Разработка методов проектирования и прогнозирования геометрических структур и свойств объемных текстильных преформ

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное

образовательное учреждение высшего образования

«Казанский национальный исследовательский

технологический университет»

А. М. Киселев, В. В. Хамматова

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ 

ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ 
ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ СТРУКТУР И СВОЙСТВ 

ОБЪЕМНЫХ ТЕКСТИЛЬНЫХ ПРЕФОРМ

Монография

Казань

Издательство КНИТУ

2019

УДК 687.1.016
ББК 37.23

К44

Печатается по решению редакционно-издательского совета 

Казанского национального исследовательского технологического университета

Рецензенты:

д-р техн. наук, проф. Ю. С. Шустов
д-р техн. наук, проф. А. Ф. Плеханов

К44

Киселев А. М.
Разработка методов проектирования и прогнозирования геометрических структур и свойств объемных текстильных преформ : монография / А. М. Киселев, В. В. Хамматова; Минобрнауки России, Казан. 
нац. исслед. технол. ун-т. – Казань : Изд-во КНИТУ, 2019. – 180 с.

ISBN 978-5-7882-2680-4

Представлена новая концепция проектирования изделий из текстильных 

материалов, рассматривающая структуру ткани на мезоуровне. Построена математическая модель геометрического строения 3D-ткани. Проведена оценка адекватности разработанной модели методами компьютерной томографии. Продемонстрирована возможность выполнения виртуальных расчетов прогнозирования механических свойств композиционных материалов на основе 3D-преформ 
с применением ПО «Преформа» для деформации растяжения.

Адресована работникам текстильной промышленности, ориентированным 

на производство технического текстиля и армирующих тканых 3D-структур для 
композиционных материалов. Будет интересна научным работникам и аспирантам, занимающимся проблемами текстильного материаловедения и исследованиями строения и расчета тканых 3D-структур материалов.

Подготовлена на кафедре дизайна.

ISBN 978-5-7882-2680-4
© Киселев А. М., Хамматова В. В., 2019
© Казанский национальный исследовательский 

технологический университет, 2019

УДК 687.1.016
ББК 37.23

ОГЛАВЛЕНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ …………………………………………………………
5

ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………
6

ГЛАВА 1. АКТУАЛЬНОСТЬ МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕКСТИЛЬНЫХ 
АРМИРУЮЩИХ СТРУКТУР КАК ОСНОВЫ 
ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ….
10

1.1. Актуальность моделирования геометрической 

структуры цельнотканой текстильной преформы……………
10

1.2. Применение химических текстильных материалов 

в композиционных изделиях……………………………………. 14

1.3. Востребованность производства композиционных 

материалов……………………................................……………..
20

1.4. Актуальность задачи проектирования текстильной преформы 

как основы композиционных материалов……………………...
27

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА КОНЦЕПЦИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ 
ИЗДЕЛИЙ ИЗ ТЕКСТИЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ СЛОЖНОЙ 
ПРОСТРАНСТВЕННОЙ СТРУКТУРЫ………………………………..
30

2.1. Особенности выбора уровня детализации

геометрической модели структуры материала………………...
30

2.2. Применение методов гомогенизации для описания свойств 

текстильных материалов и композитов……………………….
32

2.3. Разработка концепции проектирования структуры

текстильных материалов на мезоуровне……………………….
42

2.4. Разработка новой концепции проектирования 

и контроля качества цельнотканых 3D-преформ……………… 50

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА КОМПЬЮТЕРНОЙ МОДЕЛИ 
ЦЕЛЬНОТКАНЫХ 3D-ПРЕФОРМ……………………………………..
60

3.1. Анализ имеющихся математических моделей построения 

геометрической модели 3D-тканых текстильных
материалов……………………………………………………….

