Моделирование и прогнозирование деформационных процессов полимерных парашютных строп

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Моделирование и прогнозирование деформационных процессов полимерных парашютных строп

Специальность:

05.19.01 - материаловедение производств текстильной и легкой

промышленности

Каланчук Олег Эрихович

Санкт-Петербург, 2010

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный университет технологии и дизайна"

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Макаров Авинир Геннадьевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Цобкалло Екатерина Сергеевна

кандидат технических наук, доцент Горшков Александр Сергеевич

Ведущая организация: ООО Институт технических сукон, г. Санкт-Петербург

Защита диссертации состоится "21" сентября 2010 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.236.01 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный университет технологии и дизайна" по адресу: 191186, Санкт-Петербург, ул. Большая Морская, 18, ауд. 241.

Текст автореферата размещен на сайте СПГУТД: http:/www.sutd.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета

Автореферат разослан "20" августа 2010 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета А.Е. Рудин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертационной работы обоснована необходимостью изучения деформационных свойств материалов, применяемых в парашютостроении, где используются технические изделия в виде тканых лент, шнуров и тканей из синтетических нитей. При эксплуатации указанные материалы, как правило, подвергаются большим нагрузкам, действующим в течение малых времен. При этом максимальная эксплуатационная нагрузка принимает значения до 30% от разрывного усилия. Работоспособность реальных изделий, в основном, определяется деформационными свойствами используемых материалов. Исследования деформационных свойств составляют одну из основных задач текстильного материаловедения. Современные методы оценки деформационных свойств и прогнозирования деформационных процессов основаны на математическом моделировании одноименных процессов, которое возможно лишь на основе учета экспериментальных данных. Для моделирования деформационных свойств часто бывает достаточным проведение кратковременного эксперимента, что, несомненно, облегчает и удешевляет исследования. Выборочный повторный эксперимент бывает необходим для подтверждения адекватности построенной математической модели деформационных свойств и определения степени достоверности прогнозирования одноименных процессов. парашютный стропа компьютерный плотность

Известные и широко применяемые в настоящее время методики прогнозирования деформационных процессов синтетических волокон и нитей не всегда применимы для исследования аналогичных свойств текстильных материалов более сложной макроструктуры типа шнуров, лент, тканей и т.п. Указанная сложность исследования вызвана тем, что механическое поведение таких материалов зависит не только от деформационных свойств образующих материал нитей, но и от структуры переплетения нитей в материале и других геометрических факторов.

Особую актуальность имеют исследования и прогнозирования деформационных свойств парашютных стоп, относящихся к классу вязкоупругих твердых тел, в области действия неразрушающих нагрузок, близких к условиям их эксплуатации, т.к. для эксплуатации парашютов первоочередную роль играет его надежность, исключающая разрушение парашюта силовыми нагрузками. Такие исследования возможны на основе математического моделирования процессов деформирования, которые включают в себя как вязкоупругую релаксацию, так и вязкоупругую ползучесть.

Разработка численных методик расчета деформационных процессов парашютных строп и - на их основе - компьютерных программ неразрывно связано с решением задач по сравнительному анализу свойств материалов, с исследованиями взаимосвязи свойств со структурой, с целенаправленным технологическим регулированием свойств, а также с прогнозированием кратковременных и длительных механических воздействий.

На изучаемые деформационные свойства парашютных строп оказывают влияние различные факторы. Среди них основными являются: температурные воздействия, влажность, различные погодные условия, а также уровни и длительности механических воздействий.

Для сравнительного анализа и прогнозирования деформационных свойств парашютных строп необходима разработка адекватной математической модели на основе физически обоснованного аналитического описания вязкоупругости. Следует заметить, что изучение механических свойств парашютных строп, проявляющихся в условиях эксплуатации, гораздо сложнее, чем измерение только лишь разрывных характеристик, по которым нельзя получить полноценную объективную оценку свойств материала. Особую ценность имеет решение задачи прогнозирования деформационных процессов для парашютных строп, когда помимо сопоставления их механических свойств, приходится учитывать и условия эксплуатации.

