на поверхности ВП.

Теплопередача излучением не учитывается, так как температура меховой поверхности в условиях эксплуатации низкая, разность температур между коже-вой тканью и наружной поверхностью волосяного покрова небольшая. Кроме того, в ВП продольные размеры трубки течения воздуха намного больше поперечных (h»b) и излучение более теплого слоя многократно рассеивается и поглощается.

При описании процесса теплопередачи влагоперенос не учитывается, поскольку рассматривается случай, когда меховая одежда используется по основному функциональному назначению - защищать от холода. Известно, что при легкой работе (ходьба в умеренном темпе) теплоперенос с испарением влаги с кожи человека и конденсацией на холодной поверхности много меньше, чем теплоперенос конвекцией воздуха. Кроме того, изделия из натурального меха не рекомендуется носить во влажном климате, при намокании они теряют свои эстетические и эксплуатационные свойства. С учетом условий эксплуатации и физическими свойствами мехового полуфабриката в модели не рассматривается накопление тепла под воздействием солнечного излучения и потери тепла воздухопроницаемостью.

Для оценки влияния ветра на теплозащитные свойства натурального меха определена скорость течения воздуха вдоль волоса, найдена зависимость снижения скорости ветра в глубине ВП, установлена глубина в ВП, ниже которой теплоотдача является незначительной.

Применение математических моделей и методов в проектировании одежды из различных материалов

В настоящее время значительное внимание уделяется совершенствованию процесса проектирования изделий легкой промышленности. Круг задач, решаемых в автоматизированном и автоматическом режимах, расширяется и усложняется [45]. Успешное продвижение в направлении совершенствования САПР требует более широкого использования математического аппарата, разработки новых моделей и методов.

Методы аналитической геометрии широко используются во всех САПР при построении базовых конструкций, трехмерном проектировании поверхности одежды или манекена [45, 116, 153], восстановлении поверхности тела человека по фотоснимку [121], получении развертки изделий в трехмерной среде [153], построении моделей прогнозирования свойств тканей и целого ряда других задач [21, 121].

В работах [97, 98] предлагается методология автоматизированного проектирования гибкого мелкосерийного и единичного швейного производства. В качестве инструментария для решения задач анализа и проектирования производственных систем авторами используются методы имитационного моделирования, основанного на аппарате сетей Петри.

В работе [140] предложена экспертная система, которая позволяет уточнять технологию с учетом некоторых дефектов, появившихся на предыдущих этапах, с учетом запрограммированных знаний по выделке кожи. В экспертной системе используется модель представления знаний в виде семантической сети.

Оптимизационные постановки широко используются для решения разного рода задач - раскладки лекал, расчета кусков материала в настилах, размещения оборудования и др. [50]. Многие задачи, возникающие при проектировании одежды, относятся к области дискретной оптимизации [70-76, 78-80]. В ряде работ для автоматизации различных этапов проектирования одежды применяются задачи и методы многокритериальной оптимизации [50, 76, ПО].

В Омском государственном институте сервиса при сотрудничестве с Омским филиалом Института математики им. С.Л. Соболева СО РАН разрабатываются различные оптимизационные постановки для проектирования швейных изделий и решения ряда других задач [50, 70-76, 78-80, 110].

В ряде работ используются конструкции и алгоритмы теории графов [11, 71, 72, 74, 79]. С помощью графов удобно описывать различные процессы, возникающие на этапах проектирования и производства одежды, структуру связей между элементами изделия, возможные варианты их выбора и размещения.

Для определения ведущих свойств пушно-меховых полуфабрикатов авторами [72] разработан и в дальнейшем развит подход, основанный на использовании ряда моделей и алгоритмов дискретной оптимизации. Эти модели представляют собой обобщения известной задачи нахождения минимального доминирующего множества вершин в графе.

В работах [73, 78] предложен и развивается подход к автоматизации эскизного проектирования одежды. Подход основан на применении моделей дискретной оптимизации (с логическими и ресурсными ограничениями), связанных с вопросами максимальной выполнимости логической формулы. Предлагаются задачи целочисленного линейного программирования и некоторые теоретико-графовые конструкции для проектирования разнообразных моделей одежды.

В работах [76, ПО] приводится постановка задачи многокритериальной оптимизации для выбора методов обработки швейных изделий. Для нахождения решения используется ориентированный граф. Парето - оптимальных решений может быть несколько, поэтому возникает задача выделения одного решения из множества с помощью других подходов. В частности, с этой целью используются лексикографический метод и подход, основанный на использовании весовых коэффициентов, полученных на основе экспертных оценок.

