Введение к работе
Актуальность проблемы. Конкурентоспособную продукцию текстильной промышленности невозможно получить без снижения себестоимости, расширения ассортимента, обеспечения его оперативной смены в соответствии с потребностями рынка, а также повышения качества выпускаемых тканей. Этому, в значительной мере, способствует использование систем автоматизированного проектирования тканей, которые можно рассматривать как элементы цифровой экономики.
Согласно государственной программе «Цифровая экономика Российской Федерации» (Распоряжение Правительства Российской Федерации № 1632-р от 28.07.2017) данные в цифровой форме должны стать ключевым фактором производства во всех сферах социально-экономической деятельности.
Формирование соответствующих данных о параметрах технологического процесса, используемых в системах автоматизированного проектирования тканей, базируется на математических моделях процесса формирования и строения тканей на различных стадиях их производства. При этом необходимо обеспечить технологическую возможность выработки широкого ассортимента продукции, в том числе тканей с переменной плотностью по утку.
Существующие методы моделирования структуры ткани на различных этапах ее формирования требуют в качестве входных ряд параметров, которые определяются экспериментально в ходе технологического процесса. Это не позволяет создать полноценную автоматизированную систему проектирования тканей, не требующую проведения новых экспериментов при создании проекта каждой новой ткани.
Прибой уточной нити является основной технологической операцией процесса формирования ткани, в процессе которой основные и уточные нити испытывают наибольшее напряжение. Поэтому прибою уточной нити посвящено большое количество научных работ, в которых вскрыты причины образования прибойной полоски на ткацком станке, однако при расчете зоны формирования ткани используется большой объем априорных данных, таких как натяжение нитей основы к моменту прибоя, натяжения ткани в момент прибоя, сила прибоя. Для моделирования натяжения нитей основы величина прибойной полоски часто задается напрямую. Также сложно задавать предварительные значения начальных длин основы и ткани в заправке станка, которые будут отличаться от размеров конструктивно-заправочной линии и окажут существенное влияние на результаты моделирования. Для моделирования процесса формирования ткани необходимо задать уравнения, которые связывают нагрузку и деформацию для ткани. При этом условия, в которых находится ткань на станке, значительно отличаются от условий растяжения полоски ткани на разрывной машине, поэтому использовать экспериментальные данные, полученные в этих условиях, не представляется возможным. Одним из существенных ограничений на применимость существующих теорий формирования тканей является невозможность моделирования в них расстояний между скользящими нитями в зоне формирования ткани.
Существующие способы определения жесткости нити при изгибе для создания моделей строения и формирования тканей предполагают исследование изгиба образцов на длине, в десятки раз большей той, на которой наблюдается изгиб нити в реальной ткани. Недостаточно изучены вопросы изменения жесткости нити в процессе ее деформирования в зависимости от условий, в которых находится нить в ткани.
Чаще всего моделируются ткани с постоянными плотностями по основе и утку в пределах моделируемого участка. В реальной ткани часто проявляется эффект «парочки», т.е. различная плотность по основе на всем участке ткани по длине. Причем в зоне формирования ткань имеет различную плотность по утку. Поэтому при моделировании строения и процесса формирования ткани с постоянной плотностью по утку необходимо учитывать переменный характер расположения нитей основы и утка в ткани.
Современные представления о математическом моделировании тесно связаны с трехмерной визуализацией результатов моделирования. Это особенно актуально в случае тканей сложной структуры, к которым можно отнести ткани с переменными плотностями по основе и утку. Поэтому в рамках настоящей работы считаем актуальным направление создания совмещенных методов 3D моделирования и визуализации структуры ткани.
Одно из главных условий конкурентоспособности предприятия - широкий ассортимент выпускаемой продукции, который может быть обеспечен, в том числе, путем расширения выпуска тканей с переменной плотностью по утку. Технология производства таких тканей должна предусматривать возможность выработки тканей с рельефной поверхностью без нарушения технологии с получением четких границ перехода плотностей по утку. Для этого нами предложен и реализован новый способ формирования тканей, в котором вальян совершает возвратно-вращательное движение. Такой способ может быть использован при производстве тканей как бытового, так и технического ассортимента, в том числе тканей для композиционных материалов.
Таким образом, научная проблема моделирования процесса формирования и строения ткани с учетом нестационарных плотностей нитей в ткани и жесткостей нитей при изгибе, зависящих от внешнего силового фактора, является актуальной, т.к. при ее решении появляется возможность моделировать с высокой точностью технологические процессы получения тканей различного назначения и обеспечить возможность создания цифрового производства, позволяющего гибко изменять ассортимент и, как следствие, повысить конкурентоспособность текстильного производства в целом.
