Введение к работе
Актуальность темы. Одним из важных направлений системного анализа
применительно к материаловедению производств текстильной и легкой
промышленности является изучение деформационных свойств текстильных материалов
в области действия неразрушающих нагрузок, близких к условиям их эксплуатации, при
помощи математического моделирования процессов деформирования на основе
обработки экспериментальной информации. Целесообразность дальнейшего
совершенствования методов расчетного прогнозирования напряженно-
деформированных состояний синтетических нитей, пряжи, лент, тканей, жгутов, шнуров и других текстильных материалов в указанной области возникает в связи с расширяющимся их применением в технических изделиях. Данный фактор способствует повышению значимости системного анализа и математического моделирования деформационных свойств текстильных материалов, поскольку неразрывно связан с задачами по сравнительному анализу свойств материалов, с исследованиями взаимосвязи свойств со структурой, с целенаправленным технологическим регулированием свойств, а также с прогнозированием кратковременных и длительных механических воздействий. Вышесказанное способствует повышению эффективности решения технологических задач производств текстильной и легкой промышленности, а также создает основу для оптимизации и управления технологическими процессами.
В настоящее время проведены многочисленные исследования вязкоупругих свойств синтетических нитей, в то время как широкое разнообразие текстильных материалов и большой объем накопленного эксперимента доказывают необходимость разработки новых методов системного анализа деформационных свойств текстильных материалов сложного строения (ТМСС), которым уделяется недостаточно внимания. Усложнение структуры текстильных материалов существенно сказывается на их вязкоупругих свойствах, что обосновывает поиск новых математических моделей указанных свойств и применение компьютерных методов обработки экспериментальной информации. Создание новых методов системного анализа физико-механических свойств текстильных материалов, учитывающих их сложное строение, способствует наиболее достоверному прогнозированию деформационных процессов.
Развитие материаловедения производств текстильной и легкой промышленности двух последних десятилетий нацелено на ускорение автоматизации средств контроля качества и испытания продукции с целью решения задач по управлению технологическими процессами. Решение поставленных задач неразрывно связано, как с совершенствованием методов и приборов, позволяющих моделировать в лабораторных условиях воздействия, испытываемые материалами при их переработке и в процессе эксплуатации, так и с совершенствованием методов системного анализа и обработки экспериментальной информации на основе математического моделирования с применением комплексов программ.
Тема диссертации предусмотрена целевой докторантурой и планом госбюджетной НИР СПГУТД с 1995 года по разделу "6.005.07. Изучение физико-механических свойств и прогнозирование нагруженных состояний текстильных материалов. Развитие теории термовязко упругости". Работа выполнялась в рамках грантов "2000 ТОО - 9.2-2052. Фундаментальные исследования в области технических наук" (2000-2003 г.г.), "НАТО. Наука ради мира (проект SIP № 973658)" (2000-2004 г.г.), "Лентек 1.9.03. Физика и механика полимеров. Материаловедение прирн-гирпиарньге і^пгимррпн" (2003-2004 г.г.), а также в рамках совместных научных исслсдоі|п|Ч>СС ИИИІвІМЛ*А№Лі|.ной математики
мвлиотекА ]
О»
%т
и процессов управления им. В.И. Зубова СПбГУ, с Институтом проблем машиноведения РАН и др. В 2003 году Международной Программой Образования в Области Точных Наук (ISSEP) автору присвоено звание "Соросовского доцента".
Цель работы состоит в разработке новых целостных методов системного анализа деформационных свойств ТМСС на основе математического моделирования вязкоупругих процессов и обработки экспериментальной информации; в разработке комплексов программ на основе новых и ранее известных методов системного анализа деформационных свойств с целью определения вязкоупругих характеристик, прогнозирования деформационных процессов ТМСС и решения задач целенаправленного технологического отбора материалов, обладающих определенными вязко упругими свойствами.
Методы исследования. Теоретической и методологической основой исследования
явились классические и современные научные представления, разработки и положения,
применяемые в материаловедении полимеров на основе математического
моделирования, методов системного анализа, функционального анализа, интегральных
уравнений, численных методов, операционного исчисления, методов вычислительной
математики, информатики и др.