Для автоматизации процесса проектирования изделий из натурального меха и повышения качества раскладки предлагается использовать аппарат математического моделирования. Основные задачи сформулированы в терминах дискретной оптимизации [79, 80]. С целью получения математической модели строится граф, каждая вершина которого отвечает некоторому шаблону, а ребра указывают на наличие связей между ними, например, общая граница или симметричность расположения шаблонов. Между элементами, выбираемыми для формирования поверхности изделия, и вершинами графа устанавливается взаимно-однозначное соответствие. Размещение совокупности элементов в вершинах графа должно удовлетворять ограничениям на разность значений параметров элементов для соседних вершин и являться в определенном смысле оптимальным. Для решения сформулированной задачи выполнения размещения элементов (меховых шкурок) авторами построен генетический алгоритм и разработано соответствующее программное обеспечение [11].

Таким образом, оптимизационные постановки используются для решения разного рода задач при проектировании швейных изделий, в том числе из натурального меха.

В работе [99] представлена математическая модель расчета теплового сопротивления пакета одежды, позволяющая определить оптимальный состав пакета и по температуре окружающего воздуха найти температуры всех слоев пакета специальной одежды. Воздушные прослойки между слоями тканей считаются слоями пакета.

Алгоритмы для расчета теплового сопротивления и подбора мехового полуфабриката минимальной массы

Разработанная в п.п. 2.1, 2.2, 3.2 методика расчёта теплового сопротивления сложного пакета одежды в условиях ветрового воздействия позволяет разработать формализованную технологию оптимизации высоты ВП с учётом остальных его параметров, климатических условий и вида деятельности человека.

В данном алгоритме сложная система уравнений решается с помощью итераций - последовательных приближений к неизвестному заранее «истинному» значению. Имеются теоремы, позволяющие доказать сходимость и оценить ее скорость, погрешность и требуемое количество итераций [82].

Во внешнем цикле итераций методом дихотомии находят величину высоты ВП h таким образом, чтобы с достаточной точностью удовлетворить условию: температурные ощущения на коже человека tom (см. формулу 3.11), одетого в проектируемый пакет одежды и находящегося в тепловом состоянии комфорта в определенных климатических условиях, должны отличаться не более чем на 2-3% от заданной величины t0Ui(3).

Во внутреннем цикле итерационными методами находят доли удельных тепловых сопротивлений всех компонентов пакета одежды в общем сопротивлении пакета одежды таким образом, чтобы с достаточной точностью удовлетворить нелинейной системе уравнений, связывающей общий перепад температуры, средние температуры в компонентах пакета одежды и тепловые сопротивления компонентов пакета одежды.

Процедура расчета тепловых сопротивлений и их долей в общем сопротивлении компонентов сложного пакета одежды посредством итерационного подбора может быть осуществлена в 9 этапов (рисунок 4.1). Алгоритм расчета представлен в Приложении Д. На первом этапе осуществляется ввод данных о проектируемом пакете одежды (блок 1): параметры пушно-мехового полуфабриката; структура сложного пакета одежды; температура кожи человека; климатические условия окружающей среды.

К параметрам мехового полуфабриката относятся густота волосяного покрова, толщина кожевой ткани, извилистость, заполненность и диаметр волоса. Их определяют и задают в каждом конкретном случае

Структура пакета одежды предусматривает определение положения волосяного покрова (внутрь или наружу), количество и толщину воздушных прослоек между телом человека и пакетом комнатной одежды, комнатной одеждой и меховым изделием.

Температура кожи выбирается в зависимости от участка тела человека, защищаемого пакетом одежды (голова, туловище, руки и т.д.)

Климатические условия задаются в соответствии с климатической зоной или областью, для которой производится расчет.

На этапе ввода данных необходимо задать начальную высоту волосяного покрова (блок 2). Далее на втором этапе будут выполняться последующие приближения высоты ВП.

Ввод исходных данных предполагается осуществлять в интерактивном режиме, используя базу данных или ввод с клавиатуры.

На третьем этапе производятся промежуточные вычисления - перевод единиц измерения параметров пушно-мехового полуфабриката и температур в систему СИ, расчет вспомогательных множителей.

На четвёртом этапе рассчитывается влияние ветрового воздействия на ВП. Толщина слоя h, сохраняющая тепло, определяется в зависимости от положения волосяного покрова (внутрь или наужу).

На пятом этапе определяется начальное приближение долей тепловых сопротивлений d-, компонентов пакета одежды, где / - номер компонента пакета одежды (блок 5). Начальные приближения долей d\0) удельных тепловых сопротивлений ГІ компонентов пакета одежды в общем сопротивлении задаются произвольным образом, но при этом должны выполняться условия 0 d\0) 1 и 2 ,(0)=i. На шестом этапе рассчитывается очередное приближенное значение коэффициента теплопередачи мехового материала (блок 6). На седьмом этапе определяются тепловые сопротивления компонентов сложного пакета одежды (блок 7).

На восьмом этапе рассчитывается тепловое сопротивление сложного пакета одежды: новое, уточненное общее тепловое сопротивление сложного пакета оде жды г(02ц = гУ}, где j - номер итерации, I - количество компонентов сложного пакета одежды, а также разницу є0) между новым и предыдущим значением теплового сопротивления: є= rjj — rjT0;