Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ существующих методов определения показателей деформации изгиба текстильных материалов 8
1.1. Основные свойства определяющие качество ткани 8
1.2. Обзор органолептических методов оценки потребительских свойств ткани 9
1.3. Аналитическое моделирование для описания деформационных процессов при изгибе 17
1.4. Анализ существующих инструментальных методов определения жесткости на изгиб 23
1.5. Факторы, оказывающие влияние на деформационную способность текстильных материалов при изгибе 36
1.6. Выводы по главе и постановка задач исследований 39
2. Методическая часть 41
2.1. Обоснование выбора и характеристика объектов исследования 41
2.2. Методика оценки показателей деформации изгиба текстильных материалов 47
2.3. Обработка результатов исследований 49
2.4. Выводы по главе 50
3. Разработка метода определения показателей деформации изгиба текстильных материалов ... 51
3.1. Выявление операций метода 51
3.2. Разработка структурной схемы измерительной системы 53
3.3. Описание особенностей конструкций элементов измерительной системы 57
3.4. Обработка результатов испытаний 68
3.5. Построение алгоритмов и программного обеспечения измерительной системы 74
3.6. Выводы по главе 80
4. Исследование показателей деформации изгиба льняных тканей 81
4.1. Исследование живости льняных тканей и ее анизотропии 86
4.2. Исследование остаточного угла после изгиба 90
4.3. Исследование релаксационных характеристик изгиба 91
4.4. Комплексная оценка деформации изгиба льняных тканей 92
4.5. Выводы по главе 98
5. Выявление взаимосвязи показателей деформации изгиба с характеристиками строения льняных тканей 99
5.1. Выводы по главе 101
6. Апробация результатов исследования и разработка практических рекомендаций 102
6.1. Апробация результатов исследования 102.
6.2. Разработка рекомендаций по проектированию льняных тканей с заданными свойствами 104
6.3. Разработка рекомендаций по учету способности льняных тканей к изгибу при проектировании одежды 105
6.4. Выводы по главе 110
Общие выводы 111
Список использованной литературы 112
Приложения 119
- Аналитическое моделирование для описания деформационных процессов при изгибе
- Факторы, оказывающие влияние на деформационную способность текстильных материалов при изгибе
- Методика оценки показателей деформации изгиба текстильных материалов
- Построение алгоритмов и программного обеспечения измерительной системы
Аналитическое моделирование для описания деформационных процессов при изгибе
Исследователей очень интересуют приемы и действия человека, проводящего оценку качества ткани на ощупь. Было проведено исследование динамических факторов, влияющих на гриф ткани, посредством анализа сфотографированных движений, производимых экспертом. В результате выяснилось, что, оценивая ткань, человек прежде всего подвергает ее изгибу [7]. Анализ работ, посвященных исследованию грифа ткани, показал, что он в значительной степени зависит от ее поведения при изгибе [7-Ю], [12-15], [22-26], [28-32].
Характерной способностью тканей, отличающей их от других материалов, является их способность легко изгибаться при действии незначительных нагрузок, либо под действием собственной массы. Это способность тканей используется при изготовлении одежды (выполнение швов, подгибе нижних срезов рукавов, брюк, юбок и т.п.). В зависимости от вида, модели, сложности конструкции модели одежды изменяются и требования к деформационной способности ткани. Очевидно, что материал для одежды строгих форм, с прямыми линиями должен хорошо сохранять приданную форму. Материал для легкой летней одежды, например женских платьев, требующих мягких складок красивой правильной формы, должен обладать достаточной гибкостью и драпируемостью. Жесткость на изгиб определяет и требования, предъявляемые к ткани в процессе эксплуатации. Так, недопустимым является образование на перегибах одежды неисчезающих складок, заломов и морщин, которые существенно портят внешний вид швейного изделия. Проф. Б.А. Бузов [6] предлагает следующую классификацию характеристик изгиба (рис.3):
Классификация характеристик изгиба В основном при изучении изгиба используют неразрывные полуцикловые характеристики. Разрывные практически не изучаются, поскольку текстильные изделия вследствие малой толщины легко изгибаются по очень малым радиусам (порядка десятых долей мм)без доведения их до разрушения. Приборы, предлагавшиеся для подобных испытаний, например динамометр швейцарской фирмы Бэр для изгиба образцов до разрыва, созданный в конце 30-х годов, не нашли широкого распространения[33].
