Разработка метода оценки деформационных свойств технических нитей в динамическом режиме

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

Научный руководитель – доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

кандидат технических наук

Ведущая организация – ОАО «Советская Звезда»

Защита состоится 9 декабря 2008 г. в 10⁰⁰ 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

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского университета технологии и дизайна.

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

Автореферат разослан «31» октября 2008 г.
Ученый секретарь

диссертационного совета А. Е. Рудин

Существующие методы количественного описания деформационных свойств нитей из полимерных материалов в динамических режимах основываются на использовании механических моделей, при создании которых используют параметры, полученные при статических испытаниях. Такой подход не обладает нужным соответствием с результатами динамических испытаний, и, в связи с этим, необходимо экспериментальное изучение процессов динамического деформирования.

Для достижения поставленной цели в работе решались задачи:

• 
  разработка схемы прибора, позволяющего «мгновенно» прикладывать нагрузку к образцу и регистрировать деформацию и напряжение, возникающие в образце на стадии нагружения;
  
• 
  разработка методики определения деформационных характеристик технических нитей при «мгновенном» приложении нагрузки;
  
• 
  выявление характера взаимосвязи деформационных характеристик нитей полученных из полимеров с различной жесткостью полимерной цепи;
  
• 
  отработка методики определения секущего и касательного модулей жесткости;
  
• 
  разработка методов анализа взаимосвязи форм диаграмм растяжения, полученных при статических испытаниях, с зависимостью напряжения от деформации, получаемой по результатам динамических испытаний;
  
• 
  апробация разработанных подходов в применении к анализу деформационных свойств нитей из жесткоцепных полимеров;
  
• 
  применение разработанных методов для анализа влияния параметров структуры швейных ниток на их деформационные характеристики.
  

В теоретических исследованиях применялись методы математического моделирования, программирования, системного анализа и графоаналитической обработки данных.

Экспериментальные измерения нагрузки и деформирования производились с использованием сконструированной соискателем установки, а также при помощи универсального испытательного комплекса ИНСТРОН 1122. Результаты, полученные на установке, проходили обработку на разработанном программном комплексе и в программе Origin 6.1. Результаты статических испытаний, проведенных на комплексе ИНСТРОН, проходили процедуру оцифровывания при помощи графической программы Grafula II v.1.2.

Обработка результатов экспериментов осуществлялась методами математической статистики с помощью программ Origin 6.1 и Microsoft Excel XP. Обработка результатов экспериментов осуществлялась в программной среде Windows XP. База данных испытаний химических нитей разработана с помощью программы Microsoft Access.

Достоверность полученных результатов и выводов обеспечена объективной тарировкой, обоснованным объемом выборок, применением методов математической статистики и критериев, согласованностью результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Научная новизна работы заключается в разработке аппаратуры и метода для экспериментального изучения механических характеристик нитей технического назначения при «мгновенном» приложении нагрузки, в создании комплекса программ для определения секущего и касательного модулей жесткости в динамическом режиме деформирования, в создании методики сопоставления полученных данных с результатами статических испытаний и с её помощью возможности оценки смены механизмов деформирования на микро- и макроуровне.

В результате проведенной работы были получены следующие результаты:

• 
  создана установка, позволяющая осуществлять «мгновенное» приложение нагрузки и фиксировать напряжение и деформацию образца в процессе приложения нагрузки (деформировании образца);
  
• 
  проведены испытания образцов изготовленных из полимеров с различной жесткостью цепи и макроструктуры в статическом и динамическом режимах деформирования;
  
• 
  выявлен характер взаимосвязи наблюдаемых закономерностей упруго-релаксационного поведения технических нитей в статическом режиме с характером зависимостей динамического растяжения;
  
• 
  разработана методика сравнения зависимостей напряжения от деформации, полученных в различных режимах деформирования;
  
• 
  получена первичная информация о коэффициенте динамичности в диапазоне нагрузок;
  
• 
  разработан программный комплекс позволяющий, производить автоматическую обработку результатов испытания;
  
• 
  сформирована открытая база данных испытаний химических нитей с описанием образцов;
  
• 
  разработана методика «Сравнительная оценка деформационных свойств», для проведения лабораторных работ.
  