Научная новизна работы состоит в развитии методов системного анализа деформационных свойств ТМСС и обработки экспериментальной информации на основе математического моделирования вязкоупругих свойств, где, в частности, предлагаются:
новые нелинейно-наследственные интегральные ядра релаксации и запаздывания, как основа математической модели вязкоупругих свойств текстильных материалов, позволяющие описать сложные формы спектров времен релаксации и запаздывания, соответствующие ТМСС;
- разработанные на основе новой математической модели интегральные критерии
вязкоупругости, связывающие нелинейно-наследственные ядра релаксации и
запаздывания, а также являющиеся, как обоснованием упрощения указанных ядер, так и
критериями наилучшего выбора математической модели вязкоупругих свойств,
критериями достоверности определения вязкоупругих характеристик, критериями
достоверности прогноза деформационных процессов;
новые методы выделения упруго-обратимой и вязкоупруго-пластической компонент механической работы деформирования и соответствующей им деформации -расчетным прогнозированием процессов растяжения, а также разработанный метод выделения пластической компоненты деформации, как следствие учета необратимого компонента деформации при прогнозировании длительных деформационных процессов;
- разработанные методы интерполирования функций среднестатистических времен
релаксации и запаздывания, а также других вязкоупругих характеристик, позволяющие
решать задачи по прогнозированию деформационных процессов ТМСС при переменной
температуре;
- аналитические решения задач обращения интегральных ядер релаксации и
запаздывания для случая линейной вязкоупругости, а также аналитические решения
задач построения спектров времен релаксации и запаздывания для случая нелинейной
вязкоупругости, соответствующих новой математической модели деформационных
свойств ТМСС;
Автор имеет ученую степень кандидата физико-математических наук по специальности "05.13.16 -применение вычислительной техники математического моделирования и математических методов в научных исследованиях (промышленность)
разработанное программное обеспечение (см. список официально зарегистрированных программ), являющееся составной частью целостного комплекса программ системного анализа физико-механических свойств и обработки экспериментальной информации.
Основные положения, выносимые на защиту. Разработана целостная методика системного анализа вязкоупругих свойств ТМСС на основе математического моделирования деформационных процессов и обработки экспериментальной информации, включающая в себя:
построение математической модели с новыми нелинейными интегральными ядрами релаксации и запаздывания, достоверно описывающей вязкоупругие процессы нелинейно-наследственной релаксации и нелинейно-наследственной ползучести ТМСС; преимущества указанного математического моделирования проявляются при прогнозировании быстротекущих деформационных процессов, длительных процессов, а также в расширении диапазонов прогнозируемой деформации и напряжения при сохранении минимума параметров модели;
разработанные новые методики прогнозирования деформационных процессов ТМСС с учетом специфики вычисления нелинейно-наследственных интегралов вязкоупругости, а также новые разработанные методы уточнения параметров математической модели по данным вспомогательного эксперимента, повышающие расчетную точность прогнозирования деформационных процессов;
новые методы разделения полной механической работы деформирования ТМСС на энергетические компоненты и, разработанные на их основе, методики выделения упругой и вязкоупруго-пластической деформации с целью решения задач целенаправленного технологического отбора материалов, обладающих наилучшими эксплуатационными характеристиками;
новые методы учета компоненты необратимости деформации при прогнозировании длительных деформационных процессов, повышающие точность и надежность прогнозирования, позволяющие выделить пластическую компоненту деформации, учет которой важен при оценке пластических свойств материалов;
- новые методы учета влияния переменной температуры при прогнозировании
деформационных процессов и, разработанные на их основе, методики прогнозирования
температурно-деформационных процессов;
разработанные на основе новой математической модели вязкоупругости интегральные критерии правдоподобия характеристик нелинейно-наследственной релаксации и нелинейно-наследственной ползучести, являющиеся одновременно - и критериями оптимального выбора математической модели; в рамках указанных критериев показано, что новая математическая модель нелинейно-наследственной вязкоупругости достоверно описывает деформационные процессы ТМСС;
аналитическое решение задачи обращения ядер интегральных уравнений релаксации и запаздывания для линейного случая вязкоупругих свойств текстильных материалов;
аналитический рекуррентный вид распределений релаксирующих и запаздывающих частиц ТМСС по относительным внутренним временам релаксации и запаздывания, полученный на основе рассматриваемой новой математической модели вязкоупругости;
- разработанные комплексы программ на основе перечисленных теоретических
методов и практических методик системного анализа деформационных свойств ТМСС и
обработки экспериментальной информации.