Цель и задачи исследования. Целью работы является расширение и оперативное управление ассортиментными возможностями ткацкого оборудования в рамках цифрового производства на базе математического моделирования процесса формирования и строения тканей с переменной плотностью расположения нитей.
Для достижения поставленной цели решены следующие основные задачи:
проведен анализ научных исследований в области моделирования структуры тканей и определены основные направления развития теории строения и формирования тканей;
разработан способ определения жесткости нити при изгибе и устройство, с помощью которых получена математическая модель, связывающая изгибающий момент, кривизну нити и растягивающую нагрузку, приложенную к ней в условиях, соответствующих реальным условиям формирования ткани;
разработана математическая модель строения ткани на различных этапах ее формирования с учетом жесткости нити при изгибе, зависящей от кривизны и
натяжения нити и переменного характера расположения нитей основы и утка в ткани, позволяющая получать более точные расчетные данные;
предложена методика расчета зависимостей «нагрузка-деформация» тканей с переменной плотностью по основе и утку в различных зонах ткацкого станка для использования в составе математической модели зоны формирования;
разработана математическая модель зоны формирования ткани с различным количеством скользящих уточин и с минимальным количеством параметров, заранее определяющих технологический процесс формирования ткани, что позволяет прогнозировать технологический процесс формирования ткани без дополнительных экспериментальных данных;
разработана математическая модель прогнозирования характера расположения уточин при формировании переходного участка ткани с переменной плотностью по утку;
разработан экспериментальный метод исследования величины деформации и натяжения ткани процессе прибоя на основе контроля момента, приводящего в движение вальян в режиме реального времени.
разработана методика построения кусочно-непрерывной функции для моделирования формы нити в однослойной ткани, позволяющая использовать различные формы опорного сечения нити в ткани;
предложена методика трехмерной визуализации структуры ткани на различных этапах формирования, а также в период процесса прибоя уточной нити, с помощью которой можно визуально оценить результаты моделирования структуры ткани и процесса ее формирования;
разработаны патентоспособные решения для реализации технологии формирования тканей, в том числе с переменной плотностью по утку, позволяющие реализовать различные законы перемещения вальяна для достижения минимальных нагрузок на нити основы;
разработаны новые структуры тканей с переменной плотностью для композиционных материалов.
Основные методы исследования. В теоретических исследованиях использованы методы дифференциального и интегрального исчислений, нелинейной теории изгиба, текстильного материаловедения, численные математические методы. Численные решения систем нелинейных уравнений для моделирования структуры тканей и ее трехмерной визуализации решалась и использованием программы MathCAD и авторских программных продуктов. Исследование натяжения ткани, нитей основы и величины прибойной полоски проводилось с использованием разработанных методик и встроенного программного обеспечения технических средств измерений. Обработка результатов экспериментов проводилась с использованием методов математической статистики с использованием программ Microsoft Excel, Kompas, DataScope, MathCAD.
Научная новизна диссертационной работы заключается в совершенствовании теории строения и формирования ткани с переменной плотностью расположения нитей, за счет учета их изгибной жесткости, экспериментально полученной на реальных интервалах изгиба, и создании комплекса математических моделей, не требующих априорных данных о
параметрах технологического процесса, обеспечивающих прогнозирование параметров тканей.
-
Разработана математическая модель строения ткани на различных этапах ее формирования, учитывающая неравномерное расположение нитей основы и утка;
-
Предложена упрощенная математическая модель строения ткани, снятой со станка, с постоянными плотностями по основе и утку, позволяющая значительно упростить расчет параметров строения ткани;
-
Разработана методика определения жесткости нити при изгибе на малых интервалах и получена математическая модель, связывающая изгибающий момент, кривизну нити и растягивающую нагрузку, приложенную к ней, и не требующая предварительного задания коэффициента трения нити о нить;
-
Предложена методика расчета кривых «нагрузка - деформация» тканей с постоянной и переменной плотностью по основе и утку в различных зонах ткацкого станка для использования в составе математической модели зоны формирования ткани;
-
Разработана математическая модель зоны формирования ткани с переменной плотностью по утку с различным количеством скользящих уточин не требующая предварительного задания параметров процесса, получаемых на основе эмпирических сведений о нем, при этом сила прибоя, натяжение нитей основы и ткани при прибое, расстояния между нитями утка в зоне формирования ткани рассчитываются.