Не смотря на то, что для оценки изгиба используется большое количество показателей (стрела прогиба, величина усилия, вызвавшего изгиб, угол изгиба и т.д.) наиболее традиционным является жесткость на изгиб. В общем случае жесткость на изгиб - это способность материала сопротивляться изменению формы при действии некоторой внешней силы. Используя теорию упругости, согласно закону Гука, жесткость на изгиб В (сН см ) может быть вычислена по следующей формуле где Е - модуль продольной упругости; /— момент инерции сечения тела относительно нейтральной оси; / характеризует способность тела сопротивляться изгибу в зависимости от размеров и формы поперечного сечения. Е характеризует способность тела изгибаться, но уже в зависимости от материала тела
Однако, как отмечают многие исследователи [33, 9] теория динамики цельных упругих тел, широко применяемая в механике, может быть справедливо применена по отношению к тканям лишь в некоторых частных случаях. Например, при малых кратковременных нагружениях материала. При изгибе ткани, имеющей сетчатую структуру, образованную большим количеством волокон, происходит условно-упругая деформация, обусловленная действием не только упругой, но еще и эластической составляющих деформации с быстрым периодом релаксации [6]. Известна формула для определения изгибающего момента, предложенная Ф. Пирсом [29]:
С - длина изгиба в момент касания образцом наклонной плоскости, см. / - длина свешивающейся части образца, см; а - угол между горизонтальной и наклонными плоскостями. В данном случае длина изгиба является мерой взаимосвязи между весом ткани и ее жесткостью (рис. 4).
Английские исследователи Оуен и Ридинг произвели вычисления параметров деформированного кольца на цифровой машине, представив уравнение упругой линии в форме степенного ряда. Предложенная ими таблица параметров значительно точнее приближенной формулы Пирса.
Одно из аналитических решений уравнений упругой линии с учетом больших прогибов предложено Г.М. Капелевичем [35], который рассматривал ткань как ортотропный материал и определял ее жесткость как произведение условного модуля изгиба Е на момент инерции I сплошного прямоугольного сечения ткани шириной b и толщиной h. Он определил математическую связь между прогибом конца свешивающейся части полоски ткани, защемленной с одной стороны, погонным весом g (г/см) и условной жесткостью EI (гс см ).
Дифференциальное уравнение упругой линии Капелевич решал вариационным методом, который является приближенным. Он рассматривал случай, когда на полоску ткани действует равномерно распределенная нагрузка интенсивностью g и на конце полоски сосредоточенная сила Р (г).
Примененный вариационный метод решения дифферинциального уравнения проверялся для действия сосредоточенной силы решением в виде функции от эллиптических интегралов, а для действия распределенной нагрузки - при помощи метода упругих параметров, разработанного профессором Е.П. Поповым [35,36].
Факторы, оказывающие влияние на деформационную способность текстильных материалов при изгибе
На деформационную способность текстильных материалов влияет их волокнистый состав, структура, свойства волокон и нитей, а также структура и отделка самого материала.
Чем больше распрямлены и ориентированы цепные молекулы волокнообразующего полимера, тем больше внутреннее трение, ограничивающее перемещение цепей молекул, тем меньше гибкость волокон. Например, большая жесткость льняной ткани объясняется высоким модулем жесткости льняных волокон. Из-за низкого модуля жесткости шерстяных волокон жесткость шерстяной ткани небольшая.
При круглой форме сечения волокна оказывают большее сопротивление изгибающим усилиям, чем при плоской. Жесткость волокон растет с увеличением их толщины.