Разработана открытая база данных (свидетельство об официальной регистрации базы данных №2008620258 от 12.05.2008г.) с фотографиями, технологическими параметрами, результатами проведенных испытаний, перечнем регламентирующих документов.

• 
  международных научно-технических конференциях «Современные наукоемкие технологии и перспективные материалы текстильной и легкой промышленности» (ПРОГРЕСС – 2006, 2007, 2008), г. Иваново (ИГТА);
  
• 
  всероссийской научно-технической конференции студентов и аспирантов «Проблемы экономики и прогрессивные технологии текстильной, легкой и полиграфической отраслях промышленности» (Дни науки – 2006, 2008), г. Санкт-Петербург (СПГУТД);
  
• 
  межвузовских научно-технических конференциях аспирантов и студентов «Молодые ученые – развитию текстильной и легкой промышленности» (ПОИСК – 2006, 2007, 2008), г. Иваново (ИГТА);
  
• 
  международной научно-технической конференции «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (Текстиль – 2007), г. Москва (МГТУ им. А.М. Косыгина).
  

Анализ информационных и отчетных материалов по вопросу изучения свойств текстильных материалов позволил сделать выводы об имеющемся уровне развития.

На основании приведенных выводов осуществлялась постановка цели и задач данной диссертационной работы.

Во второй главе приведена краткая характеристика объектов исследования, в качестве которых выбраны комплексные нити из волокон торговых марок: Капрон, Лавсан, Армос. Параметры комплексных нитей приведены в таблице 1. Исследование влияния параметров структуры на механические характеристики нитей производилось с использованием швейных ниток производства ОАО «Советская Звезда» (таблица 2).

Получение диаграмм статического растяжения производилось на универсальном испытательном комплексе Инстрон 1122, при базе испытаний 200 мм и скорости растяжения 100 мм/мин.

Для анализа зависимости напряжения от деформации, были использованы понятия секущего и касательного модулей жесткости. Секущий модуль жесткости является величиной описывающей реакцию образца на его деформирование. Приведена методика определения и дана качественная интерпретация формы зависимости секущего модуля жесткости от деформации. На основе анализа зависимости касательного модуля жесткости от деформации, были сделаны предположения о возможных изменениях механизмов деформирования по мере растяжения.

Разработана методика расчета и построения касательного модуля жесткости. Определение модуля производится посредством описания полученной зависимости напряжения от деформации при помощи полиномиальной зависимости и нахождения производной с помощью ЭВМ. Полученное выражение производной, определяет зависимость касательного модуля жесткости от растяжения.

Представленная методика, позволяет производить определение касательного модуля при помощи персонального компьютера исключая промежуточные графические построения, повышая точность и объективность получаемых результатов. Разработан программный комплекс для расчета зависимостей секущего и касательного модулей жесткости.

Установка, удовлетворяющая всем предъявленным требованиям изображена на рис. 1. В работе приводится подробное описание составных узлов и способа их взаимодействия. Представлены методики тарировки и настройки установки. Произведена оценка точности измерения и диапазон измеряемых величин. Конструкция данной испытательной установки защищена охранными документами. Изготовление установки, разработка электрических схем управления и проверка точности измерений производилась на основании регламентирующей документации.

С помощью установки возможно проводить испытания в режиме «мгновенного» приложения нагрузки и производить регистрацию удлинения и напряжения на стадии нагружения и последующего действия нагрузки. Диапазон прилагаемых нагрузок вирируется от 4 Н до 150 Н, база проведения испытаний от 50 до 300 мм. Интервал времени измерения напряжения и деформации может составлять от 100 мс до десятков минут. Регистрация показаний датчиков осуществляется при помощи электронного осциллографа PC LAB-2000.

