Разработка способа проектирования тканых бесшовных оболочек

Современный уровень развития науки, техники и общественного устройства ставит перед швейной промышленностью такие задачи, решение которых требует разработки новых технологий и перехода на принципиально новый уровень производства текстильных изделий.

Если ранее повышение качества швейных изделий в значительной мере зависело от совершенства конструкции и метода производства, то в сложившихся условиях быстроразвивающегося рынка спецодежды и технических материалов помимо точного задания внешней формы конструкции нередко требуется, чтобы изделие обладало специфическими свойствами, такими как двусторонность, бесшовностъ, формоустойчивость и так далее. Для решения этих задач прибегают к разработке новых методов производства текстильных изделий, в том числе к проектированию бесшовных изделий.

Наиболее применяемым на сегодняшний день способом получения бесшовных оболочек является производство нетканых изделий. Такие изделия имеют широкий спектр применения, как в одежде, так и в технических отраслях, но они обладают одним существенным недостатком: необходимо изготовление форм внешнего вида для каждого отдельного вида изделия. Помимо этого, из-за отсутствия сетчатой структуры, не достигаются те свойства, которые присущи ткани, что ограничивает ассортимент изделий. Более приближенным к тканым изделиям по своим свойствам являются трикотажные изделия.

Методы изготовления цельновязанных изделий широко изучены и продолжают совершенствоваться в настоящее время. Но, как известно, трикотаж не может полностью заменить тканые полотна, так как он обладает анизотропией свойств, а также плохо сопротивляется деформационному воздействию и накапливает остаточную часть деформации, что ведет к потере изначально заданной формы и ухудшению внешнего вида изделия. Поэтому область применения трикотажных изделий не выходит за рамки обычных предметов одежды.

Таким образом, для удовлетворения всех требований, предъявляемых к объемным бесшовным изделиям как бытового, так и технического назначения, целесообразно использовать цельнотканые оболочки. Однако существующие методы проектирования цельнотканых оболочек не получили широкого применения из-за таких недостатков, как неравномерность структуры, неустойчивость к деформационным воздействиям и невозможность резкого изменения кривизны поверхности создаваемой объемной оболочки. Разработка нового способа проектирования бесшовных тканых оболочек, устраняющего эти недостатки, позволит расширить область применения цельнотканых текстильных изделий.

Технология изготовления одежды ткачеством является актуальным вопросом так как производство цельнотканых изделий обеспечивает значительное снижение материалоемкости и трудоемкости за счет ликвидации ряда швов и припусков к ним, а также сокращения трудовых и материальных затрат на операциях подготовительно-раскройного и швейного производства. Высока эффективность и перспективность применения способов проектирования цельнотканых оболочек для изготовления специальной одежды и тканых изделий специального назначения, где наличие излишних швов значительно ухудшает их эксплуатационные свойства и надежность, а в ряде видов и узлов одежды и изделий являются недопустимыми.

Объемные цельнотканые оболочки являются трехмерными объектами, поэтому для их проектирования не подходят существующие методики конструирования, основанные на аппроксимированном построении разверток поверхностей. Разработка способа проектирования, все этапы которого осуществляются в трехмерном пространстве, позволит повысить точность проектируемых объектов, а так же в перспективе максимально автоматизировать процесс проектирования и изготовления оболочек.

Использование ткацких переплетений, состоящих из двух систем нитей, в бесшовных оболочках оказалось не перспективным из-за ряда недостатков, указанных выше, поэтому разработку нового способа проектирования цельнотканых изделий целесообразнее осуществлять на базе модифицированных видов переплетений, обладающих минимальной анизотропией свойств. При этом введение модифицированных видов переплетений требует детального исследования их свойств как в плоских тканях, так и в объемных оболочках.

Перспективность исследований в направлении решения вопросов разработки новых способов проектирования бесшовных оболочек показали разработки МТИЛПа, ЦНИИШПа, текстильного центра США.

Цель работы — разработка способа проектирования объемных тканых бесшовных оболочек, обладающих равномерной структурой, формоустойчивостъю и точностью повторения формы одеваемой поверхности. Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

— анализ способов проектирования цельнотканых оболочек;

— исследование тканей с двухниточными и трехниточными переплетениями на предмет перспективности их использования при производстве цельнотканых оболочек;

— разработка методики проектирования цельнотканых оболочек, состоящих из трех систем основных нитей и дополнительных формообразующих нитей;

— проектирование и практическое изготовление цельнотканой оболочки полусферы;

— разработка методики оценки свойств объемных цельнотканых оболочек и экспериментальное исследование свойств цельнотканой оболочки полусферы.

Основные методы исследования. В работе использовались методы трехмерного описания пространственных моделей, методы аппроксимации и интерполяции, основные положения теории алгоритмизации и программирования, принципы неевклидовой геометрии. В работе использовались программы Microsoft World, Microsoft Excel, AutoCAD, Adobe Photoshop для операционной системы Windows XP.

Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в том, что в ней:

— обоснована целесообразность использования трехниточных переплетений при проектировании цельнотканых оболочек;

— разработан способ изготовления объемных цельнотканых оболочек, при помощи трех видов основных нитей и дополнительных, позволяющего изготавливать оболочки с различным радиусом кривизны;

— выявлены особенности структуры цельнотканых оболочек с треугольными элементарными ячейками;

— разработана классификация трехниточных переплетений;

— разработана методика введения дополнительных формообразующих нитей в структуру оболочки;

— разработан способ проектирования цельнотканых оболочек, состоящих из трех систем основных нитей, основанный на методе триангуляции объемных поверхностей;

— разработана методика оценки свойств объемных цельнотканых оболочек. Практическая значимость работы заключается в:

— разработке способа проектирования цельнотканых оболочек с равномерной структурой, формоустойчивостью и точностью повторения формы одеваемой поверхности;

— разработке классификации и рекомендаций по использованию в цельнотканых оболочках трехниточных переплетений;

— возможности реализации предложенного способа создания тканых бесшовных оболочек в промышленных условиях по малооперационной технологии с полной или частичной автоматизацией процесса производства.