Практическая значимость диссертации состоит в развитии научно-методических, учебно-методических и теоретических разработок лаборатории механики ориентированных полимеров СПГУТД в области применения измерительной аппаратуры к научно-исследовательским работам технического направления. Применение методов системного анализа и обработки экспериментальной информации к ТМСС позволяет решать задачи по сравнительному анализу свойств материалов, по исследованию взаимосвязи свойств со структурой, по целенаправленному технологическому регулированию свойств, а также по расчетному прогнозированию кратковременных и длительных механических воздействий. Применение рассмотренного варианта моделирования деформационных свойств к ТМСС позволяет произвести технологический отбор образцов по степени крутки (пряжа), по способу переплетения нитей (тканые материалы), по компонентному составу, по линейной плотности и т.д.;
Обработка накопленного эксперимента по разработанным в диссертации методикам показала, что ТМСС в отличие от синтетических нитей можно условно разделить на две категории. К первой категории относятся материалы (преимущественно пряжа, жгуты), механические воздействия на которые, так же как и на синтетические нити, оказывают активирующие воздействия, то есть ускоряют эндохронные (внутренние) реакции микромеханизмов протекающих процессов, уменьшая времена запаздывания в процессе ползучести и времена релаксации в процессе релаксации. Ко второй категории относятся материалы (преимущественно ткани, ленты, шнуры), на которые механические воздействия оказывают затормаживающие воздействия, увеличивая времена запаздывания и релаксации.
Многочисленные эксперименты показали целесообразность применения практических методик системного анализа деформационных свойств ТМСС к широкому кругу полимерных материалов, не исследованных в данной работе, что говорит в пользу универсальности разработанной теории и возможности ее применения не только в текстильной и легкой промышленности, но и в других отраслях народного хозяйства, занимающихся производством или применением синтетических материалов. Учитывая это обстоятельство, по разработанным методикам было обработано большое количество экспериментальных данных, накопленных в лаборатории механики ориентированных полимеров, по выполнению договорных работ с аэрокосмической промыпленностью (НИИ автоматических устройств, Всероссийский институт авиационных материалов), судостроением (ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова), химической промышленностью (ВНИИВ, Мытищи) и др. Технические характеристики некоторых материалов, исследованных в работе приведены в Приложении к автореферату (табл.1 - табл. 5).
На основе материалов диссертации издано учебное пособие [32], рекомендованное УМО Легпром для подготовки дипломированных специалистов по специальностям 281100, 281200, содержащее описание теоретических методов и практических методик, внедренных в учебный процесс по дисциплинам кафедры сопротивления материалов СПГУТД "Деформирование ориентированных полимеров", "Релаксационные явления в конструкционных материалах" и "Механика химических волокон и композитов". Имеются также другие учебные и методические пособия по теме диссертации.
Разработанное программное обеспечение и комплексы программ широко применяются в научных и учебных целях. В частности, методы компьютерного прогнозирования деформационных процессов и расчета вязкоупругих характеристик синтетических материалов служат основой обработки экспериментальных данных лаборатории механики ориентированных полимеров СПГУТД.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на международных, всероссийских, общегородских, межвузовских и других научных симпозиумах, конференциях, семинарах, таких как: Международный конгресс "Фундаментальные проблемы естествознания и техники" (СПб., 03-08.07.2000), Международная научно-техническая конференция "Испытания материалов и конструкций" (Н. Новгород, 22-25.09.2000), Международная конференция по химическим волокнам "Химволокна Тверь-2000" (Тверь, 16-19.05.2000), Международная научно-техническая конференция "Новое в технике и технологии текстильной и легкой промышленности" (Витебск, 29-30.09.2000), Международный семинар "Актуальные проблемы прочности", (Псков, 14-18.09.1999; Витебск, 26-29.09.2000), Международная конференция "Математическое моделирование в механике сплошных сред на основе методов граничных и конечных элементов" (С-Пб., 16-19.05.2000), семинары и конференции Санкт-Петербургского государственного университета технологии и дизайна (С.-Пб., 1993-2003), объединенный городской семинар "Механика, материаловедение и технология полимерных и композиционных материалов и конструкций" (С.-Пб., 1998-2003), Третья всероссийская Каргинская конференция "Полимеры-2004", М., МГУ им. М.В. Ломоносова ,27.01-01.02.2004), Международная научно-техническая конференция "Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности" (Иваново,25-28.05.2004)и др.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 109 печатных работ, включая монографию [33], 12 публикаций в ведущих научных журналах, выпускаемых в Российской Федерации,- рекомендованных ВАК для опубликования научных результатов диссертаций на соискание ученой степени доктора наук, 1 патент на изобретение, 16 свидетельств об официальной регистрации программ в Российском агентстве по патентам и товарным знакам.
Структура и объём работы. Работа состоит из введения, 9 глав, заключения, списка использованной литературы (313 наименований) и приложения. Основное содержание изложено на 297 страницах машинописного текста. Работа, включая приложения, содержит 263 рисунка и 59 таблиц.