Установка, состоит из двух вертикальных стоек 11, 12, на которых установлено три горизонтальные платформы две из них не подвижны 1, 2, а средняя 13 выполнена с возможностью вертикального перемещения, имеющая отверстие, центр которого совпадает с продольной осью образца 5 и зажимов, в котором расположен узел 10 для выведения образца с грузом из положения равновесия, состоящий из электромагнита с сердечником, диаметр которого меньше диаметра отверстия, и на которой закреплен узел с роликовой системой 19, состоящей из трех пар роликов расположенных под углом 120° относительно друг друга и охватывающих нижний зажим, средняя часть которого представляет собой правильный шестигранник, верхний зажим выполнен в виде консоли 3, на которой жестко закреплен тензодатчик 4 и двух сельсин-датчиков 15, 16 установленных на вертикальной стойке 12. Тензодатчики используются для измерения напряжения возникающего в образце. Сельсин датчики для регистрации перемещений.

Результаты произведенной тарировки представляют собой линейную зависимость между прикладываемой нагрузкой (удлинением) и регистрируемой величиной сигнала. Сформулированы положения, которые необходимо учитывать при подборе датчика силы.

Установка позволяет регистрировать изменение напряжения и удлинения во времени рис. 2.

Предложена методика построения зависимости напряжения от удлинения. Построение диаграммы предлагается производить на основании максимальных значений напряжения и деформации, снятых с колебательных процессов точки «А» и «Б» (рис. 2.) Приведена методика сопоставления зависимости напряжения от деформации с диаграммой растяжения, полученной на приборе ИНСТРОН 1122 (рис. 3). Сопоставление производилось на основе зависимостей напряжения, секущего и касательного моделей жесткости от деформации.

Предложена методика интерпретирования зависимостей напряжения от деформации, полученных при различных режимах деформирования. Приведена взаимосвязь полученных зависимостей с характером диаграмм секущего и кастального модулей жесткости и с возможной сменой механизма деформирования.

Разработана процедура обработки полученных результатов испытаний, позволяющая производить оценку диссипативных свойств, с помощью сконструированной установки.

Приведена методика определения коэффициента динамичности, как отношение σ_д – максимальное напряжение в образце к σ_ст – напряжение установившееся после окончания колебательного процесса, что соответствует действию постоянной нагрузки.

При помощи различных функций, производится описание зависимостей удлинения и напряжения от времени. Производные от полученных зависимостей позволяют более детально рассмотреть процесс на стадии «мгновенного» приложениия нагрузки рис. 4.

В работе представлены методики использования сконструированной установки для проведения исследований в режиме свободных затухающих колебаний, релаксации напряжения и ползучести. Приведены результаты исследований, проведенных в этих режимах испытаний.

Для обработки полученных результатов испытаний разработан комплекс программ, позволяющий производить математическую обработку в соответствии с методикой обработки результатов испытаний.

Сохранение результатов проведенных испытаний предлагается производить в разработанной открытой базе данных. Она позволяет не только систематизировать информацию, но и осуществлять наглядное её представление в виде различных форм. В разработанной базе данных технических нитей содержится описание материала, результаты статических и динамических испытаний, фотографии образцов, описание испытательных комплексов, перечень нормативной и регламентирующей документации. В перечень документации включены документы, на основании которых определялись технологические параметры приведенных материалов. Кроме того, в представленной базе данных разработаны запросы, позволяющие производить поиск материалов с необходимыми механическими свойствами.

А Б

А – Напряжение, Б – Удлинение

А: 1 – зависимость напряжения от времени; 2 –производная первого порядка от напряжения по времени; 3 – производная второго порядка от напряжения по времени;

Б: 1 – зависимость удлинения от времени; 2 – производная первого порядка от удлинения по времени (Скорость); 3 – производная второго порядка от удлинения по времени (Ускорение)

Проведение испытаний в режиме «мгновенного» приложения нагрузки осуществлялось на сконструированной установке. На основании полученных данных построены зависимости напряжения от удлинения, касательного и секущего модулей жесткости. Изменение прочностных характеристик представлено на гистограмме (рис 5). Получены зависимости изменения коэффициента динамики, рассчитанные в соответствии с разработанной методикой. Произведен анализ колебательного процесса, на основании которого определены значения логарифмического декремента затухания при различных нагрузках. На основании полученных результатов исследования сделаны выводы о влиянии жесткости цепи на механические свойства.

