Методологические основы оптимизации подготовки производства одежды из легкодеформируемых текстильных материалов (стр. 2 )

При подготовке производства одежды формируются параметры как будущего изделия, так и процессов его изготовления, в том числе и процедур, связанных с формованием и ВТО. Придание изделию проектной формоустойчивой конфигурации, устранение складкообразований на поверхности детали и т. д. возможно, когда при фиксированных значениях составляющих деформации создаваемое напряжение практически полностью релаксирует. Вследствие нелинейности поведения текстильных материалов научно-обоснованное определение параметров и режимов ВТО эмпирическим путем представляется маловероятным. Для исследования процесса и определения качественной картины релаксации напряжения при постоянной деформации материала достаточно успешно могут быть использованы методы моделирования на базе механических аналогов, дающих представление о деформационно-релаксационных свойствах легкодеформируемых текстильных материалов. В работе проведены теоретические исследования, связанные с моделированием напряженно-деформированного состояния ЛДТМ при фиксированной начальной деформации.

Установлено, что уравнение релаксации напряжения при постоянной деформации, рассматриваемое в области вязкоупругих значений, соответствует уравнению Кольрауша-Слонимского.

Однако анализ данного уравнения показывает, что при в материале могут сохраняться остаточные напряжения , что может характеризоваться наличием некоторого значения пластической составляющей деформации, присутствующей наряду с вязкоупругим деформированием и как бы «вплетённой» в неё.

Обеспечение нулевого значения остаточного напряжения возможно при дальнейшей обработке текстильного материала легкодеформируемой структуры под воздействием внешних факторов, например, действием паровоздушной среды.

Следуя тому, что прогнозирование поведения текстильных материалов, представляющих собой ориентированные полимеры, затруднено из-за нелинейности их внутренних свойств, релаксационный процесс в общем случае следует представлять как нелинейный объект, аналогом которого может быть механическая модель Максвелла с введением в неё негуковского элемента Лидермана.

В результате проведенных теоретических исследований получено подтверждение тому, что для прогнозирования деформационно-релаксационного поведения ЛДТМ при фиксированной деформации могут быть использованы уравнения механических моделей Кольрауша-Слонимского (1) и Максвелла-Лидермана (2):

=, (1)

s(t) = s0 (2)

где - напряжение материала в момент времени t; , , - константы, характеризующие реологические свойства материала.

Из выражения(2) следует, что для выполнения практических расчётов необходимо знать постоянную времени процесса релаксации напряжения или усилия при фиксированной деформации. В теоретическом рассмотрении решение этой задачи представляет собой значительную сложность, так как отсутствуют аналитические соотношения, связывающие кинетические характеристики релаксационных переходов с факторами внешнего воздействия. Это потребовало проведения экспериментальных исследований, результаты которых для конкретного вида материала представлены на рисунке 5.

Рассматривая решение уравнения механической модели Максвелла-Лидермана (2) при допущении и используя полученные экспериментальные данные для конкретного вида материала (например, пальтово - костюмное трикотажное полотно типа «Лоден», сырьевой состав: шерсть 70%, ПА 20%, ПЭ 10%) с последующим расчётом, (см. рис. 5), как функции параметров паровоздушной среды, экспериментально-теоретическая модель будет иметь вид

(3)

где - начальное усилие

, (4)

где - температура паровоздушной среды.

Таким образом, в результате теоретических и экспериментальных исследований установлено, что, хотя и в качестве расчётной модели кинетики процесса релаксации напряжения (усилия) при фиксированной деформации в общем случае и при определенных допущениях может быть принята механическая модель Максвелла-Лидермана, экспериментальным данным по исследованию релаксационных процессов при постоянной деформации, рассмотренных в ограниченный промежуток времени в большей степени соответствует 3-х параметрическая модель, описываемая уравнением Кольрауша-Слонимского.

Рисунок 5 - Кинетика процесса релаксации усилия при =const: и экспериментальные кривые; 1, 2, и 3 –аппроксимирующие кривые

В третьей главе представлено теоретическое обоснование и рассмотрены разработанные методы исследования деформационных свойств ЛДТМ на различных этапах ЖЦ швейных изделий, а также результаты их практической апробации.

Для целей проектирования плотно облегающей одежды из легкодеформируемых высокоэластичных материалов разработан метод измерения характеристик их деформационных свойств, в основу которого положен стандартный метод определения характеристик растяжимости трикотажных полотен при нагрузках меньше разрывных. Принципиальное отличие предложенного метода от стандартного заключается в возможностях исследования растяжимости при фиксированной ширине элементарной пробы, что соответствует реальным условиям деформирования материала при надевании плотно облегающего изделия.

