Электронный научный журнал
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,813

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВОЛНОВЫХ ПРОЦЕССОВ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СВОЙСТВ ОДЕЖНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ДЕФОРМАЦИИ ИЗГИБА

Дремлюга О.А. 1 Шеромова И.А. 1 Железняков А.С. 2
1 Владивостокский государственный университет экономики и сервиса
2 Новосибирский технологический институт (филиал) Московского государственного университета дизайна и технологии
Статья посвящена обоснованию возможности применения параметров механических колебаний для оценки физико-механических свойств волокнистых материалов при деформации изгиба. Объектом исследования являются экспресс-методы определения показателей жесткости и драпируемости текстильных полотен, базирующиеся на использовании волновых процессов. Цель работы – автоматизация процесса и повышение точности определения искомых параметров свойств одежных материалов. Для достижения поставленной цели в работе решен комплекс задач, связанных с анализом существующих методов и технических средств, выявлением и теоретическим обоснованием потенциально возможных путей решения поставленной проблемы, разработкой новых патентоспособных технологических и технических решений для оценки жесткости и драпируемости одежных материалов. В результате проведенных исследований предложены методы исследования характеристик свойств материалов при деформации изгиба и технические устройства для их реализации, обеспечивающие возможность приблизить условия проведения эксперимента к реальным условиям эксплуатации изделий, автоматизировать процесс исследования и повысить точность получаемых результатов. Кроме того, предлагаемые решения обеспечивают расширение технологических возможностей и повышение гибкости процедуры процесса исследования с возможностью формирования электронных баз данных, а также открывают возможности создания алгоритмических манипуляторов для исследования жесткости и драпируемости разного вида одежных материалов.
материалы для одежды
жесткость при изгибе
драпируемость
волновые процессы
механические колебания
методы исследования свойств
прибор для исследования свойств материалов
1. Бузов Б.А. Материаловедение в производстве изделий легкой промышленности (швейное производство) / Б.А. Бузов, Н.Д. Алыменкова. — М.: Академия, 2004. – 448 с.
2. Дремлюга О.А. Компьютерная технология оценки драпируемости легкодеформируемых материалов / О.А. Дремлюга, И.А. Шеромова, Г.П. Старкова, А.С. Железняков // Швейная промышленность. – 2012. – № 3. – С. 23–25.
3. Патент РФ 2413223, 27.02.2011.
4. Патент РФ № 2513637, 20.04.2014.
5. Старкова Г.П. Моделирование динамики напряженного состояния текстильных материалов при фиксированной деформации / Г.П. Старкова, И.А. Шеромова, А.С. Железняков, О.И. Кудряшов // Известия вузов. Технология текстильной промышленности. – 2007. – № 5. – С. 86–91.
6. Шеромова И.А. Механические колебания в задачах исследования жесткости композитных материалов / И.А. Шеромова, О.А. Дремлюга, А.С. Железняков // Швейная промышленность. – 2013. – № 3. – С. 43–44.
7. Яворский Б.М. Справочник по физике: Изд. 2-е, перераб. / Б.М. Яворский, А.А. Детлаф. — М.: Наука, 1985. – 512 с.

При оценке качества одежды показатели свойств, оказывающих на человека эмоциональное или эргономическое воздействие, определяются в основном эвристическими методами, что не позволяет с высокой точностью получать информацию для прогнозирования стабильности проектных параметров готовых швейных изделий в процессе эксплуатации. Для обеспечения сохраняемости потребительских свойств готового изделия на этапе его эксплуатации необходимо с требуемой достоверностью определять перечень его качественных характеристик, зависящих во многом от фактических показателей свойств одежных материалов, устанавливаемых соответствующими стандартами и другими нормативными документами. В перечне свойств, влияющих на внешний вид, размерную точность и формоустойчивость швейных изделий, одно из значимых мест занимают характеристики механических свойств материалов при деформации изгиба, прежде всего жесткость и драпируемость.