В
пятой главе

Подобные зависимости более ярко проявляются для гибкоцепных полимеров. В своих работах некоторые авторы объясняют данный эффект тем, что при растяжении происходит деформирование не только кристаллической решетки, но и неупорядоченных структур. Таким образом, можно говорить о некоторых конформационных переходах в жесткоцепных полимерах. В качестве примера увеличения подвижности макромолекул можно привести увеличение податливости ориентированного материала при повышенных температурах.

П

А Б

А – Линейные диаграммы растяжения жесткоцепных полимеров,

Б – Нелинейные диаграммы растяжения жесткоцепных полимеров

А Б

А – комплексная нить СВМ, Б – комплексная нить ПАБИ

На основании полученных результатов испытаний в статическом и динамическом режиме деформирования, были сделаны были сделаны выводы о влияний структуры швейных лавсановых армированных ниток на деформационные характеристики.

1. 
   Разработана и сконструирована установка для проведения испытаний в режиме «мгновенного» приложения нагрузки, защищенная патентом на полезную модель. Установка позволяет производить запись деформации и усилия на стадии мгновенного приложения нагрузки и последующего процесса ползучести с накладывающимся процессом свободных затухающих колебаний (с сохранением данных на электронных носителях).
   
2. 
   Предложена методика применения секущего и касательного модулей жесткости для анализа зависимостей напряжения от деформации полученной в динамическом режиме деформирования.
   
3. 
   Предложены методы сравнительной оценки деформационных свойств полученных в режимах статического и динамического нагружения – характер зависимости напряжения от деформации, коэффициент динамичности, логарифмический декремент затухания.
   
4. 
   На основании анализа зависимостей напряжения, секущего и касательного модулей от деформации подтверждено предположение о физической обусловленности смены механизмов деформирования по мере растяжения нитей.
   
5. 
   На основании анализа диаграмм растяжения и процесса ползучести нитей из гибко- и жесткоцепных полимеров сделано предположение о схожести механизмов деформирования, т. е. возможности конформационных переходов при деформировании нитей из жесткоцепных полимеров.
   
6. 
   Предлагаемый метод был применен для оценки влияния параметров структуры ниток на деформационные характеристики. Образцы, выполненные по новой технологии, имеют меньшую ворсистость и большее значение секущего и касательного модулей жесткости, благодаря лучшему взаимодействию составных частей стренги между собой, также сделан вывод о предпочтительности использования ниток выполненных по новой технологии.
   
7. 
   Создан программный комплекс, позволяющий производить обработку результатов с помощью ЭВМ, выводить информацию в цифровом и графическом виде и сохранять полученные результаты на электронном носителе. Он позволяет сократить затраты времени на проведение и обработку результатов испытаний, а также разделить работу испытателя и исследователя.
   
8. 
   Сформирована и защищена свидетельством об официальной регистрации база данных испытаний химических нитей, включающая информацию об основных физико-механических характеристиках волокнистых материалов.
   

1. 
   Алешин, Р. Р. Установка для динамических испытаний нитей [Текст]/ Р. Р. Алешин, В. Г. Тиранов// Хим. волокна. − 2008. − №4. − С. 9−11.
   
2. 
   Алешин, Р. Р. Модельное представление процесса релаксации напряжения и последующего упругого последействия нити [Текст]/ Р. Р. Алешин, В. Г. Тиранов// Изв. вузов. Технол. текс. пром-сти. −2008. − № 2С. − С. 132−133.
   
3. 
   Алешин, Р. Р. Свойства полимерных материалов при «мгновенном» приложении нагрузки [Текст]/ Р. Р. Алешин, В. Г. Тиранов// Дизайн. Материалы. Технологии. – 2008. –№3(6). – С. 59–61.
   