Для практической реализации данного метода разработано устройство, техническое решение которого защищено патентом на полезную модель (рис. 6). Метод предполагает использование специальным образом подготовленных элементарных проб. Величина прикладываемой нагрузки соответствует стандартной – 1, 2 Н/см. В целом методика определения и расчета растяжимости, эластичности и остаточной деформации соответствует стандартной.

Рисунок 6 - Схема спецприспособления

Кроме того, за счет увеличения ширины элементарной пробы обеспечена возможность определения величины поперечного сокращения материала при одноосном растяжении. Во избежание краевого эффекта измерение величины сужения пробы производится в средней зоне образца, для чего увеличена его ширина до 150 мм.

Апробация разработанного метода проводилась путем исследования образцов ВЭМ различной структуры и способов производства (в целом более 100 наименований материалов). Анализ результатов растяжимости, эластичности, остаточной деформации и относительного поперечного сокращения позволил сделать практические рекомендации для швейных и трикотажных предприятий, связанные с раскроем материалов и проектированием изделий. В частности, предложена классификация ВЭМ по группам растяжимости, и установлены базовые пределы заужения для каждой группы, представленные в таблице 1.

Таблица 1 - Классификация ВЭМ по группам растяжимости и величины рекомендуемых базовых пределов заужения

Группа растяжимости	Растяжимость полотна ε, %	Интервал базовых пределов заужения К, %
1 группа	До 20	12-14
2 группа	Св. 20 до 30	20-22
3 группа	Св. 30 до 45	27-29
4 группа	Св. 45 до 60	34-36
5 группа	Свыше 60	40

В результате макетной проработки изделий, изготовленных из исследованных полотен, с применением экспертных методов оценки установлено, что приведенные величины заужения являются предельными и могут применяться без ограничения для гладких полотен плотных структур. В то время как для полотен с фактурной поверхностью и набивным рисунком, а также полотен рыхлых структур данные величины должны быть скорректированы в сторону уменьшения для сохранения эстетических свойств материала.

В главе проведен анализ методов экспериментального исследования релаксации напряжения при фиксированной деформации, который позволил установить эффективность оценки параметров релаксации напряжения по изменению динамических характеристик материалов в ходе выполнения технологических процессов, в частности, по изменению спектра собственных колебаний.

В работе дано теоретическое обоснование связи релаксации напряжения материала при фиксированной деформации с параметрами его вынужденных поперечных колебаний. Известно, что при колебаниях однородной пластины прогиб y(x, t) является функцией линейной координаты (x) и времени (t).

Аналитически получена модель вынужденных колебаний однородного образца материала:

(5)

Результаты компьютерного моделирования представлены на рисунке 7, из которого видна зависимость изменения параметров собственных колебаний пластины из ЛДТМ в процессе релаксации напряжения.

Рисунок 7 – Параметрические колебания легкодеформируемой пластины из текстильного материала (костюмная ткань с вложением эластана типа арт. 2330;Гц; м); МПа, МПа; МПа; МПа; МПа; МПа.

Из общего анализа модели вынужденных колебаний и его графического отображения следует, что при релаксации напряжения легкодеформируемых текстильных материалов и изменяются их динамические свойства и соответственно параметры вынужденных колебаний. Изменяющиеся характеристики вынужденных колебаний при возможности их инструментального определения могут являться информативными параметрами процесса релаксации напряжения при фиксированной деформации, что может быть основой для разработки методов и средств исследования релаксации НДС текстильных материалов легкодеформируемой структуры, что и было предложено использовать в дальнейших теоретических и экспериментальных исследованиях.

Посредством разработки экспериментального стенда были проведены исследования образцов конкретных материалов и получены зависимости, представленные на рисунке 8.

а б

Рисунок 8 - Кинетика процесса релаксации напряжений при постоянной деформации: а) ткань костюмная с вложением эластана типа арт.2330; б) пальтово-костюмное трикотажное полотно типа «Лоден»; 1 - 20С; 2 - 60С; С; С; С.

На базе проведенных экспериментальных исследований установлено, что степень влияния параметров термомеханического воздействия на скорость релаксации напряжения при фиксированной деформации материалов носит нелинейный характер, но их относительные значения для различных видов материалов в фиксированный промежуток времени практически равны, что соответствует теоретическим представлениям о физике процесса.

Теоретические исследования, предложенная методика исследований и полученные экспериментальные данные позволяют утверждать, что релаксация напряжения при фиксированной исходной деформации для разных материалов представляет собой экспоненциальную функцию с различными коэффициентами, зависящими от характеристик волокнистого состава материалов и параметров внешнего воздействия.