К наиболее существенным недостаткам существующих методов и устройств для исследования характеристик свойств материалов при деформации изгиба можно отнести следующие: технологические сложности и значительную продолжительность проведения испытания; практическую невозможность автоматизированного формирования базы данных на электронных носителях информации; несоответствие условий проведения испытаний реальным условиям эксплуатации изделий. Все это предопределяет необходимость поиска новых технологических и технических решений для исследования драпируемости одежных материалов и их жесткости при изгибе.

Цель статьи заключается в автоматизации процесса и повышении точности определения жесткости и драпируемости одежных материалов – одних из важнейших характеристик конструкторско-технологических свойств материалов, обеспечивающих выполнение эргономических требований к швейным изделиям.

Материал и методы исследований

Объектом исследования статьи являются методы оценки жесткости и драпируемости одежных материалов и технические решения для их реализации. В работе использовались общетеоретические методы научных исследований и общеинженерные подходы к разработке технических решений испытательного оборудования.

Результаты исследования и их обсуждение

Практика использования различных физических эффектов для исследования деформационных свойств волокнистых материалов [5] показывает достаточную эффективность применения волновых процессов в данной области.

На первоначальном этапе исследований рассмотрены теоретические предпосылки разработки инструментальных экспресс-методов определения жесткости и драпируемости текстильных полотен на основе использования параметров механических колебаний в качестве информативных при определении характеристик свойств материалов при деформации изгиба. С этой целью в теоретических исследованиях был рассмотрен плоский однородный образец полотна, находящийся под натяжением и закрепленный на концевых срезах. Материал некоторым образом нагружен и сохраняет свое натяжение . Когда на малом участке образца создается поперечное смещение, изменяющееся со временем по закону синуса, то деформация передается от участка к другим элементам образца. В результате возникают две волны, распространяющиеся в противоположных направлениях. После отражения от закрепленных концов образца волны будут двигаться навстречу друг другу [7]. Наступает суперпозиция двух бегущих поперечных волн, в результате чего на образце устанавливается стоячая волна (рис. 1).

Если предположить, что бегущие поперечные волны являются синусоидальными, то они описываются следующими уравнениями.

Прямая волна (распространяется в положительном направлении х):

(1)

обратная волна (распространяется в противоположном направлении оси х):

(2)

где А — амплитуда волны генерируемых колебаний, — круговая частота, — показатель длины волны, — волновое число, — разность фаз колебаний для прямой и обратной волны.

Скорость распространения синусоидальных волн связана с другими характеристиками такими соотношениями, как:

. (3)

Величина в образце определяется не частотой или длиной волны, а параметрами упругой среды, и зависимость имеет следующий вид:

, (4)

где — сила натяжения образца, — линейная плотность, — площадь сечения образца материала.

Материал, закрепленный на обоих концах, ограничивает распространение бегущих волн. В точках закрепления и волны отражаются, имея в этих точках смещение , равное нулю. А в точках, лежащих в интервале смещение равно алгебраической сумме смещений, создаваемых прямой и обратной волной (см. рис. 1), следовательно:

(5)

Рис. 1. Суперпозиция двух бегущих поперечных волн и установившаяся стоячая поперечная волна: 1, 2 — бегущие волны, 3 — стоячая волна

Используя уравнения (1 и 2), после элементарных преобразований получим:

. (6)

Уравнение (6) должно удовлетворять так называемым краевым условиям. Рассмотрим вначале условие, согласно которому смещение равно нулю при для любого момента времени:

. (7)

Из этого заключаем, что , следовательно, Подставив значение в уравнение (7) и заменив функцию косинуса на синус, получим уравнение стоячей волны в виде:

. (8)

Из уравнения (8) следует, что в каждой точке образца происходят колебания одной и той же частоты (той же, что и бегущей волны), но различной амплитуды. Амплитуда стоячей волны определяется как модуль сомножителей, не зависящих от времени, именно:

(9)

Отличие поперечной бегущей волны и поперечной стоячей волны иллюстрируется на рисунке 1. Ближайшее расстояние между двумя точками среды, обозначенное , представляет собой параметр, характеризующий длину стоячей волны.

На основе выполненных теоретических исследований в работе разработаны новые методы оценки драпируемости и жесткости при изгибе для одежных материалов различной структуры и предложены технические средства для их реализации, принципиальные схемы которых приведены на рисунках 2 и 3.