С повышением крутки возрастает слитность нитей и вместе с этим их жесткость. Поэтому в направлении нитей основы, имеющих более высокую крутку, чем нити утка, жесткость ткани при изгибе больше, чем в диагональном направлении и направлении утка. Жесткость нитей при увеличении крутки растет до известного предела. За пределом критической крутки, когда участки волокон, лежащие в периферийных слоях, перенапряжены, сопротивление нитей изгибу падает. Поэтому ткани из нитей креповой крутки обладают хорошей гибкостью и драпируемостью[6].
Ливеси и Оуэн исследовали зависимость между жесткостью ткани и жесткостью нитей, из которых она состоит, и вывели математическую зависимость, учитывающую крутку и изогнутость нити в ткани[9]. Зоровский и Чен выявили, что жесткость ткани больше жесткости отдельных нитей и зависит от жесткости нитей и сил сцепления между ними.
Одним из основных факторов, влияющих на деформационную способность ткани, является ее плотность и вид переплетения.
Оценка влияния плотности и вида переплетения дается в ряде работ [49-54]. Испытания [49] вискозных тканей показала, что параметры строения (плотность, толщина нитей, переплетение) влияют на ход обратной релаксации усилий. При уменьшении плотности по утку кривая обратной релаксации усилий тканей приближается к аналогичной кривой группы нитей для тканей различных переплетений. В тканях более свободного (атласного) переплетения кривые релаксации усилий проходят ближе к аналогичным кривым нитей, чем при более связном ( полотняном) переплетении.
Исследования [52] хлопчатобумажных, шерстяных и лавсановых тканей полотняного, саржевого переплетений показали, что увеличение плотности по утку приводит к изменению характеристик упругости, как по утку, так и по основе. Увеличение плотности в 1,5 раза снижает все показатели упругости на 10-15%, что очевидно, связано с увеличением изогнутости нитей основы. При деформировании тканей по основе при большей плотности по утку большая часть деформации растяжения приходит на распрямление нитей основы, что требует меньших усилий, так как модуль упругости при изгибе меньше модуля упругости при растяжении. Аналогичные результаты приводятся в работе [53], где объектами исследования являются вискозные ткани простых и производных переплетений, и хлопколавсановые плащевые схожих переплетений [54]. Оценивая составные части деформации, получено, что с увеличением плотности при небольших нагрузках обратимая часть деформации увеличивается. Ткани саржевого переплетения характеризуются меньшим значением полной деформации, чем репсового и особенно полотняного.
Характерной особенностью тканей является их анизотропия, которая является следствием упорядоченности структуры элементов и их ориентации [60]. В природе существует большое количество анизотропных тел. Хорошо изучены анизотропия кристаллов [61], древесины [60]. Но строение тканей отличается большим разнообразием и находится в зависимости от большого числа управляемых факторов. Поэтому рассматривая деформацию тканей, нельзя не учитывать ее анизотропию.
Как показал обзор литературных источников работ, посвященных исследованиям анизотропии характеристик изгиба очень мало[6,55-59]. К сожалению большинство авторов не дает способов прогнозирования деформации под разными углами в зависимости от структурных характеристик материала, хотя это необходимо при проектировании одежды. Отсутствуют справочные данные об анизотропии показателей деформации льняных тканей при изгибе.
Методика оценки показателей деформации изгиба текстильных материалов
Скорость восстановления деформированной в результате изгиба ткани оценивается интервалом времени, затрачиваемым на этот процесс. Разработка метода определения времени восстановления осложняется рядом проблем, связанных с большой скоростью деформации, наличием сопротивления воздуха и влиянием силы тяжести на восстанавливаемый материал. За прототип разрабатываемого устройства принято устройство для измерения "живости" материала, созданное японскими учеными [7] (рис.14).
Данный метод отличается достаточной простотой и не требует большого количества измерительных приборов. Аналоговый сигнал с датчиков давления, можно преобразовать в цифровой код и использовать в ЭВМ. В качестве чувствительных элементов в рассмотренном выше методе, можно использовать другие контактные датчики, например конечные выключатели, но, как и все контактные методы, методы рассмотренные в первой главе отличаются малой чувствительностью, и при малых усилиях на чувствительные элементы со стороны ткани, могут возникать погрешности измерения.
