авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 | 4 |

Проектирование свойств и разработка технологии производства льносодержащих армирующих трикотажных структур для волокнистых композитных материалов

-- [ Страница 2 ] --

Описанная технологическая система может быть интерпретирована как нелинейная колебательная система второго порядка. Поскольку все отложения сосредоточены в волокносборном желобе, т.е. вытянуты в одну линию, систему можно описать волновыми уравнениями для одномерного случая. В общем виде зависимость амплитуды u колебаний линейной плотности волокнистого клина от внешних воздействий F(t) с учетом свойств волокна p, q можно выразить уравнением

. (6)

Внешним воздействием считается отложение осадка, динамика которого выражается уже полученной зависимостью (5). Считая, что за один оборот ротора система получает один импульс от бугорка осадка, с использованием метода Фурье можно получить выражение зависимости амплитуды колебаний линейной плотности пряжи от времени

(7)

или линейной координаты

(8)

с учетом угловой скорости и радиуса r ротора, коэффициента трения и площади взаимодействия отложения с волокнистым клином a; а также содержания в питающей ленте пыли, сорных примесей b. Как видно из полученных выражений, амплитуда колебаний увеличивается с ростом частоты вращения ротора и с уменьшением его диаметра.

График функции (8) и её спектр (рис. 4, 5), полученные в математической программе Origin 6.1, показали, что длина волны преобладающих колебаний кратна длине окружности ротора. Колебания больших длин волн образуются при наложении утолщенных мест волокнистого клина друг на друга при вращении ротора.

Судя по выражению (8) и результатам эксперимента (рис. 6), влияние массы отложений на относительную амплитуду колебаний i с течением времени увеличивается, сглаживаясь по экспоненциальному закону.

Для выявления пороговых значений количества отложений в роторе, при которых образуется периодическая неровнота пряжи, приводящая к «муаровому эффекту», т.е. для определения порога муарности в работающей прядильной камере, были искусственно смоделированы отложения в виде кусочков медной проволоки заданной массы и размера. Чистка камеры во время работы позволила исключить случайные загрязнения. Результаты испытаний пряжи на лабораторном комплексе Uster Tester II (с получением спектрограмм по каждому варианту) и Uster Tensorapid позволяют утверждать, что искусственные отложения вызывают периодическую неровноту с длиной волны, кратной длине окружности ротора (рис. 7, а). С увеличением размера отложений наблюдается явная тенденция к увеличению амплитуды колебаний периодической неровноты и, как следствие этого, ухудшение физико-механических свойств пряжи, а также увеличение содержания пороков в ней. Характерный пик спектра с длиной волны в 5 и 10 см указывает что ткань, полученная из этой пряжи, будет иметь ярко выраженную «муарность». При долгой работе прядильной камеры без обрыва происходит значительное накопление отложений (см. рис. 7, а). Искусственный обрыв с последующей чисткой ротора позволяет полностью устранить этот эффект (рис. 7, б).

На графиках рис. 8 – 10 показаны зависимости качественных показателей пряжи от времени безобрывной работы камеры, т.е. времени накоп- ления отложений. Видна явная тенденция к ухудшению этих показателей. Искусственное повышение обрывности не может быть принято как мероприятие по улучшению качества пряжи из засоренного сырья, поэтому в данном случае будет приемлемо максимальное обеспыливание волокнистого полуфабриката на стадии подготовки к прядению и более частая плановая чистка камер.

В третьей главе дано теоретическое и практическое обоснование использования основовязальной машины ОВ-160, работающей по принципу тамбурного петлеобразования для получения трикотажных полотен из грубой льносодержащей пряжи. Для производства армирующих текстильных каркасов композиционных материалов важно использовать недорогое сырье, обеспечивающее необходимые эксплуатационные свойства изделия. С этой целью предлагаются основовязаные сетки из льносодержащего сырья, в качестве которого применяется пневмомеханическая пряжа из оческовой льняной смески или смеси низкосортного хлопка с короткими или котонизированными волокнами, полученными из льняных отходов. Подобная пряжа обладает достаточной прочностью, эластичностью и растяжимостью, адгезионными свойствами по отношению к полимерной матрице композита, к тому же она биоразлагаема. В то же время эта пряжа обладает повышенной рыхлостью, неравномерностью по линейной плотности и разрывной нагрузке. Волокна, из которых она состоит, более жесткие и ломкие по сравнению с обычным сырьем, применяемым для трикотажных изделий. Переработать такую пряжу на обычных основовязальных машинах практически невозможно, поскольку главными требованиями к исходным нитям являются эластичность, минимальная неравномерность по линейной плотности и прочности, гладкая поверхность с невысоким коэффициентом трения. Основной причиной обрывности нити является превышение ее натяжения по сравнению с разрывной нагрузкой. Натяжение нити при огибании рабочих органов определяется по известной формуле Эйлера