61

3.2. Постановка задачи проектирования цельнотканых 

3D-преформ………………………………………………………
67

3.3. Разработка математической модели построения 

цельнотканых 3D-преформ……………………………………
80

3.4. Разработка программного обеспечения, реализующего 

построение геометрической 3D-модели преформы…………
91

3.5. Примеры моделирования 3D-тканых структур………………..
107

3.6. Проверка адекватности разработанной математической 

модели…………………………………………………………….
111

ГЛАВА 4. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ 
ХАРАКТЕРИСТИК 3D ТКАНЕЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ 
РАЗРАБОТАННОЙ СИСТЕМЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ 
«ПРЕФОРМА»……………………………………………………………
117

4.1. Испытания механических свойств материалов 

с помощью цифровых технологий……………………………...
117

4.2. Методика проведения виртуального прогнозирования 

механических характеристик 3D тканей……………………….
119

4.3. Экспериментальные исследования механических

свойств 3D тканей различных структур ……….......…………..
125

4.4. Моделирование механических свойств 3D тканей 

различных структур численными методами...............................
127

ПРОИЗВОДИТЕЛИ ТКАЦКОГО ОБОРУДОВАНИЯ 
И ТЕКСТИЛЬНЫЕ ПРЕДПРИЯТИЯ, РЕАЛИЗУЮЩИЕ 
ТЕХНОЛОГИИ 3D-ТКАЧЕСТВА............................................................
169

ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………………..
173

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК…………………………………...
175

4

ПРЕДИСЛОВИЕ

Монография посвящена вопросам прогнозирования свойств композицион
ных материалов, изготовленных на основе объемных тканых преформ с учетом их 
структуры. Прогнозирование механических свойств данных полимерных композиционных материалов (ПКМ) базируется на построении геометрических моделей
сложных текстильных структур тканых материалов на уровне одиночных волокон 
или нитей, что повышает точность их описания в CAD-системах и соответственно повышает точность прогнозирования свойств полуфабрикатов, готовых изделий или материалов. 

В связи с тем, что именно армирующий элемент является основным ком
понентом, определяющим механические свойства изделия из ПКМ, важную роль 
играет как материал преформы, так и ориентация ее структуры в пространстве, 
исследование которых представляет материаловедческую задачу. Поэтому особое внимание уделено моделированию цельнотканых геометрических структур
сложной пространственной конфигурации из высокопрочных синтетических нитей, а также разработке методик оценки параметров структуры объемных тканей 
и 3D-преформ на основе прогнозирования их механических свойств. Все разработанные методики и математические модели реализованы в виде программного 
обеспечения, что повышает практическую ценность работы для производителей.

Выполнению изложенных в монографии исследований предшествовала 

работа А. М. Киселева (2011 г.) по моделированию нетканых полотен [1]. Разработанные методики и подходы к моделированию геометрической модели структуры нетканых полотен позже были взяты за основу и стали концептуальной базой для формирования методик и моделирования структуры для 3D-тканых материалов и изделий.

Авторы надеются, что монография будет интересна всем тем, кто занима
ется проблемами моделирования строения текстильных материалов и изделий,
армирования композиционных материалов, изучает вопросы прогнозирования 
физико-механических свойств текстильных материалов сложного пространственного строения.

Исследования, представленные в монографии, могут быть полезны аспи
рантам и научным работникам, решающим материаловедческие задачи с использованием информационных технологий с учетом современного тренда применения текстильных материалов в технических целях.

5

ВВЕДЕНИЕ

На самых высоких уровнях управления экономикой и промыш
ленностью страны отмечается востребованность высокотехнологичной текстильной продукции на основе химических волокон и нитей 
в авиа- и автомобилестроении, медицине, сельском хозяйстве, военной 
промышленности, строительстве и ряде других областей. Использование высокопрочных синтетических материалов, таких как углеродное, 
базальтовое, кремниевое и другие волокна и нити, для получения композиционных материалов позволило внедриться даже в области традиционных машиностроительных технологий, заменяя металлы на 
текстильные армирующие структуры. 

Новые изделия, в том числе и в текстильной отрасли, становятся 

все более сложными, наукоемкими. Современные требования к новым 
текстильным материалам постоянно растут и расширяют спектр их 
физико-механических свойств и других характеристик в зависимости 
от функционального назначения. В частности, активное внедрение полимерных композиционных материалов (ПКМ) с 3D-тканым армированием для деталей авиационной и космической отраслей требует от 
текстильной преформы точного соответствия заданной внешней форме изделия, устойчивости к расслоению, ударным и знакопеременным 
нагрузкам и др. Соответственно, возрастает и трудоемкость проектирования таких текстильных преформ, увеличиваются сроки реализации новых проектов. Кроме того, современной тенденцией производства новых материалов является не только получение материалов с 
принципиально новыми уникальными свойствами, но и получение новых материалов с заранее заданными физико-механическими свойствами, определяемыми для конкретного изделия.