-
Разработана математическая модель строения переходного участка ткани с переменной плотностью по утку, которая учитывает прогнозные деформационные свойства самой ткани и позволяет провести ее заправочный расчет.
-
Разработана методика построения трехмерных моделей нити в ткани и самой ткани на основе универсального метода отображения профиля нити, заработанной в ткань. Форма опорного сечения при этом не ограничена эллипсом или кругом. Методика предполагает вывод уравнения поверхности, описывающую нить, в явном виде, что значительно расширяет расчетные возможности и позволяет упростить расчет площади контакта между нитями. На основе разработанного метода возможно построение твердотельных моделей нитей в ткани, в т.ч. с учетом бокового изгиба, изменением формы и размеров поперечного сечения на участке изгиба. Разработан метод 3D визуализации процесса прибоя уточной нити к опушке ткани.
-
Разработана методика настройки механического и электронно-управляемого товарных регуляторов для выработки ткани с переменной плотностью по утку.
Практическая значимость и реализация результатов работы Разработаны способы и технические средства, их реализующие для производства тканей с переменной плотностью по утку, в основу которых положен принцип формирования тканей с возвратно-вращательным движением вальяна.
Методики и модели строения ткани прошли промышленную апробацию и внедрены на ОАО «КНИИЛП», г. Кострома, где использованы при создании новых тканей бытового и технического ассортимента (опытные партии тканей из углеродных нитей). Результаты работы используются в ОАО «Научно-исследовательский институт технических тканей» (г. Ярославль), ООО ТПГ «Объединенные мануфактуры» (г. Иваново), ООО «ТЕКСПРОМ» (г. Иваново).
Результаты диссертационной работы внедрены и используются в научно-исследовательском и учебном процессе КГУ (г. Кострома).
Работа выполнялась по государственному контракту № П746 в рамках реализации Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 гг.» по теме «Разработка средств управления плотностью по утку при выработке льносодержащих тканей, развитие методов их проектирования, теории формирования и строения, а также исследование технологических особенностей их производства» (руководитель Гречухин А.П.), при поддержке гранта Российского фонда фундаментальных исследований по проекту № 14-08-00375 по теме «Развитие теории строения и формирования тканого каркаса композиционных материалов для получения материалов с заданными свойствами» (руководитель Гречухин А.П.), а также в рамках государственного задания.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены, обсуждены и получили положительную оценку на:
Международном научно-техническом симпозиуме «Современные инженерные проблемы промышленности товаров народного потребления» (Москва, 2017); международной научно-технической конференции «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности» «Прогресс» (Иваново, 2005, 2012, ИГТА); международной научно-технической конференции «Современные наукоемкие инновационные технологии развития промышленного региона» (Кострома, 2008, 2010, 2012, 2014 КГТУ); 59-й научно-технической конференции студентов, магистрантов и аспирантов (Ярославль, 2006); всероссийской ярмарке - выставке «Российский Лен - 2008»; профессорском семинаре КГТУ (2015, 2016); научно-техническом совете КГТУ (2010, 2011, 2012); общероссийском научном семинаре «Технология текстильных материалов» (2005, 2008, 2012, КГТУ), заседании кафедры проектирования и художественного оформления текстильных изделий (2015, МГУДТ), заседании кафедры технологии и проектирования текстильных изделий (2016, ИВГПУ).
Личный вклад автора состоит в постановке цели, задач и программы исследований, разработке теоретических положений, участии в проведении научных экспериментальных исследованиях, анализе и обобщении полученных результатов, выработке экспериментальных образцов тканей, в обработке и интерпретации экспериментальных данных, составлении общих выводов по работе. При личном участии автора проведена апробация результатов исследований и подготовка основных публикаций по выполненной работе.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 52 работы, в том числе 16 статей в журналах из перечня ВАК, 2 статьи из перечня Web of Science, 4 патента на изобретение, 2 патента на полезную модель, 1 свидетельство на регистрацию программы для ЭВМ. Остальные публикации представлены в сборниках материалов и тезисах докладов международных научно-технических конференций.
Структура и объём работы. Диссертационная работа включает введение, шесть глав, общие выводы и рекомендации, список используемой литературы, приложение. Основное содержание работы изложено на 335 страницах машинописного текста, включая 139 рисунков, 39 таблиц, список используемой литературы из 232 наименований. Приложения представлены на 33 страницах.