Патенты

4. 
   Патент № 68693 РФ, МПК⁷ G 01 N 3/30 Устройство для определения динамических характеристик полимерных нитей методом свободных продольных колебаний [Текст]/ Алешин Р. Р., Тиранов В. Г., Некрашевич А. Б.– опубл. 27.11.2007. Бюл. № 25.
   
5. 
   Патент № 74212 РФ, МПК⁷ G 01 N 3/30, 2/32 Устройство для определения динамических характеристик полимерных нитей методом свободных продольных колебаний [Текст]/ Алешин Р. Р., Тиранов В. Г., Некрашевич А. Б.– опубл. 20.06.2008 Бюл. № 17.
   

6. 
   Свидетельство №2008620258 об официальной регистрации базы данных «База данных испытаний химических нитей»/ Р. Р. Алешин, В. Г. Тиранов. Зарегистрировано в реестре баз данных РОСАПО 30.05.2008 г.
   

7. 
   Алешин, Р. Р. Необходимость исследования динамических свойств синтетических нитей для текстильной промышленности [Текст]/ Р.Р. Алешин, В. Г. Тиранов// Дни науки – 2006, тез. докл./СПГУТД – СПб., 2006. С. 65–66.
   
8. 
   Алешин, Р. Р. Синтетические материалы при импульсном воздействии [Текст]/ Р.Р. Алешин, В. Г. Тиранов// Поиск – 2006, сб. матер., Ч.1 /ИГТА – Иваново, 2006. С. 246–247.
   
9. 
   Алешин, Р. Р. Прибор для моделирования динамических процессов [Текст]/ Р.Р. Алешин, В. Г. Тиранов// Прогресс– 2006, сб. матер., Ч.2 /ИГТА. – Иваново, 2006. С. 116–117.
   
10. 
    Алешин, Р. Р. Определение динамического модуля упругости [Текст]/ Р.Р. Алешин// Поиск – 2007, сб. матер., Ч.1 /ИГТА – Иваново, 2007. С. 82–83.
    
11. 
    Алешин, Р. Р. Динамическая нагрузка на пряжу [Текст]/ Р.Р. Алешин// Прогресс– 2007, сб. матер., Ч.1 /ИГТА. – Иваново, 2007. С. 181–182.
    
12. 
    Алешин, Р. Р. Проектирование установки для динамических испытаний [Текст]/ Р.Р. Алешин// Поиск – 2008, сб. матер., Ч.2 /ИГТА – Иваново, 2008. С. 173.
    
13. 
    Тиранов В. Г. Критерии оценки работоспособности нитей из гибко- и жесткоцепных полимеров, получаемые из диаграммы растяжения [Текст]/ В. Г. Тиранов , Е. А. Разумовская, Р.Р. Алешин // «Современные технологии и оборудование текстильной промышленности» (Текстиль – 2007), тез. докл. /МГТУ им. А. Н. Косыгина – М., 2007. С. 34-36.
    
14. 
    Алешин, Р. Р. Поведение материалов при «мгновенном» приложении нагрузки [Текст]/ Р.Р. Алешин, В. Г. Тиранов// Прогресс – 2008, сб. матер., Ч.1 /ИГТА. – Иваново, 2008. С. 194–195.
    
15. 
    Алешин, Р. Р. Динамические испытания полимеров [Текст]/ Р.Р. Алешин, В. Г. Тиранов// Дни науки – 2008, тез. докл. /СПГУТД – СПб., 2008. С. 245–246.
    
16. 
    Аносов, М. С. Касательный и секущий модули упругости [Текст]/ М. С. Аносов, Р.Р. Алешин// Дни науки – 2008, тез. докл./СПГУТД – СПб., 2008. С. 246–248.
    
17. 
    Логинов, А. А. Испытания новых материалов [Текст]/ А. А. Логинов, Р.Р. Алешин, Л. Н. Петрова// Дни науки – 2008, тез. докл./СПГУТД – СПб., 2008. С. 87–88.
    

Подписано в печать 03.10.2008. Печать трафаретная.

Усл. печ. л. 0,9. Формат 60 × 84 1/16. Тираж 100 экз. Заказ №

Отпечатано в типографии СПГУТД