Развитие методов и совершенствование средств исследования физико-механических свойств волокнисто-пористых материалов легкой промышленности (20.12.2010)

Автор: Соколовский Алексей Ратмирович

????????y????c??

для элементов AE, EB, BC, CA:

для связующего в направлении Oz (т. е. элемента AB):

для связующего в направлении Oy (т. е. элемента DF):

для связующего в направлении Ox (т. е. элемента CE):

– объем всех структурных элементов и связующего, определяемый соотношением:

1-е, 2-е и 3-е слагаемое соответствуют объему волокон в ячейках-ромбах, а 4-е, 5-е и 6-е – объему связующих в узлах A, B, D, F и C, E, которые моделируются стержнями AB, DF и CE.

Геометрические параметры каждой ячейки-ромба и механические свойства ее элементов таковы, что оси координат Ох, Оу и Оz являются осями симметрии, как в ненагруженном состоянии, так и в процессе деформирования. При растяжении элементарного октаэдра напряжением ?, приложенным в узлах D и F, учитывая соотношения (8) – (10) и тригонометрические значения углов после некоторых преобразований уравнения равновесия принимают вид:

где ?x, ?y, ?z, ?xz, ?yz, ?xy – напряжения соответственно в элементах FD, CE, AB, AF (FB, BD, DA), AC (CB, CE, EA, AC), CD (DE, EF, FC).

(деформация элементов AC, CB, BE, EA и AD, DB, BF, FA CD, DE, EF, FC) из геометрических соотношений получены уравнения совместности:

Для замыкания системы уравнений, определены уравнения состояния для каждого элемента октаэдра в предположении, что волокна и связующее имеют нелинейно-упругие свойства:

, n – экспериментальные постоянные связующего и волокон.

, возможно учесть различие свойств связующего при деформировании в направлениях осей Ox, Oy, Oz. Вместо (16) можно использовать другие уравнения состояния для элементов композиции, например соотношения вязкоупругости.

Пористость материала ? определялась как отношение объема пор V к объему всей элементарной ячейки-ромба Ve:

Из (17) получено соотношение, позволяющее исследовать изменение пористости в процессе деформирования:

, (18)

При исследовании предельного состояния условие прочности сформулированы следующим образом:

для связующего

для волокна

Система уравнений (14), (15), (16) полностью описывает механическое поведение композита при одноосном нагружении. При этом предложенная математическая модель композита учитывает его структуру, различие механических свойств волокон и связующего и определяет не только деформацию в направлении действия внешнего усилия, но и поперечную деформацию в двух направлениях. Кроме того, полученные уравнения позволяют находить изменение структуры композита в процессе нагружения.

Полученная структурная модель кожевой ткани позволяет моделировать ее деформационные и прочностные свойства в зависимости от удельного объемного содержания волокон и связующего, пористости, расположения и свойств структурных элементов.

На рисунке 9 представлены результаты решения прямой задачи моделирования. Максимальные расхождения между расчетными значениями напряжений и результатами экспериментов составляют для образцов, вырубленных вдоль хребтовой линии, 29% при малых значениях деформации и 7% при предельных деформациях. Для образцов, вырубленных поперек хребтовой линии, максимальные расхождения составляют 30% в области деформации равной 0,3 и 15% при предельных деформациях.

по структурной модели:

1 - расчетные значения вдоль хребтовой линии;

2 - поперек хребтовой линии;

3 - экспериментальные зависимости вдоль хребтовой линии;

4 - экспериментальные зависимости поперек хребтовой линии.

Проведено численное исследование влияния относительного объемного содержания волокон на деформационные свойства материала и определена функции-ональная зависимость пористости и деформаций и напряжений в материале.

Определено, что изменение количества волокна в данном пределе не оказывает существенного влияния на характер зависимостей. В тоже время увеличение процентного содержания волокна приводит к увеличению жесткости материала и уменьшению пористости.

Для оценки вязкоупругих свойств предложена методика, основанная на анализе спектров времен релаксации (ретардации). Рассмотрен феноменологический подход к моделированию реологиических свойств кож.

На основе аппроксимации спектра, предложенной Шварцлем и Ставерменом, получено выражение для определения спектра времен ретардации при продавливании образцов, зажатых по контуру:

– ход индентора, м.

На рисунке 10 приведены полученные спектры времен ретардации до и после технологической операции разбивки кожевой ткани овчины, на которых видно смещение спектра времен ретардации в результате проведения технологической операции разбивки. Величина смещения спектра зависит от результатов изменения физико-механических свойств материала и может являться оценкой качества проведения операций.

Рис. 10. Спектры времени ретардации кожевой ткани:

1 - до разбивки;

2, 3 - после разбивки

Разработан и экспериментально обоснован метод определения реологических показателей материала с помощью прокатывания ролика. В результате проведенного анализа существующих методик можно увидеть, что в настоящее время физико-механические свойства кожи определяются не по всей площади, а только в определенных стандартных точках кожевенного полуфабриката.

Для определения необходимых параметров, характеризующих свойства материала не разрушающим методом была принята математическая модель Хантера, описывающая процесс качения ролика по вязкоупругому полупространству:

- параметры определяющие площадку контакта, м.

Разработана методика и экспериментальный стенд общий вид представлен на рисунке 11.


загрузка...