Для повышения чувствительности и точности измерения информативных параметров релаксации напряжения материалов при их фиксированной деформации, а также для расширения исследовательских возможностей теоретически обоснован и разработан способ оценки НДС ЛДТМ при их фиксированной деформации, новизна которого подтверждена патентом РФ. Данный способ предусматривает генерацию вынужденных колебаний исследуемого образца текстильного легкодеформируемого материала в звуковом диапазоне, определение и автоматическую запись в процессор информативных параметров, связанных с процессом релаксации напряжения, и расчет на их основе кинетики этого процесса.

В качестве информативного параметра используют резонансную частоту вынужденных колебаний, при этом вынужденные колебания образца материала возбуждают с частотой в диапазоне между двумя значениями его собственных частот, соответствующих исходному и конечному состоянию процесса релаксации, с возможностью визуализации колебаний с помощью строботахометра и регистрации их частоты по условию появления резонанса посредством системы оптоэлектронных преобразователей со встроенным микропроцессором. На рисунке 9 представлена структурная схема системы для его технической реализации.

Кроме рассмотренных в работе предложено еще несколько патентоспособных экспериментальных методов исследования деформационных свойств ЛДТМ рыхлых структур и относительно малой жесткости и технических устройств для их реализации.

К таким методам и устройствам относятся: метод для экспериментального исследования НДС движущихся материалов, основанный на использовании пьезометрических преобразователей; достаточно простой в конструктивном отношении метод исследования релаксации усилия (напряжения) в материалах, основанный на использовании системы специальных пневматических элементов; механическое и автоматизированное устройства для определения коэффициента поперечного сокращения легкодеформируемых материалов (так называемого условного коэффициента Пуассона).

Рисунок 9 - Принципиальная схема для реализации способа оценки напряженно-деформированного состояния легкодеформируемых текстильных материалов

Учитывая необходимость моделирования деформационно-релаксационного поведения материалов не только при выборе режимов технологической обработки изделий, при решении целого ряда вопросов, связанных с проектированием технологического оборудования для производства и переработки текстильных материалов, в работе предложена методика исследования НДС ЛДТМ, основанная на использовании метода конечных элементов (МКЭ). Данный метод позволяет определять распределение НДС при взаимодействии обрабатываемого материала с рабочими органами технологического оборудования. Сущность МКЭ сводится к решению системы матричных уравнений вида:

(6)

где - система сил; K и – соответственно матрица жёсткости и перемещений исследуемого объекта.

Предложенная методика, основанная на использовании МКЭ, апробирована на примере исследования НДС трикотажного полотна арт. 84, движущегося по горизонтальной поверхности разбраковочного экрана 1 контрольно-мерильной машины и взаимодействующего с мерительным роликом 2, с помощью МКЭ (рис. 10).

Принятые значения являются составляющими вектора сил (Р) матричного уравнения (6). Расчёт НДС материала проводился по схеме трёхмерного твёрдотельного проектирования с использованием модуля FEA Calculation 3D. Согласно процедуре моделирования объекта после проверки степеней свободы и состояния равновесия по рассматриваемым нагрузкам запускается опция генерации сетки конечных элементов (рис.11).

Рисунок 10 - Схема действия сил на движущийся материал

Далее определяется количество элементов и узлов сетки, строится и решается система уравнений относительно искомых параметров. Результаты моделирования представлены на рисунке 12 в виде диаграммы перемещений (деформаций) материала, которая отражает степень неравномерности их распределения. При этом наиболее рельефно выделена локальная зона НДС материала, создаваемая его контактом с мерительным роликом 2 (см. рис.10) при выполнении технологической операции измерения линейных параметров движущихся длинномерных материалов.

Рисунок 11 – Схема разбиения объекта на конечные элементы	Рисунок 12 – Характер и значения деформаций материала

Результаты моделирования НДС материалов могут быть представлены как в виде минимаксных значений, так и в виде полного листинга значений напряжений и перемещений во всех узлах генерируемой сетки (в данном случае 15385 узлов).

Количество узлов определяется выбором размера конечного элемента. Полученные расчётные перемещения (деформации) являются одной из составляющих частных погрешностей измерения длины материала, что может быть учтено на стадии проектирования измерительного оборудования и оценки точности воспроизведения заданных функций. В рассмотренном примере по результатам расчёта НДС материала в границах выбранного условного модуля упругости МКЭ получено перемещение узлов по оси X, равное 1,004 мм, что соответствует 0,2 % деформации и вносимой доли погрешности при измерении длины материала.