В качестве бесконтактного метода определения положения разгибающейся ткани, можно предложить метод, предполагающий применение видеокамеры. Процесс восстановления ткани фотографируется через определенные промежутки времени, а время восстановления определяется исходя из количества промежутков и частоты фотографирования. В настоящее время существует множество видеоплат, поэтому полученный информационный сигнал, без особого труда можно обрабатывать с помощью ЭВМ. С помощью данного метода возможно получение не только информации о времени восстановления
ткани, но и о всем процессе восстановления. Сложность данного метода заключается в написании управляющей программы для видеокамеры, а также в программном анализе полученного видеосигнала. Хотя в описанном выше методе и возможно применение черно-белой видеокамеры, ее стоимость достаточно высока, а применение не полностью оправданно, ввиду наличия избыточности информации в получаемом сигнале.
Из других возможных бесконтактных методов определения положения ткани, можно выделить метод определения положения ткани с помощью емкостного датчика. Разгибающаяся ткань располагается между обкладками конденсатора и в зависимости от угла восстановления будет изменяться и емкость конденсатора, сигнал с которого подается на высокочувствительный усилитель. Сложность применения данного метода заключается в сложности изготовления механической части преобразователя. Также ввиду большой чувствительности емкостного датчика к внешним помехам, возникает сложность настройки преобразователя, а также его регулировке и поддержании стабильности во время эксплуатации.
В данном устройстве с учетом всех недостатков возможных решений применим в качестве чувствительных элементов фотоэлементы. Оптоэлектронные преобразователи характеризуются высокой чувствительностью, относительно низкой стоимостью, возможностью обработки выходного сигнала на ЭВМ, бесконтактным принципом действия, исключающим влияние на исследуемый объект. Однако фотоэлементы имеют и ряд недостатков, которые должны быть учтены в конструкции прибора. Прибор должен иметь светоизолирующий корпус, предохраняющий от влияния посторонних источников света. Определенные сложности связаны также с созданием четко направленного светового потока.
Из источника [7] известно, что радиус кривизны оправки составляет 2,5 мм. Длина дуги оправки равна l = n-R = 3,14 2,5 8 мм. Примем длину пробы равной 20мм. Такой длины будет достаточно для того, чтобы обогнуть оправку и заправить пробу между основанием и оправкой и под прижимную пластину устройства отпускания ткани. Ширину пробы - 10 мм выбираем исходя из размеров чувствительного элемента фотодатчика (11 мм). Такие размеры являются оптимальными для исследования живости, так как уменьшается площадь освещаемой поверхности и влияние массы исследуемой пробы на характер восстановления ткани после изгиба.
Анализ литературных источников показал достаточно слабый уровень автоматизации измерений в швейном производстве. Большинство приборов имеют механический принцип действия, что приводит к появлению значительных погрешностей в результатах измерений. Современный инженерный подход предполагает поступление измерительной информации от приборов непосредственно в автоматические управляющие устройства. В настоящее время микропроцессорная техника благодаря своей многофункциональности широко применяется во всех отраслях промышленности, в том числе и текстильной. При этом широкое распространение получили измерительные системы на основе ЭВМ. Современный уровень развития средств вычислительной техники позволяет выполнять измерительно-информационные системы на основе единой конфигурации, включающей в себя датчики, аналого-цифровые преобразователи, компьютер.