Появление современных материалов для изготовления парашютных строп обосновывает поиск новых математических моделей деформационных свойств и применение для их исследования соответствующих компьютерных методов обработки экспериментальной информации. Создание новых методов исследования механических свойств парашютных строп способствует повышению достоверности прогнозирования деформационных процессов.

Работа выполнялась в рамках тематического плана министерства образования и науки РФ 2009 года «Лентек. 1.1.09. «Компьютерное моделирование, прогнозирование и методы исследования механических вязкоупругих свойств технического текстиля. Фундаментальные исследования»», а также в рамках грантов аналитической целевой ведомственной программы министерства образования и науки РФ «Развитие научного потенциала высшей школы 2009-2010 гг.» 2.1.2/4466 «Развитие концепции создания комбинированных и многослойных структур на основе анизотропных волокнистых элементов и разработка физических и биохимических методов оптимизации их функциональных свойств», 2.1.2/3270 «Разработка методов решения актуальных нелинейных задач механики мягких оболочек, армированных текстильными структурами».

Цель работы состоит в разработке комплекса компьютерных методов исследования вязкоупругих свойств и прогнозирования деформационных процессов парашютных строп на основе математического моделирования вязкоупругости.

Основными задачами исследования являются:

- разработка компьютерных методик прогнозирования релаксации и ползучести парашютных строп;

- разработка компьютерных методик прогнозирования деформационных и восстановительных процессов парашютных строп;

- разработка программного обеспечения, позволяющего производить расчет упругих, вязкоупругих и пластических компонент деформации, а также, соответствующих им компонент механической работы деформирования парашютных строп;

- сравнительный анализ вязкоупругих свойств парашютных строп и выявление влияния геометрических характеристик, линейной плотности, способа переплетения прядей, компонентного состава и др. на их деформационные свойства.

Методы исследования. Теоретической и методологической основой исследования явились классические и современные научные представления, разработки и положения, применяемые в текстильном материаловедении с использованием закономерностей, изложенных в физике, физико-химии полимеров, механике и термодинамике. Широко используются различные математические методы (интегральные уравнения, уравнения математической физики, численные методы и др.), а также методы вычислительной математики и информатики.

Научная новизна работы состоит:

- в разработке компьютерной методики прогнозирования релаксационных процессов парашютных строп на основе математического моделирования вязкоупругости по результатам кратковременного эксперимента на простую релаксацию;

- в разработке компьютерной методики прогнозирования процессов ползучести парашютных строп на основе математического моделирования вязкоупругости по результатам кратковременного эксперимента на простую ползучесть;

- в разработке компьютерных методик прогнозирования деформационно-восстановительных процессов и процессов обратной релаксации парашютных строп на основе математического моделирования вязкоупругости по результатам кратковременных экспериментов на простую релаксацию и простую ползучесть;

- в разработке компьютерных методик разложения полной деформации и механической работы деформирования парашютных строп на упругую и вязкоупруго-пластическую компоненты на основе математического моделирования вязкоупругости по результатам кратковременных экспериментов на простую релаксацию и простую ползучесть;

- в разработке программного обеспечения (см. список официально зарегистрированных программ [9-12]), являющегося составной частью целостного комплекса программ по изучению вязкоупругих свойств и прогнозирования деформационных процессов парашютных строп.

Практическая значимость работы состоит в том, что разработаны методики и соответствующее программное обеспечение, позволяющие производить:

- прогноз релаксационных процессов и вязкоупругой ползучести парашютных строп;

- прогноз деформационных и восстановительных процессов парашютных строп;

- расчет компонент деформации и полной механической работы деформирования парашютных строп с целью получения рекомендаций по их применимости, в зависимости от преобладания упругих или вязкоупруго-пластических свойств;

- качественный отбор изделий по параметрам математической модели вязкоупругости парашютных строп, зависящим от компонентного состава изделия, линейной плотности, геометрических характеристик и т.п.

Материалы диссертации используются в учебном процессе на кафедре интеллектуальных систем и защиты информации СПГУТД, в научных исследованиях лаборатории информационных технологий СПГУТД, а также при курсовом и дипломном проектировании.

