Разработка методики комплексного проектирования объемных композиционных материалов для швейных изделий

Кризисные явления в мировой экономике и экономике Российской Федерации концентрируют внимание производителей товаров легкой промышленности на решении проблем уровня конкурентоспособности продукции, эффективности производства, снижения материальных затрат. Актуальность проектирования и производства теплозащитной одежды с объемными утеплителями значительно возросла по сравнению с докризисным периодом, так как такая одежда отличается высокой материалоемкостью.

Применение объемных композиционных материалов (ОКМ) вызывает необходимость разработки специальных научно-обоснованных методов проектирования, гарантирующих высокий уровень качества готовой продукции, рациональное использование сырья, снижение энергетических и трудовых затрат. Объединение различных способов фиксации объемных утеплителей и многокомпонентных материалов, полученных с использованием объемных утеплителей, в отдельную группу объемных композиционных материалов позволяет разработать единые подходы к проектированию теплозащитной одежды. В этом случае появляется возможность прогнозирования поведения ОКМ на различных топографических участках тела человека, обоснованного выбора припусков и прибавок, оптимизации конструкций ОКМ в зависимости от величины и характера нагрузок.

В истории развития техники может быть выделено два важных направления: развитие инструментов, конструкций, механизмов и машинразвитие материалов. Эти направления тесно взаимосвязаны. Без развития материалов технический прогресс в принципе невозможен. Историки подразделяют ранние эпохи цивилизации на каменный, бронзовый и железный век. Настоящее время — XXI век можно отнести к веку композиционных материалов (композитов).

Понятие «композиционные материалы» сформировалось в середине ХХ-го века. Но сами композиты — это не новое явление, а только новый термин, сформулированный материаловедами для лучшего понимания генезиса современных конструкционных материалов. Композиционные материалы — искусственные многокомпонентные материалы, состоящие из основы — матрицы, и наполнителей, играющих укрепляющую и некоторые другие роли. Между фазами (компонентами) композита имеется граница раздела. Сочетание разнородных веществ приводит к созданию нового материала, свойства которого существенно отличаются от свойств каждого из его составляющих.

Термин «композиционные материалы» не получил широкого распространения в легкой промышленности, этот термин чаще используют для характеристики товаров легкой промышленности, которые в дальнейшем могут быть компонентами классических композиционных материалов. Например, этот термин можно отнести к техническим тканям, которые в дальнейшем могут армировать различные композиты, выполнять роль своеобразной матрицы.

Многие материалы, используемые для изготовления одежды и обуви, по определению могут быть отнесены к композитам. Это различные искусственные кожи, многослойный текстиль и трикотаж, нетканые материалы и из нескольких составляющих материалов, дублированные материалы и другие.

В настоящее время в область композиционных материалов (композитов) принято включать разнообразные искусственные материалы, разрабатываемые и внедряемые в различных отраслях техники и промышленности, отвечающие общим принципам создания композитных материалов.

Наполнитель, как правило, определяет прочность, жесткость и деформируемость композита, а матрица обеспечивает его монолитность, передачу напряжений и стойкость к различным внешним воздействиям.

Композиционные материалы используются во всех областях науки, техники, промышленности, в т. ч. в жилищном, промышленном и специальном строительстве, общем и специальном машиностроении, металлургии, химической промышленности, энергетике, электронике, бытовой технике, производстве одежды и обуви, медицине, спорте, искусствах и т. д.

Базой для проектирования одежды с объемными композиционными материалами являются работы отечественных и зарубежных ученых: П. А. Колесникова, Р. Ф. Афанасьевой, P.A. Делль, А. Бартона, О. Эдхолма. Проблемам создания перо-пуховой одежды посвящены исследования JI.A. Бек-мурзаева, И. Ю. Бринка, Т. В. Денисовой, Т. Е. Пасековой, О. А. Алейниковой, Е. В. Назаренко и др.

До настоящего времени не разработаны четкие критерии оценки взаимосвязи геометрии пакетов утепляющих материалов с их конструкционным решением, внешними нагрузками и уровнем термического сопротивления. Существующие рекомендации по корректировке лекал швейных изделий не учитывают особенности поведения утеплителей, эти рекомендации не связаны с топографией распределения утепляющего слоя, жесткостью материалов оболочки.