, (9)

где Р0 – натяжение в набегающей ветви; – коэффициент трения нити о металл; i – угол охвата; n – число одновременно взаимодействующих с нитью игл и платин.

Очевидно, что с уменьшением диаметра огибаемой поверхности натяжение нити заметно увеличивается (рис. 11). Особенно важен данный момент при переработке льняной пряжи, изгибная жесткость которой в значительной степени зависит от угла изгиба (рис. 12). Повышенная жесткость льняной пряжи увеличивает вероятность слета петель с иглы. Указанные особенности делают практически невозможным переработку льняной пряжи на обычных трикотажных машинах. Однако можно утверждать,

что наиболее приемлемой технологией вязания полотен из грубой пряжи является тамбурный способ петлеобразования. Он реализован на основовязальной машине ОВ-160, выпускаемой Шуйской машиностроительной компанией по лицензии итальянской фирмы Caperdoni. Петлеобразующим органом на этой машине является изогнутый трубчатый крючок (рис. 13). Нить проходит по дуге внутреннего канала изогнутой трубки, диаметр изгиба которой в десятки раз больше диаметра иглы, к тому же на этой машине отсутствует операция кулирования. Поэтому натяжение нити при подводе ее в зону петлеобразования минимально. Общее натяжение нити в процессе петлеобразования можно рассчитать как сумму натяжений в зонах А – Г (см. рис. 13).

Натяжение нити в каждой зоне с учетом натяжения в предыдущей зоне определяется по следующим формулам:

натяжение нити в зоне А ; (10)

натяжение нити в зонах Б и В ; (11)

натяжение нити в зонах Б, В и Г с учетом изгибной жесткости

; (12)

натяжение нити в зоне Г с учетом взаимного трения двух нитей

, (13)

где Е – продольный модуль упругости нити; R – радиус огибаемого цилиндра; R0 – эффективный радиус нити; f – коэффициент трения между двумя нитями; d – диаметр нити; l – длина сгибаемой ветви нити (столбика петли); T – сила трения; – удлинение нити при растяжении; Т – коэффициент крутки пряжи; – объемная плотность нити.

По суммарному натяжению определяется внутреннее напряжение нити

(14)

с учетом упругих свойств нити, ее плотности, диаметра, крутки и удлинения при растяжении. Этот показатель дает возможность оптимально подбирать пряжу по прочности. Кроме этого, определив общее натяжение всех нитей основы на машине, можно оптимизировать вращающий момент на оттяжном валу.

В четвертой главе выявлены основные характеристики армирующих структур и методы их определения.

При формовании композитных материалов объемных форм важно, чтобы текстильный армирующий слой получал минимальные и равномерные деформации во всех направлениях с сохранением целостности и стабильности структуры. При объемной деформации можно считать, что элементарный участок полотна испытывает двунаправленные напряжения в плоскости, которые составляют 60-70% общего напряженного состояния и требуют учета деформируемости материала в двух направлениях. В основовязаном трикотаже деформация будет сложнее, чем в ткани, поскольку имеющиеся связи между нитями распределены во многих направлениях, а растяжимость структуры обеспечивается работой нитей не только на растяжение, но и на изгиб. Существенное влияние на деформационные свойства трикотажа оказывает трение между нитями при их взаимном смещении в узлах ячейки. Кроме того, в трикотаже при снятии нагрузок значительно заметнее релаксационные процессы и явления гистерезиса. Все это дает основание со значительной долей вероятности считать, что в макрообъемах полотно будет однородно вязко-упругим, испытывающим упругие деформации от сил сжатия-растяжения Rij, по нормали к поверхности элементарной площадки и частично необратимые касательные деформации сдвига, определяемые силами трения Tij. В этом случае деформированное состояние полотна описывается нижеперечисленными уравнениями, дающими зависимость нормальных и касательных напряжений от величины внешней силы и вязко-упругих свойств самого материала с учетом связанности нитей силами трения.

