Введение к работе
Актуальность работы
Автоматизация процесса производства нетканых материалов (НМ) иглопробивным способом выдвинула ряд проблем, связанных с исследованием влияния параметров прокалывания на качество получаемого материала и в связи с этим поиском оптимальных параметров иглопрокалывания. Автоматическое управление данным процессом требует знания зависимостей между физико-механическими характеристиками НМ и управляемыми параметрами процесса. Натурные эксперименты для решения такого рода задач оказываются трудоемкими и дорогостоящими, поэтому компьютерное моделирование процесса иглопрокалывания является в этом случае одним из наиболее эффективных методов исследования.
До настоящего времени недостаточно полно исследованы деформации, происходящие в НМ при однократном и многократном иглопрокалывании, в том числе влияние эффектов пластичности и упругости материала на динамику воздействия игл на материал. В выполненных по данной тематике работах отсутствуют возможности автоматизированного изучения влияния глубины прокалывания, расстояния между материалом и иглами, пластических и упругих свойств материала, а также демпфирования на деформацию материала. Кроме того, отсутствуют модели, позволяющие предсказать поведение НМ при иглопрокалывании.
Цели и задачи работы
Целью диссертации является разработка компьютерных моделей формирования иглопробивных нетканых материалов для автоматического управления процессом иглопрокалывания. Задачами работы ставятся:
определение и анализ параметров и свойств НМ, используемых в задачах управления процессом иглопрокалывания;
исследование деформаций, происходящих в НМ при однократном и многократном иглопрокалывании;
разработка математической модели деформации материала в процессе иглопрокалывания;
разработка компьютерной модели изменения формы волокна в результате его взаимодействия с иглой;
определение критериев оценки формы волокна и взаимного расположения двух волокон;
определение оптимальных параметров глубины, частоты и времени прокалывания нетканого материала;
разработка компьютерной модели прочности нетканого материала.
разработка рекомендаций по применению исследованных моделей в системах автоматического управления процессом иглопрокалывания.
Методы исследований
Для решения поставленных в диссертационной работе задач использовались методы теории автоматического управления, теории математического и имитационного моделирования, теории алгоритмов, методы статистической механики, теории вероятностей и математической статистики, теоретические и экспериментальные методы планирования компьютерных экспериментов и получения математического описания технологических процессов.
Научная новизна работы
решена задача научно обоснованной технической разработки компьютерных моделей формирования иглопробивных нетканых материалов для автоматического управления процессом иглопрокалывания;
разработана математическая модель деформации НМ в процессе иглопрокалывания, учитывающая геометрические особенности взаимодействия нетканого материала и игл, упругие и вязко-упругие свойства материала и кинематику процесса иглопрокалывания;
найдены зависимости изменения деформационных свойств материала во времени, позволяющие установить влияние эффектов пластичности и упругости НМ на динамику воздействия игл на материал, вычислять изменения тензоров напряжения и деформации во времени для любой выбранной точки материала и полей этих тензоров по всему объему материала;
установлено влияние глубины и частоты прокалывания на деформационные характеристики материала;
разработана геометрическая модель изменения формы и положения волокна в результате его взаимодействия с иглой;
предложены новые критерии оценки формы волокна и взаимного расположения двух волокон;
найдена зависимость прочности иглопробивного материала от числа игл, воздействующих на материал.
Практическая ценность работы
Предложенные модели деформации и прочности НМ позволяют имитировать изменения, происходящие с материалом при однократном и многократном воздействии на него иглами, учитывать вязко-упругие и пластические свойства нетканого материала и кинематику процесса иглопрокалывания, определять оптимальные параметры иглопрокалывания, что существенно сокращает временные и материальные затраты по сравнению с реальными испытаниями. Построенные модели и найденные зависимости могут быть использованы при синтезе систем автоматического управления процессами иглопрокалывания. Разработаны рекомендации по использованию построенных моделей динамики деформации НМ в процессе иглопрокалывания при синтезе систем автоматического управления этим процессом с учетом найденных зависимостей между параметрами процесса и свойствами НМ, позволяющие построить единую систему контроля и управления процессом иглопрокалывания.
Достоверность результатов работы
Результаты, полученные в ходе проведения экспериментов с разработанными моделями, показали удовлетворительное совпадение с данными натурных экспериментов, полученными при проведении исследований на иглопробивных машинах. Установленные значения тензоров деформации при однократном и многократном воздействии иглами на материал согласуются со значениями, полученными в ходе растяжения и сжатия нетканого материала на разрывной машине. Результаты работы были использованы в практической деятельности ЗАО «Фабрика Нетканых Материалов», что подтверждено актом опытной эксплуатации.
Апробация работы
Основные положения и результаты работы обсуждались и докладывались на следующих конференциях и семинарах:
Всероссийская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Проблемы экономики и прогрессивные технологии в текстильной, легкой и полиграфической отраслях промышленности (Дни науки - 2008)», г. Санкт-Петербург, 2008 г.;
Всероссийская научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Проблемы экономики и прогрессивные технологии в текстильной, легкой и полиграфической отраслях промышленности (Дни науки - 2009)», г. Санкт-Петербург, 2009 г.;
международная научно-техническая конференция «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности (Текстиль-2009)», г. Москва, 2009 г.
Публикации
В рамках диссертационной работы опубликовано 8 печатных работ: 5 научных статей, из них 3 - в рецензируемых журналах из списка ВАК; 3 - в виде тезисов докладов в сборниках материалов конференций.
Структура и объем работы
Диссертационная работа изложена на 140 страницах машинописного текста и состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка используемой литературы из 100 наименований, 13 таблиц, 66 иллюстраций, четырех приложений.