Достоверность проведенных исследований подтверждена корректностью теоретических предпосылок постановки задач и современными методами их решения, использованием известных положений фундаментальных наук, сходимостью полученных теоретических результатов с данными эксперимента и результатами промышленной апробации созданной цельнотканой оболочки. Достоверность новизны технического решения подтверждается патентом на изобретение «Тканая бесшовная оболочка».

Апробация и реализация результатов исследования. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и получили положительную оценку на 54-ой научной внутривузовской конференции «Молодые ученые — XXI веку», на ОАО НПО «Звезда». На основе разработанной методики проектирования цельнотканых оболочек проводится разработка методики проектирования узлов силовой оболочки скафандра космонавта в рамках договора о творческом сотрудничестве с ОАО НПО «Звезда». Результаты и материалы исследования использованы в учебном процессе МГУДТ при выполнении дипломных и научно-исследовательских работ студентов специальности 28.08.00 «Технология швейных изделий».

Публикации. Основные положения работы опубликованы в двух тезисах докладов и пяти статьях, включая патент № 2 208 072 на изобретение «Тканая бесшовная оболочка».

Структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы, включающего 73 наименований. Работа изложена на 152 страницах машинописного текста, содержит 29 рисунков, 14 таблиц.

Основные результаты работы и выводы.

1. Анализ современного уровня развития технологии производства тканых изделий показал необходимость дальнейшей разработки методов проектирования тканых бесшовных оболочек, так как это направление является перспективным в проектировании малооперационных технологий, позволяет объединить процессы ткацкого и швейного производства в один непрерывный процесс, уменьшить материальные затраты за счет сокращения потерь материалов и повысить качество и точность проектируемых объектов.

2. Теоретически обоснована необходимость использования неевклидовой геометрии при проектировании тканых оболочек, так как автоматические системы проектирования CAE/CAD/САМ основаны на принципах топологических многообразий, а геометрическое моделирование в трехмерной среде проектирования позволяет существенно сократить время и материальные затраты на производство проектируемых объектов и повысить их качество.

3. Проведенные исследования и сравнительная характеристика свойств тканей, состоящих из двух и трех систем нитей, показали, что образцы тканей, состоящие из трех систем нитей обладают меньшей анизотропией свойств и более устойчивой структурой, характеризующейся меньшим изменением сетевых углов, и наиболее приемлемы для проектирования объемных цельнотканых формоустойчивых оболочек.

4. На основании анализа существующих методов проектирования и изготовления бесшовных оболочек разработан перечень требований, которым должна соответствовать цельнопсаная оболочка.

5. Разработан способ изготовления цельнотканых оболочек, основанный на введении дополнительных формообразующих нитей в трехниточную систему ткани, позволяющий усовершенствовать конструкцию и эксплуатационные качества бесшовных изделий. Новизна разработанного способа проектирования цельнотканых оболочек подтверждена патентом на изобретение «Тканая бесшовная оболочка» за № 2 002 109 757.

6. Разработан метод формообразования, основанный на введении в трехниточную систему ткани дополнительных нитей с точками перегибов, обеспечивающий надежность структуры ткани и расширяющий возможности создания объемных цельнотканых форм за счет того, что изменение кривизны проектируемой оболочки возможно выполнять по трем направлениям.

7. Разработаны главные виды трехниточных переплетений и их классификация по видам расположения нитей застилованализ особенностей введения дополнительных нитей, как формообразующих и декоративных элементов, показал перспективность использования трехниточных переплетений для производства широкого ассортимента цельнотканых изделий бытового и технического назначения.

8. Обосновано, что все этапы проектирования объемных бесшовных изделий необходимо осуществлять в трехмерной среде проектирования с использованием измерительных инструментов ЗО-мерности для определения параметров проектируемой поверхности, и аналитическим расчетом свойств и деформационно-напряженного состояния структуры цельнотканых оболочек.

9. Разработан способ проектирования цельнотканых оболочек, состоящих из трех систем основных нитей, основанный на методе триангуляции объемных поверхностей.

10.Разработаны алгоритмы расчета триангуляции для оболочек с горизонтальным и спиралевидным расположением исходных нитей, позволяющие проектировать цельнотканые изделия различных объемных форм с равноплотной структурой.

11.Разработана общая методика оценки свойств объемных цельнотканых оболочек, ориентированная на особенности структуры цельнотканых оболочек и позволяющая проводить исследования оболочек любой объемной формы с возможностью представления результатов испытаний в компьютерном варианте.

12.Исследование свойств изготовленной цельнотканой оболочки полусферы показали, что при приложении деформационного усилия происходит минимальное изменение сетевых углов в тканой структуре, а максимальную долю деформации составляет обратимая часть полной деформации, что свидетельствует о стабильности тканой структуры и повышенной формоустойчивости цельнотканых оболочек с трехниточным переплетением.

13.Промышленная апробация результатов работы на ОАО «НПО Звезда» при изготовлении участка локтевого гофра силовой оболочки скафандра космонавта показала перспективность разработок по внедрению бесшовных технологий в производство силовой оболочки скафандра космонавта.