Перечисленные проблемы определили направление и характер исследований, представленных в настоящей работе — анализ конструкционного решения объемных композиционных материалов, комплексное решение вопросов проектирования конструкций OKM как деталей швейных изделий.

Цель диссертационного исследования заключается в разработке единого подхода к конструкционному решению объемных композиционных материалов для швейных изделий на основе комплексных аналитических и экспериментальных исследований свойств исходных материалов и готовых объемных композитов.

В качестве объектов исследований рассматриваются двухи трехслойные объемные композиционные материалы, двухслойные OKM с переборками, швейные изделия на базе этих ОКМ.

Для достижения поставленной цели решены следующие основные научные, технологические и технико-экономические задачи:

— исследование и моделирование свойств исходных материалов при различных нагрузках- ,.

— установление влияния конструкционного решения объемных композиционных материалов на степень соответствия их свойств основным эксплуатационным требованиям при минимизации показателя материалоемкости;

— обоснование характера изменения геометрии отсеков симметричных и асимметричных ОКМ в процессе деформирования под действием внешних нагрузок;

— разработка математической модели взаимосвязи деформации материалов оболочки и утеплителя;

— разработка требований к конструкционному решению деталей одежды на базе объемных композиционных материалов с учетом топографии давлений и теплообмена с окружающей средой;

— разработка обобщенной методики корректировки лекал в соответствии с изменяющейся геометрией отсеков теплозащитной одежды.

Основные методы и средства исследований. В работе использована методология системного подхода к проектированию ОКМ и швейных изделий на базе объемных материалов, методы структурного анализа, компьютерные методы моделирования объектов.

При исследовании геометрии отсеков ОКМ. использованы контактные и бесконтактные методы измерений и фиксации результатов. Для исследований «физико-механических свойств материалов использованы стандартные методики, в том числе для определения объемности утеплителей («FILL POWER» — «F.P» — наполняемость) использована европейская методика.

Исследования осуществлялись с привлечением аналитических, экспериментальных методов, методов планирования и обработки результатов экспериментальных исследований, методов математической статистики. В работе использовались программы Microsoft Word, Microsoft Excel, Maple для операционной системы Windows 2000, Windows XP.

Научная новизна работы заключается в следующем:

— теоретическом обосновании изменения геометрии отсеков объемных композиционных материалов в процессе деформирования под действием внешних нагрузок;

— разработке математической модели конструкционного решения объемных композиционных материалов;

— разработке математической модели процесса деформирования объемных композиционных материалов с вертикальным простегиванием на опорной поверхности;

— теоретическом обосновании конструкционного решения отсеков объемных композиционных материалов переменной асимметрии.

Практическая значимость работы заключается:

— в разработке обобщенного метода корректировки лекал в соответствии с геометрией отсеков теплозащитных пакетов;

— в разработке методики расчета расстояния между строчками простегивания или линиями сварки слоев оболочки ОКМ на этапе эскизного проектирования;

— в разработке методики и экспериментального стенда исследования объемных композиционных материалов при динамических нагрузках;

— в разработке новых конструкций теплозащитных пакетов с вертикальным простегиванием, отличающихся переменной асимметрией вдоль строчек простегивания и жесткостью слоев материалов оболочки.

Апробация и реализация результатов исследования. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на Международной научно-практической конференции «Новые технологии легкой промышленности» в г. Ташкент.

2007 г.) — на конкурсе работ, заявленных по программе «У.М.Н.И.К.» (Шахты 2007 г.) — на Всесоюзной выставке-ярмарке научно-исследовательских работ и инновационной деятельности (ИННОВ-2007, Новочеркасск, ЮРГТУ (НПИ) — на семинаре-совещании заведующих кафедрами «Материаловедение» (г. Москва 2008 г.) — межвузовских и внутривузовских научно-практических конференциях: Ростов-на-Дону (РИС ЮРГУЭС, 2008 г.), Шахты (ЮРГУЭС, 2005 — 2009 гг.).