Методика исследования НДС материалов, проектирования процессов и оборудования для производства и переработки волокнистых материалов с использованием МКЭ позволяет значительно сократить процедуры поиска рациональных технологических и технических решений, обеспечить требуемую точность воспроизведения заданных функций, прогнозировать режимы работы технических средств и вносить необходимые коррективы в конструктивно-технологические параметры создаваемых производственных объектов.

Четвертая глава посвящена разработке методологии проектирования швейно-трикотажных изделий из ВЭМ на основе современных информационных технологий.

На основе анализа содержания и направлений движения информационных массивов и в соответствии с принципами, разработанными на первоначальном этапе исследований, сформирована общая структура ОБДИ производства одежды, в которой выделены общепринятые разделы: нормативно-справочный, долговременный и актуальный.

В нормативно-справочный раздел включены интегрированные информационные объекты (ИО), содержащие нормативно - технические требования и иную информацию нормативно-справочного характера, относящуюся к материалам, изделиям, процессам проектирования изделий, результатам научных исследований. В долговременном и актуальном разделах содержатся данные, формируемые непосредственно самим предприятием. При этом долговременный раздел содержит ИО, включающие в себя сведения многократного использования: «Готовые проекты (архив)», «Сведения о материалах», «Типовые проектные решения», «Сведения об изделиях» и «Тенденции моды на перспективный период». Актуальный раздел отражает оперативную информацию, связанную с принятием проектных решений, относящихся к конкретной модели изделия, находящейся в разработке. Он включает в себя всю проектную документацию, разработанную в соответствии с концептуальным решением, а также такие ИО как «Текущая информация о материалах предприятия» и отчетные документы о результатах контроля качества изделий при их производстве, оценке соответствия, реализации и эксплуатации.

При разработке структуры и содержания интегрированных ИО ОБДИ выделено несколько структурных уровней. При этом в зависимости от наполнения информационного объекта количество выделяемых структурных уровней может быть дифференцированным, чаще всего три или четыре. Например, при разработке структуры и содержания такого информационного объекта как «Типовые проектные решения» целесообразно выделить дополнительные структурные уровни, однако это требует широкомасштабных научных исследований, проведение которых в полном объеме невозможно в рамках данной работы.

В качестве примера на рис. 13 представлена схема детализации ИО долговременного раздела ОБДИ «Сведения о материалах». Данный ИО на втором структурном уровне включает в себя три информационных объекта. Особую важность в данном ИО имеют сведения, включенные в информационный объект «Общие рекомендации по выбору и использованию материалов с учетом их свойств». Включение такого ИО обусловлено слабой формализацией зависимостей между свойствами материалов и принимаемыми проектными решениями, что требует создания некой базы знаний, позволяющей снизить степень субъективности при выборе проектных параметров, а, следовательно, и возможность принятия ошибочных решений. В данном случае возможна дальнейшая детализация структуры на основе признаков, в качестве которых выступают комплексные и единичные показатели качества материалов.

Таким образом, решена одна из основных задач, связанная с формированием интегрированной информационной среды проектирования и производства одежды. Разработанная структура разделов ОБДИ является, по сути, алгоритмом, позволяющим определить принципы ее функционирования.

Рисунок 13 – Содержание ИО долговременного раздела ОБДИ «Сведения о материалах»

При решении задачи, связанной с совершенствованием процесса разработки рациональных конструкций одежды из ВЭМ, предложен общий алгоритм проектирования изделий из высокоэластичных материалов различного назначения, базирующийся на известной методике получения конструкций плотно облегающих изделий спортивного назначения и описывающий последовательность проектных операций.

Принципиальные отличия предложенного алгоритма от ранее разработанной методики заключаются в подходе к расчету конструктивных параметров в части, касающейся получения исходных данных и определения на их основе значений предела заужения и относительного удлинения деталей плотно облегающей одежды.

Разработанная в рамках настоящей работы методика определения исходной информации для учета свойств материалов предполагает выполнение следующих видов работ: расчет базового предела заужения и коэффициента удлинения; корректировка предела заужения.

Базовый предел заужения, Кε, %, определяют расчетным путем (7) по растяжимости полотна, полученной при фиксированной ширине пробы, или в соответствии с рекомендациями табл.1 по группе растяжимости полотна. Предел относительного удлинения, L,%, рассчитывают с учетом степени поперечного сокращения материала (8):

, (7)

(8)

где Кε – базовый предел заужения, ε – растяжимость полотна при фиксированной ширине пробы, L – предел относительного удлинения, %; ε п. с.– степень поперечного сокращения полотна.