Рис.2. Принципиальная схема технического устройства для исследования драпируемости: 1 — генератор механических колебаний (ГМК); 2 — процессор; 3 — цифро-аналоговый преобразователь (АЦП); 4 — усилитель; 5 — цифровая видеокамера; 6 и 7 — зажимы образца материала; 8 — монтажный кронштейн; 9 — общая стойка для установки, фиксации и возвратно-поступательного перемещения зажима 7 при нагружении и деформации образца; 10 — оптическая линейка для измерения деформации образца; 11 — звено для задания величины нагружения; 12 — винтовая пара для обеспечения нагружения; 13 — шкала для визуализации величины нагружения; 14 — блок сопряжения

Метод оценки драпируемости, подробно описанный в работах [2, 3], заключается в определении коэффициента коррекции количества генерируемых волн квазистоячих колебаний на эталонном образце как информативного параметра. Рассматриваемая задача технологически решается тем, что оценка драпируемости текстильных материалов заключается в определении соотношения количества образующихся на образце стоячих волн для выбранного в качестве эталона образца к величине волн исследуемого -ого образца как информативного параметра коэффициента драпируемости материала. Коэффициент драпируемости - ого образца материала рассчитывают по следующему алгоритму: = , %; = 100, %; = , где — коэффициент драпируемости эталонного материала, определенный методом «иглы» [1]; А — расстояние между концами эталонного образца в подвешенном состоянии; — коэффициент коррекции показателя драпируемости.

способ определения жесткости легкодеформируемых композитных материалов, патент № 2513637

Рис. 3. Структурно-кинематическая схема реализации метода оценки жесткости материалов при изгибе: 1 — ГМК, 2 – процессор, 3 — АЦП, 4 — усилитель, 5 и 6 — зажимы для фиксирования срезов образца материала, 7 — лазерная компьютерная мышь, 8 — подвижная опора, 9 — монтажный кронштейн, 10 — образец

В разработанном способе определения жесткости одежных материалов и других волокнистых систем, подробно описанном в работах [4, 6], в качестве информативного параметра предлагается использовать значение резонансной секундной частоты измеряемого образца, которую определяют путем возбуждения в образце вынужденных поперечных колебаний с частотой 0,1–20 Гц. При этом регистрируют квазирезонансный спектр собственных частот образца с его передачей в память процессора. Параметр жесткости материала с помощью процессора рассчитывают по формуле , где , — соответственно измеренное значение резонансной секундной частоты и погонный вес -ого образца материала; — момент инерции прямоугольного сечения k-ого образца; — параметр -ого резонансного спектра собственных колебаний материала; — гравитационная постоянная. Полученные результаты в виде базы данных сохраняют на электронном носителе информации.

Заключение

Таким образом, в работе однозначно доказана возможность использования параметров механических колебаний при определении характеристик механических свойств одежных материалов при деформации изгиба. Предложенные методы оценки драпируемости и жесткости материалов могут быть отнесены к разряду автоматизированных экспресс-методов. Несомненными преимуществами разработанных способов являются значительное сокращение времени испытания, расширение технологических возможностей, повышение точности определения искомых характеристик и обеспечение возможности формирования электронной базы данных в режиме on-line.

Рецензенты:
Бойцова Т.М., д.т.н., профессор, профессор, директор научно-образовательного центра экологии Владивостокского государственного университета экономики и сервиса, г. Владивосток;

Старкова Г.П., д.т.н., профессор, профессор кафедры дизайна и технологии, начальник отдела организации научно-исследовательской работы Владивостокского государственного университета экономики и сервиса, г. Владивосток.


Библиографическая ссылка

Дремлюга О.А., Шеромова И.А., Железняков А.С. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВОЛНОВЫХ ПРОЦЕССОВ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СВОЙСТВ ОДЕЖНЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ДЕФОРМАЦИИ ИЗГИБА // Современные проблемы науки и образования. – 2015. – № 2-2.;
URL: http://science-education.ru/ru/article/view?id=21541 (дата обращения: 20.02.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074