Разработанные методики расчета конструкционного решения теплозащитных пакетов на опорных участках и корректировки лекал прошли производственную проверку на предприятиях «Меб-Текс» г. Шахты, ООО «Фабекс-Джинс» г. Владикавказ. Результаты и материалы исследования использованы в учебном процессе ГОУ ВПО ЮРГУЭС при выполнении курсовых работ исследовательского характера на стыке фундаментальных дисциплин, при выполнении НИРС и дипломных работ студентов специальности «Технология швейных изделий».

Публикации автора. Основные положения работы опубликованы в 10 статьях, в том числе 2 статьи опубликованы в научных изданиях, рекомендованных экспертным советом ВАК, получено решение на выдачу патента на изобретение.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, списка литературы, включающего 134 источника, заключения и приложений. Работа изложена на 210 страницах, содержит 81 рисунок, 12 таблиц.

Выводы по третьей главе.

1. На основании анализа геометрии и размеров опорных участков тела человека установлено, что максимальное действие нагрузок от веса одежды в статике и динамике сосредоточено в области плечевого пояса. Геометрия плечевого пояса моделируется цилиндром. Диаметр цилиндра может быть выбран исходя из соотношения размеров отсеков и переднезаднего диаметра тела человека.

2. Для исследования геометрии отсеков на опорном участке модернизирован измерительный стенд, состоящий из цилиндрической модели участка плечевого пояса и инструментов измерения угловых и линейных перемещений. В модернизированном стенде участка плечевого пояса предусмотрена возможность использования моделей опорного участка различной геометрии.

3. На базе теоретического обоснования и серии предварительных экспериментальных исследований установлены основные факторы, оказывающие влияние на геометрию отсеков на опорной поверхности: расстояние между строчками простегиваниястепень асимметрии отсека и масса утеплителя в отсеке.

К факторам, которые не изменяются в процессе выполнения экспериментальных исследований, относятся: соотношение между размерами отсека и радиусом модели опорного участка.

4. В результате исследования теплообмена организма человека через теплозащитный пакет на базе асимметричных ОКМ установлено, что для повышения термического сопротивления необходимо проектировать отсеки переменной асимметрии. На опорном участке размер верхнего слоя оболочки между строчками простегивания должен быть больше соответствующего размера нижнего слоя, на вертикальных участках соотношение размеров изменяется на противоположное. Использование ОКМ с вертикальным простегиванием переменной асимметрии повышает термическое сопротивление за счет уменьшения площади теплоотдачи с внешней поверхности одежды.

Новизна технического решения теплозащитного пакета переменной асимметрии подтверждена положительным решением на выдачу патента РФ.

Глава 4 Исследование геометрии отсеков ОКМ, деформированных на цилиндрической поверхности, обоснование основных принципов методики проектирования одежды на базе ОКМ.

4.1 Анализ взаимосвязи свойств объемных композиционных материалов и способов технологической обработки.

В классификации конструкций теплозащитных пакетов [15] основное место занимают пакеты с горизонтальным простегиванием. Использование этих пакетов в одежде увеличивает объем фигуры. Конструктивное исполнение пакетов предопределяет наличие вертикальных складок и заломов в местах наибольшей кривизны сечений тела человека горизонтальными плоскостями. Внедрение пакетов с вертикальным простегиванием исключает подобные недостатки. Вертикальное простегивание позволяет добиться видимой стройности и силуэтного решения теплозащитной одежды [85,86] .

При производстве одежды с объемными несвязными утеплителями возможно применение трех вариантов обработки:

— предварительное стачивание слоев отдельных деталей по контуру, заполнение детали объемным несвязным утеплителем через технологический пропуск в строчке, выстегивание детали по намеченным линиям;

— предварительное стачивание слоев отдельных деталей по контуру, формирование отсеков строчками простегивания, заполнение отсеков объемным несвязным утеплителем через технологические пропуски в строчках;

— комбинированный вариант, при котором для разных деталей или для разных участков одной детали используются разные варианты обработки.