; ; ; ; (15)

; ; (16)

; ; , (17)

где – коэффициент Пуассона; Е – модуль упругости; – проекции линейного перемещения при деформации по осям координат.

Для области предельного состояния полотна, после которого деформации необратимы, можно использовать уравнение

Т=, (18)

где Но – связность; – среднее нормальное напряжение; – коэффициент трения; S – интенсивность скоростей деформации сдвига.

При этом

; ;

, (19)

где k1 – модуль объемной вязкости.

Интенсивность скоростей деформации сдвига определяется зависимостями вида:

; ; . (20)

Величина определяет угловые скорости деформации сдвига.

Таким образом, используя зависимости (15) – (20), можно рассчитать деформации трикотажного полотна при многоосевых нагрузках. Значения удлинения и модуля упругости для экспериментального образца основовязаного тамбурного трикотажа были получены при его испытаниях на универсальной измерительной установке «Инстрон 1122» при скорости деформирования 200 мм/мин и базовой длине образцов L=100 мм. В ходе испытаний получена зависимость удлинения от нагрузки Р, представленная на графике (рис. 14). Диаграмма растяжимости полотна показывает, что, пока нагрузка на образец не достигла известного предела, растяжимость прямо пропорциональна растягивающей силе Р и обратно пропорциональна площади поперечного сечения F образца, т.е. соответствует закону Гука. Эксперимент показал, что для зон полотна, не усиленного утком, отношение растяжимости вдоль и поперек основы стабильно для всех образцов и находится в пределах 1,3-1,7, что дает возможность судить о равномерности распределения нагрузки на все элементы структуры. Для сравнения – у ткани этот показатель в пределах 1,9-3,1.

Для определения многоосных деформаций и прочности полотен ткани, трикотажа, нетканых материалов при полуцикловых (разрушающих) и многоцикловых нагрузках с записью диаграмм растяжения по каждой оси в отдельности и статистической обработкой результатов нами предложен прибор, конструкция которого защищена патентом РФ на полезную модель. Прибор имеет полусферическое нагружающее устройство, способное производить продавливание до разрушения образца или многоцикловые воздействия без разрушения. Деформации образца фиксируются тензодатчиками, установленными в 16 зажимных устройствах, т.е. имеется возможность определять упругие свойства образца по 8 осям.

В пятой главе рассмотрены механические свойства трикотажа как ячеистой структуры. Для моделирования механических свойств трикотажной петли предложен ее шарнирно-стержневой эквивалент, в котором упругие стержни имитируют нить, а шарниры – точки изгиба и контакт с нитями соседних петель. На рис. 15 и 16 представлены структуры кулирного и основовязаного трикотажа и их шарнирно-стержневые эквиваленты соответственно. Можно считать, что в кулирном трикотаже петля уже находится в состоянии, близком к предельному, поэтому при продольных нагрузках растяжение значительно ниже, чем при поперечных. Напротив, в петле основовязаного трикотажа в отсутствие нагрузки стержневые элементы находятся в среднем положении, поэтому растяжимость этой структуры в продольном и поперечном направлениях практически одинакова. Кроме того, угол перегиба нитей в узлах значительно меньше, а значит, меньше силы трения между ними, и за счет этого длина стержней при нагрузке изменяется больше. Следовательно, основовязаный трикотаж более эластичен и поэтому предпочтителен при использовании в качестве текстильной основы композитных материалов, особенно при формовании трехмерных деталей.

Продольную силу, приложенную к стержню при растяжении ячейки, можно выразить уравнением

. (21)

Она зависит от площади поперечного сечения s и модуля упругости нити E, коэффициента k и площади f поверхности трения между нитями в узлах ячейки с учетом стягивания а = а (xi, yi) и определяется вектором узлового перемещения xi, yi.