Далее производят корректировку базового предела заужения с учетом ряда факторов: динамических приростов, остаточной деформации полотна, колористического оформления и фактуры материала. Кроме того, на участке опорной поверхности переда и спинки корректируют общую величину предела заужения в сторону уменьшения на 5 и 10 % соответственно.

Анализ посадки экспериментальных образцов показал необходимую степень размерного соответствия проектируемых изделий форме тела человека. При этом носчики отмечали достаточно высокий уровень эргономики предметов одежды из ВЭМ не зависимо от вида и назначения изделия.

В целом сущность процесса получения рациональных конструкций плотно облегающих изделий из высокоэластичных трикотажных полотен представлена в виде информационно-логической структуры (рис. 14).

.

Рисунок 14 - Информационно-логическая структура процесса получения рациональных конструкций плотно облегающих изделий

Реализация методики разработки рациональных конструкций плотно облегающих изделий посредством информационных технологий является необходимым условием ее практического использования в соответствии с требованиями современного производства. В соответствии с этим, в дескриптивном виде разработан универсальный алгоритм процесса проектирования изделий из ВЭМ.

Алгоритм включает шесть  взаимоувязанных этапов: 1 - задание исходных данных для построения: базового размеро-роста, прибавок и т. п.; 2 - разработка БК расчётно-аналитическим методом, который основан на единой методике конструирования ЕМКО СЭВ, представляющей собой общепризнанные конструкторские решения и полученные эвристические зависимости; 3 - формирование исходной информации для учета свойств материалов и на ее основе расчет конструктивных параметров для проектирования изделий из ВЭМ, в том числе корректировка предела заужения; 4 - создание ИМК путем модифицирования БК в интерактивном графическом режиме с учетом коэффициентов заужения и относительного удлинения; 5 - создание МК путем введения модельных элементов в ИМК; 6 - разработка лекал и КД. Данный алгоритм практически реализован посредством компьютерной графической системы AutoCAD, и в одной из параметрических САПР одежды - САПР «Julivi» (рис. 15).

Рисунок 15 – ИМК, построенная с использованием САПР «Julivi»

Апробация плотно облегающих изделий из ВЭМ, изготовленных с использованием лекал, полученных посредством программного комплекса «Julivi» показала высокое качество посадки проектируемых изделий, как на манекене, так и на фигуре человека, удобство в динамике и высокую технологичность за счет рационального способа формообразования, гарантирующего логическую взаимосвязь между формой, конструкцией и материалом.

На основе концепции ИПИ-технологий предложены структурные модели информационного взаимодействия проблемно-ориентированных моделей, отражающих общие принципы организации процесса получения рациональных конструкций. В целом разработано шесть структурных моделей с учетом возможности реализации этапов процесса различным путем по критерию выбора конструктивного решения. Разработанные структурные модели могут быть положены в основу разработки алгоритмического и программного обеспечения процесса автоматизированного проектирования одежды из ВЭМ с использованием принципов ИПИ-технологий.

В пятой главе рассматриваются результаты программно-целевых исследований процессов подготовки материалов к производству швейных изделий и технических средств для их обеспечения.

На основе комплексных исследований с использованием методов системного анализа, имитационного моделирования и метода априорного ранжирования однозначно доказана весомость факторов ПРП при оценке их влияния на размерное соответствие, посадку и внешний вид готовых изделий. Таким образом, установлено, что при организации швейного производства, нацеленного на высокое товарное качество и ресурсосбережение, следует учитывать, что такой показатель качества как размерная точность закладывается на стадии выполнения процессов и операций системы ПМкПШИ, представляющей базовую основу построения всего технологического цикла. В связи с этим одной из первоочередных задач, решение которых позволит обеспечить размерную точность, посадку и рациональное использование материалов и, как следствие товарное качество готовых швейных изделий, является разработка технического обеспечения основных и вспомогательных процессов подготовки материалов к раскрою, в том числе ключевых операций, связанных с измерением линейных параметров легкодеформируемых текстильных полотен.

При разработке технических средств для выполнения технологических операций системы ПМкПШИ следует принимать во внимание тот факт, что весь перечень производственно-технологических и технических факторов может быть соотнесён к одному показателю качества подготовительно-раскройных процессов – показателю обеспечения требуемых параметров напряжённо-деформированного состояния материалов в процессе их обработки.

С учетом анализа существующих средств технического обеспечения системы ПМкПШИ сформулированы общие требования, выполнение которых является обязательным при выборе и создании технологии и технических средств ее реализации. В общем случае перечень названных требований определён необходимостью обеспечения заданной точности измерения линейных параметров материалов, минимума их деформации при обработке, автоматизированного режима измерения, регистрации, обработки и передачи информации, производительности технических средств, а также ограничениями по их стоимости.