Выстегивание по утеплителю во многом определяет геометрию и физико-механические свойства ОКМ. Так, непосредственно в зоне простегивания не возникает эффекта потери толщины пакета, строчки простегивания захватывают и сжимают до некоторой степени объемный утеплитель. При этом увеличивается жесткость пакета вдоль строчек. По линии строчек происходит своеобразный «излом» материала оболочки за счет упругих свойств утеплителя. В результате такого излома контуры поперечного (относительно строчек простегивания) сечения отсека приближаются к эллиптической форме, что увеличивает условную (эффективную) толщину пакета [92]. При выстегивании предварительно заполненного пакета (детали) возможно изменение плотности наполнителя в смежных отсеках. Градиент плотности заполнения во многом зависит от шага простегивания и от проектируемой поверхностной плотности пакета [47−50] .

Тепло физические характеристики утепляющего слоя одежды с объемными композиционными материалами, несущего основную функцию в обеспечении необходимой теплоизоляции, зависят в первую очередь от толщины этого слоя, во вторую очередь определенное влияние на этот показатель оказывает и волокнистый состав утеплителя. Топографические участки тела человека требуют различной степени теплоизоляции, что предопределяет различное распределение теплозащитных материалов по поверхности тела. На опорных участках и на участках изделия, подверженных воздействию статических и динамических сжимающих напряжений следует увеличить плотность заполнения отсеков. Но эта плотность может быть значительно снижена на участках, на которых отсутствуют напряжения сжатия. Характер изменения толщины пакетов с объемными композиционными материалами оказывает значительное влияние на проектные расчеты термического сопротивления, и нормирования материалов.

Структура несвязного утеплителя определяет конструкцию деталей одежды, которые разбиваются на отсеки строчками простегивания или сварки, препятствующие оседанию перо-пуховой массы вниз изделия, обеспечивая равномерное распределение утеплителя по всей площади детали и заданную толщину утепляющего пакета. При проектировании перопуховой одежды необходимо учитывать природу объемного утеплителя, его физико-механические свойства, конфигурацию отсеков и изменение их размеров после заполнения утеплителем [56,59−61,96−102].

Простеганные теплозащитные пакеты, показанные на рисунке 4.1, представляют собой два слоя материалов оболочки 1 и 2, между которыми располагается объемный несвязный наполнитель 3. В качестве наполнителя могут использоваться различные натуральные и синтетические материалы, структурные элементы которых не связаны между собой. Для закрепления такого утеплителя между слоями оболочки, последние соединяются между собой строчками простегивания 4.

1 2 3 4 1 2 3 4.

Рисунок 4.1 — Простеганные теплозащитные пакеты.

Обычно строчки простегивания располагаются в горизонтальной плоскости (см. рис. 4.1а). В плечевых изделиях разметку начинают с горизонтальной линии, располагающейся на 30−40мм ниже уровня проймы, в поясных изделиях эта линия находится на 30−40мм ниже линии сидения.

Теоретически и экспериментально установлено, что расстояние между строчками при вертикальном простегивании составляет 3 8 см (см. рис. 4.16). Увеличение расстояния ведет к увеличению неравномерности распределения утеплителя по высоте пакета. Такую неравномерность можно уменньшить путем снижения величины расстояния между строчками простегивания. Но в этом случае возникают затруднения при заполнении пакетов утеплителем. Компромиссным вариантом является расстояние между строчками простегивания для вертикальных пакетов 4,5 -ь 6,0 см [86, 87]. В этом случае предусматривается простегивание по заполненному пакету.

При проектировании пакетов с вертикальным простегиванием строчки располагаются следующим образом:

• на переде — параллельно линии края борта или линии полузаноса;

• на спинке — параллельно средней линии спинки;

• на рукаве — параллельно линии, проходящей посередине вдоль детали или параллельно линии, соединяющей концы переднего среза.

• на капюшоне — параллельно лицевому срезу.

На этапе проектирования теплозащитной одежды должны быть-предусмотрены технологичность её изготовления и эксплуатационная технологичность. В процессе эксплуатации одежды наиболее «уязвимыми» с позиций стабильности свойств являются опорные участки. Ярким представителем этих участков является плечевой пояс. На этом участке концентрируются все недостатки одежды с объемными несвязными утеплителями.