Апробация результатов работы. Результаты работы докладывались на международных научно-технических симпозиумах и конференциях: Международный симпозиум "Перспективные материалы и технологии" (Витебск, Республика Беларусь, 2009), V Международная конференция “Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений” (Тамбов, 2010).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 печатных работ, среди которых 4 статьи в рецензируемых журналах из "Перечня ВАК РФ...", 4 свидетельства об официальной регистрации программ в Российском агентстве по патентам и товарным знакам.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованной литературы (178 наименований) и приложений. Основное содержание диссертации изложено на 122 страницах машинописного текста, иллюстрировано 46 рисунками и содержит 9 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дано обоснование актуальности развиваемого научного направления, сформулированы цели и задачи исследования, научная новизна и практическая значимость работы.

В основе исследования механических свойств и прогнозирования деформационных процессов парашютных строп лежит математическое моделирование вязкоупругости на основе данных краткосрочного эксперимента на простую релаксацию или простую ползучесть. Одним из развиваемых в лаборатории информационных технологий СПГУТД вариантов математического моделирования вязкоупругости полимеров является вариант, основанный на аналитической аппроксимации экспериментальных "семейств" кривых релаксации и ползучести с помощью различных нормированных релаксационных функций и функций запаздывания по логарифмической шкале приведенного времени. С каждым годом растет разнообразие полимерных материалов, обладающих той или иной молекулярной и надмолекулярной структурой, и проявляющих, в силу сказанного, те или иные деформационные свойства. Поэтому постоянно увеличивается и количество математических моделей, учитывающих ту или иную специфику полимерного материала. В работах (Сталевич А.М., Демидов А.В., Макаров А.Г.) рассматривается целый спектр таких математических моделей, основанных на аппроксимации экспериментальных "семейств" релаксации и ползучести различными нормированными функциями. В частности, показано, что, если для математического моделирования вязкоупругих свойств полимерных материалов относительно простой макроструктуры типа нитей и волокон достаточно использовать в качестве нормирующей функции интеграл вероятности или нормированный гиперболический тангенс, то для полимерных материалов сложной макроструктуры, к которым следует отнести парашютные стопы, целесообразно использовать функцию нормированный арктангенс логарифма приведенного времени (НАЛ), которая задает вероятностное распределение Коши, главным достоинством которого является свойство замкнутости относительно операции сложения случайных величин (то есть сумма случайных величин, распределенных по закону Коши, также распределена по этому закону). Из этого важного свойства закона распределения Коши следует, что деформационные процессы как составных частей парашютных строп (нитей, волокон), так и самих парашютных строп в целом, могут быть описаны одной математической моделью, в основе которой лежит функция НАЛ, что существенно упрощает процесс математического моделирования вязкоупругости.

Учитывая сказанное, математическое моделирование процессов релаксации и ползучести парашютных строп проводилось на основе нормированной функции НАЛ. Одним из основополагающих достоинств, предлагаемой математической модели вязкоупругости, является выполнение требования к наименьшему числу параметров-характеристик модели и их физическая обоснованность. К тому же выбранная модель вязкоупругости обладает достаточной простотой, достигаемой за счет учета нелинейности в интегральных ядрах релаксации и запаздывания (времена релаксации и запаздывания вводятся как параметры модели), а не за счет усложнения самого ядра.

В первой главе дается обзор научной литературы по тематике диссертации. Приводятся известные подходы к исследованию деформационных свойств полимерных материалов (Колтунов М.А., Работнов Ю.Н., Ржаницин А.Р.). Описаны варианты моделирования вязкоупругих свойств и прогнозирования деформационных процессов в зоне действия неразрушающих механических воздействий (Кукин Г.Н., Николаев С.Д., Романов В.Е., Соловьев А.Н., Щербаков В.П., Труевцев Н.Н.). Указаны аспекты применения математических методов (Больцман С., Вейерштрасс К., Вольтерра В., Лаплас П., Максвелл Дж.) и вычислительной техники при исследовании деформационных свойств полимерных материалов.

Во второй главе дается описание объектов исследования - полимерных нитей, применяемых в парашютных стропах (табл.1) и парашютных строп (табл.2).

Таблица 1. Технические характеристики полимерных нитей, применяемых в парашютных стропах