Построение алгоритмов и программного обеспечения измерительной системы
В процессе изготовления и эксплуатации одежды ткань подвергается изгибу не только в направлении основы и утка, но и под различными углами к ним. Без знания особенностей деформации изгиба в направлениях отличных от ортогональных нельзя правильно определить контуры и размеры деталей швейного изделия, выбрать наиболее рациональный вариант раскроя. Оценка результатов экспериментальных исследований на пробах прямоугольной и круглой формы проводилась отдельно по показателям живости, остаточного угла и коэффициента затухания колебаний. Результаты представлены в табл. 5, 6, 7, 8. В табл.5 представлены результаты экспериментов на прямоугольных пробах чистольняных тканей № 6, 8 и льнохлопковой № 14. Полученные результаты сравнили с результатами испытаний тех же образцов на пробах круглой формы (табл.6). В итоге значения имели некоторые отличия. Прямоугольные пробы быстрее «раскрываются», т. е. время их полного раскрытия меньше, чем у круглых проб соответствующих образцов. Это можно объяснить тем, что нити с ослабленной структурой в прямоугольных пробах обладают большей «живостью». Результаты эксперимента, полученные для полосок выкроенных не в ортогональных направлениях, например, под углами 30, 45, 60 искажаются по причине нарушения целостности структуры материала. Ослабляется цепкость нитей на узких участках, в результате чего внешние связи в пробе оказываются меньше, чем в исходной ткани.
По выше указанной причине испытания по определению показателей деформации изгиба целесообразнее проводить для всех исследуемых тканей на пробах круглой формы (табл. 6, 7). Живость характеризует упругость материала, то есть способность восстанавливать первоначальную форму после снятия усилия, вызвавшего изгиб. Анизотропия живости прослеживается для всех образцов исследуемых тканей. Это наглядно видно на полярных диаграммах (рис.35). Данные по анизотропии свойств ткани при изгибе позволяют, выбирая то или иное направление раскроя, целенаправленно задавать живость в деталях одежды. Интерес представляет показатель живости, полученный для направления 45. Под углом 45 он имеет, как правило, промежуточное значение между живостью в ортогональных направлениях (рис.36, 37). Это объясняется особенностью строения тканей. Структура ткани представляет собой пространственную решетку, форма и размеры которой в значительной степени определяют способность ткани деформироваться. Под углом 45 пространственная решетка, определяющая структуру ткани занимает промежуточное (диагональное) положение, а скорость восстановления в этом случае определяется в равной степени нитями основы и утка. Исследование живости льняных тканей в различных направлениях позволяет выявить влияние на нее следующих факторов: - волокнистого состава; - переплетения; - толщины нитей. Результаты показали, что вложение хлопковых волокон снижает живость тканей (рис.38). Так, для неоднородных тканей № 1,16 и 17 х/б пряжа в основе определяет меньшее значение живости, чем льняная в утке.
Рассматривая ткани, близкие по массе, но разного переплетения, можно предположить, что полотно (более слитная структура) обеспечивает большую живость. В монолитной структуре связей больше, в том числе выше коэффициент связности. Такой вывод можно сделать, рассматривая чистольняные образцы 8 и И. У ткани 11 полотняного переплетения коэффициент связности почти в полтора раза выше, чем у 8 образца мелкоузорчатого переплетения, причем масса их примерно одинакова. Живость 11 образца больше, чем 8 по всем направлениям. Для изучения влияния таких характеристик материала на живость, как поверхностная плотность и толщина нитей, рассматривалась группа тканей полотняного переплетения (рис.38). В этом случае живость в большей степени определяется линейной плотностью нитей в направлении основы и утка. При соотношении линейной плотности в ортогональных направлениях Т0 «0.5Ту получаем соотношение живости Ж0 = 2Ж (ткань № 2). Т.о. более толстые нити обеспечивают быстрое восстановление деформированной ткани. Им легче преодолеть сопротивление тонких нитей, расположенных в утке. При одинаковой толщине нити (Т0=Ту) показатели живости имеют близкие значения (ткань № 9, 11). В среднем близкие значения линейной плотности по основе и утку и однородный волокнистый состав снижают анизотропию живости. Рассуждая, таким образом, предполагаем, что живость больше у той ткани, у которой более толстые нити. Действительно, такая зависимость наблюдается у образцов 9, 10, 11. Линейные плотности этих тканей в основе и утке равны (То=Ту) и увеличиваются от 9 образца к 11. Живость соответственно возрастает от 9 к 11-ому образцу.