В теплозащитной одежде этойгруппы, существует бытовой термин «холодный шов». Под термином холодный шов" понимается* место скрепления слоев оболочки без утеплителя. В зоне холодного шва толщина пакета равна суммарной толщине слоев материала оболочки. Соответственно, термическое сопротивление этого участка на порядок меньше термического сопротивления основного пакета на участках с наличием утеплителя. Проблема усложняется и за счет технологии обработки. Описанный недостаток в полной мере проявляется на участке плечевого пояса с дополнительным уменьшением толщины в зоне, непосредственно прилегающей к плечевому шву. В этой зоне существенно снижена плотность утеплителя за счет смещения в нижние части отсека.

С целью утепления’участка плечевого шва необходимо предотвратить интенсивное смещения утеплителя, предусмотреть его закрепление на этом участке. Анализ путей решения возникшей проблемы показал, что возможно использование следующих вариантов:

— увеличение плотности заполнения отсеков;

— конструктивное решение вопросов снижения давления на этом участке;

— использование на участке плечевого шва иных материалов, которые имеют связи между структурными элементами;

— полное исключение утонения пакета от прокладывания шва на участке плечевого пояса (перенос или исключение плечевого шва).

В настоящей работе детально проработан вариант — «исключение плечевого шва с одновременным конструкционным решением теплозащитного пакета». Предлагается использовать отрезную деталькокетку, цельновыкроенную по плечевому срезу. Предусматривается простегивание предлагаемой кокетки строчками, направленными перпендикулярно линии плечевого шва, то есть — вертикальное простегивание.

4.2 Технико-экономический анализ различных конструкционных решений ОКМ.

Конструктивное решение теплозащитных пакетов пуховой одежды оказывает влияние на качество, во многом определяет себестоимость готовых изделий. Для анализа экономической целесообразности выбора конкретной конструкции теплозащитного пакета необходима систематизация известных конструктивных решений этих пакетов. В настоящее время в основе классификации теплозащитных пакетов с объемными несвязными наполнителями лежит принцип контакта наполнителя с материалами оболочки [15]. Так, во фрагменте классификации, приведенном в таблице, пакеты по этому принципу делятся на двух-, трехслойные и комбинированные (многослойные). В двухслойных пакетах утеплитель контактирует с двумя слоями материалов оболочки, в трехслойных — с двумя слоями материалов оболочки и с промежуточным слоем, выполняющим вспомогательные функции (промежуточный слой противодействует смещению утеплителя в нижнюю часть отсека). Комбинированные пакеты состоят из двух или трех перечисленных пакетов.

В качестве материалов оболочки могут быть использованы как основные, так и прокладочные материалы, отвечающие соответствующим требованиям. Например, материалы оболочки пакета должны иметь небольшие значения коэффициента миграции составляющих перо-пуховой композиции (коэффициент миграции определяется количеством пушин, проникшим на поверхность материала единичной площади). Превышение величины этого коэффициента относительно нормы приведет к снижению качества изделия, резкому спаду покупательского спроса.

Для достижения соответствия направлению моды лицевая сторона оболочки пакета может состоять из двух слоев: наружного и внутреннего, расположение которых показано на рисунке 4.2 Наружный слой лицевой стороны оболочки может быть в виде отдельного от пакета полотна (см. рис. 4.1 А) или может быть выстеган с остальными слоями (см. рис. 4.2Б). Каждый из слоев выполняет конкретные функции: наружный слой определяет художественно-эстетическое восприятие изделия, внутренний слой оболочки (прокладка) удерживает составляющие перо-пухового утеплителя от проникновения на поверхность. Материал подкладки должен иметь малую величину коэффициента трения.

В зависимости от свойств и размеров материалов, формирующих «лицевую» и «изнаночную» стороны пакета, они делятся на симметричные и асимметричные. При изготовлении асимметричных пакетов, ширина материалов оболочки с разных сторон пакета различна (рис. 4.3). Разница в ширине позволяет получить объемную форму при меньшей плотности утеплителя, так как слой оболочки меньших размеров деформирует (стягивает) второй слой материала.