Механические свойства ячейки основовязаной структуры в соответствии с методом конечных элементов можно представить в виде матрицы жесткости

или , (22)

на основе которой за счет поэлементного объединения можно получить результирующую систему уравнений

или , (23)

где матрица есть матрица жесткости системы, – расширенная матрица жесткости элемента, – вектор узловых смещений системы.

Наглядное представление данной модели как стержневой системы можно реализовать в программной среде MatLab 6.5, используя пакет визуального программирования SimuLink. Блок-схема имитационной динамической модели вязкоупругих свойств основовязаного трикотажа приведена на рис.17.

Модель позволяет имитировать реакцию стержневых и шарнирных элементов на импульсный входной сигнал генератора IC и получать фазовый портрет перемещения узлов ячейки, осциллограммы угла поворота, угловой скорости, силы реакции и сил трения в узлах ячейки (рис. 18, 19). Как видно на графиках, силы реакции в узлах максимальны при наибольших углах поворота и угловой скорости.

С целью облегчения расчета элементарной ячейки трикотажного полотна и подтверждения адекватности разрабатываемых конечно-элементных моделей был создан программный продукт на основе языка программирования Visual Basic, позволивший получить расчетные нагрузки и деформации при растяжении трикотажного полотна. Для совместного использования с программой расчета с целью ускорения поиска и ввода исходных данных, хранения расчетных параметров и сравнения их с результатами эксперимента была создана база данных на основе средства разработки Microsoft Access 2003 в виде авторского программного продукта, защищенного патентом. Результаты моделирования на уровне ячейки периодической структуры трикотажного полотна и макрорасчеты упругих свойств трикотажа дают возможность проектирования армирующего волокнистого наполнителя композиционных материалов с прогнозированием его механических характеристик.

Наряду с деформационными характеристиками, теплопроводность является одним из важных свойств композитного материала, если он используется для защиты от опасного термического фактора, например, в боевой одежде пожарного. Для усиления теплоизоляционных свойств основного комплекта БОП предлагается применять внутренний слой из льняного трикотажа. Льняное волокно обладает высокими термоизоляционными и термостойкими свойствами, которые усиливаются ячеистой пористой структурой трикотажного полотна. В критических зонах, т.е. в местах контакта с разогретыми предметами (обычно это плечевые ремни дыхательного аппарата), или на выступающих поверхностях (например, плечевой пояс, грудь, бедра, колени)

трикотажный слой можно усилить, уплотнив структуру или введя уточные нити. Для проектирования подобного комплекта необходимо рассчитать теплопроводность многослойной оболочки с учетом теплоизоляционных свойств волокна, структуры трикотажа, тепловыделений человека, внешнего температурного поля (рис. 20). Подобную задачу можно решить, используя уравнения теплопроводности в применении метода конечных элементов. Для каждого конечного элемента записывается функционал распределения температур с учетом коэффициентов теплопроводности каждого слоя r, z, rz; интенсивности теплового потока через границу слоя q; фактора времени t; толщины материала ; интенсивности внутренних источников теплоты (тепловыделения тела человека) Q; удельной теплоемкости материала на единицу объема с; коэффициентов теплоотдачи и температуры среды на границе слоя , Tb; теплоотдачи через излучение при температуре излучающей поверхности Ти; контактных напряжений k (в области контакта с разогретым предметом Lk).

Тогда

(24)

Внешнее температурное поле задается в виде матрицы, которая указывает температуру в узловых точках вокруг рассматриваемой оболочки в полярных координатах. Вся оболочка разбивается на l конечных элементов, аналогичных элементу петельной структуры основовязаного трикотажа (рис. 21).

Разбиение области и условия непрерывности позволяют записать функционал (24) в виде:

. (25)

Температура внутри оболочки при стационарном процессе нагрева определяется по соотношению

, (26)

где – значение температуры в узлах сетки (рис. 21); – матрица жесткости элемента е, составленная из коэффициентов теплопроводности.

Для нее составляется глобальная матрица теплопроводности, по которой можно рассчитать температуру внутри оболочки:



Pages:     | 1 || 3 | 4 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.