Снижения затрат объемного несвязного утеплителя можно добиться также и при использовании материалов меньшей жесткости с одной из сторон пакета. Анализ объемно-пространственной формы отсека показывает, что геометрия этого отсека должна зависеть от физико-механических свойств материалов оболочки и утеплителей. Чем больше упругость объемного утеплителя и меньше жесткость материалов оболочки, тем меньше будет деформироваться масса утепляющего слоя. Следовательно, будет расходоваться меньше утеплителя для получения заданной толщины.

Заключение

.

1. В результате анализа существующих методов конструктивного решения объемных композиционных материалов (ОКМ) и проектирования теплозащитной одежды на их базе установлено, что основные проблемы в этой области связаны с оптимизацией компонентов объемных утеплителей, снижением давления на объемные материалы и особенностями учета толщины ОКМ в процессе проектирования. Решение этих вопросов создает основу для повышения уровня качества швейных изделий и снижения материалоемкости.

2. На основании анализа теплообмена птиц с окружающей средой аналитически обоснован механизм физической терморегуляции. Установлено процентное соотношение пера и пуха, участвующее в физической терморегуляции гусей и уток: 75/25 по массе и 60/40 по объему (в числителе указано процентное содержание пера, в знаменателе — пуха).

Установлено, что приведенные показатели резко отличаются от рекомендованных соотношений компонентов (20/80 — по массе), принятых в практике производства швейных изделий.

3. В результате аналитического и экспериментального исследований конструктивного решения отсеков ОКМ установлено основное техническое решение снижения давления на утеплитель — использование асимметричных отсеков с вертикальным простегиванием, получена математическая модель взаимосвязи устойчивости формы оболочки отсека до заполнения объемным утеплителем, физико-механических свойств и размеров материалов.

4. На основании составления энергетического баланса «энергия изгиба оболочки — энергия деформации утеплителя» получена математическая модель взаимосвязи изменения плотности объемного утеплителя от свойств компонентов ОКМ и геометрии отсека.

5. Аналитическое исследование деформации ОКМ симметричного и асимметричного конструкционных решений с вертикальным простегиванием на опорных участках позволило установить, что для снижения давления на утеплитель на этих участках необходимо выполнять соединение материалов оболочки с посадкой верхнего слоя относительно нижнего. Степень посадки зависит от отношения толщины ОКМ к радиусу модели опорной поверхности.

6. В результате исследования теплопроводности деталей одежды на базе асимметричных ОКМ установлено, что для повышения термического сопротивления необходимо проектировать отсеки переменной асимметрии. На опорном участке размер верхнего слоя оболочки между строчками простегивания должен быть больше соответствующего размера нижнего слоя, на вертикальных участках соотношение размеров изменяется на противоположное. Использование ОКМ с вертикальным простегиванием переменной асимметрии повышает термическое сопротивление за счет уменьшения площади теплоотдачи с внешней поверхности одежды.

Новизна технического решения теплозащитного пакета переменной асимметрии подтверждена положительным решением на выдачу патента РФ.

7. На основании теоретических и экспериментальных исследований установлено, что для получения устойчивой формы отсеков на опорных участках необходимо использовать материалы повышенной жесткости. Снижение давления на утеплитель при этом достигается введением асимметричного конструктивного исполнения ОКМ с вертикальным простегиванием.

8. Технико-экономический анализ различных конструкционных решений ОКМ позволил установить, что оптимальными вариантами по критерию ресурсосбережения являются двухслойные отсеки с переборками.

9. На основании комплексного анализа ОКМ разработаны общие принципы к конструктивному решению теплозащитных пакетов с учетом топографии внешних нагрузок, которые прошли производственную апробацию.

Реализация конструкционных решений ОКМ с вертикальным простегиванием позволяет снизить плотность заполнения отсеков на опорных участках на 30−40%.

Основные положения работы внедрены в учебный процесс и используются в курсах «Ресурсосберегающие технологии», «Технология швейных изделий» специальности «Технология швейных изделий» .