28 июля 2017 г. распоряжением Правительства РФ была принята 

программа «Цифровая экономика Российской Федерации», определяющая цели и задачи развития цифровой экономики – экономического 
уклада, характеризующегося переходом на качественно новый уровень использования информационно-телекоммуникационных технологий во всех сферах социально-экономической деятельности. В связи 
с этим научные исследования по созданию «цифровых двойников» 
материалов, изделий, разработка программного обеспечения, позво

ляющего создавать их модели, прогнозировать различные свойства и 
эксплуатационные характеристики в системах автоматизированного 
проектирования – являются теми направлениями, которые отвечают 
запросам и требованиям цифровой экономики.

Отрасль производства композитных материалов распоряжением 

Правительства РФ от 24 июня 2013 г. № 1307-р выделяется как инновационная отрасль страны. Разработки методов для создания принципиально новых технических конструкций из композиционных материалов для различных отраслей промышленности: авиационной, судостроительной, космической и др. Создание таких конструкций позволит существенно повысить прочность и надежность специализированных изделий в эксплуатации по сравнению с традиционно применяемыми металлами, а также избежать их коррозии, снизить вес и себестоимость. 

На VI Форуме «Композиты без границ»», который проходил 

25 октября 2018 года в Москве, в Инновационном центре «Сколково», 
обсуждались возможности для импортозамещения материалов, разработки новых продуктов, внедрения композитов в разных отраслях 
промышленности, а также перспективные рынки для композитов. Министр промышленности и торговли Российской Федерации Денис 
Мантуров направил участникам форума приветственное слово: «Технологическое лидерство в глобальном мире требует максимальной 
мобилизации ресурсов и оперативного реагирования на быстроизменяющиеся условия и потребности экономики. Работа по внедрению 
композитов как материалов, обладающих набором уникальных 
свойств и характеристик, позволяет решать недоступные ранее задачи 
и открывать новые направления в области техники и технологий» [2].

Рынок композиционных материалов постоянно растет. Сегодня 

в мире он имеет тенденцию ежегодного увеличения около 10%, при 
этом в России он увеличивается на 20 %.

Требования научно-технического прогресса и инновационного 

развития в области создания новых материалов с заданными качественными показателями очертили круг задач, решаемых в рамках 
проведенного исследования.

В связи с вышесказанным в центре внимания научного исследо
вания, результаты которого представлены в монографии, являются 
цельнотканые преформы, которые применяются в качестве объемноармирующей основы для изготовления полимерно-композиционных 

материалов (ПКМ). Композиционный материал, изготовленный, на 
основе такой преформы имеет единую, взаимосвязанную, не подверженную расслоению структуру, в отличие от слоистых ПКМ. Монолитная основа цельнотканых преформ придает изделиям, изготовленным на ее основе, высокие прочностные характеристики. Уникальность именно цельнотканых объемных преформ заключается в том, 
что можно изготовить основу-каркас, полностью соответствующую 
форме будущего композитного изделия.

Высокая перспективность применения 3D тканых преформ для 

композиционных материалов обусловила актуальность задач моделирования структур переплетений данных преформ, создание их геометрических моделей, позволяющих на уровне проектирования прогнозировать геометрию преформы и ее свойства.

Достигнуть решения названных выше перспективных задач поз
воляет разработка и внедрение систем автоматизированного проектирования, в частности проектирования структур текстильных материалов и полуфабрикатов, исследования взаимосвязи свойств исходных 
нитей со структурой получаемого текстильного изделия, что позволит 
проводить целенаправленное прогнозирование свойств при разработке 
и производстве новых материалов.

Академик Евгений Каблов, генеральный директор Всероссийско
го института авиационных материалов отмечает: «Современные материалы совершенно изменили подход к разработке новых конструкций. 
Коротко его можно сформулировать так: материал – технология –
конструкция – оборудование. Он требует одновременной согласованной работы материаловеда, конструктора и технолога. … Свойства 
изделия должны быть заложены в материал и технологию изготовления еще на стадии его создания. Конечно, такой подход сложнее традиционного, зато дает огромный выигрыш и в качестве готового изделия, и в глубине переработки сырья и материалов» [3]. 

Таким образом, решение материаловедческих задач на стадии 

проектирования текстильных материалов, полуфабрикатов и изделий 
предваряет совершенствование технологий, конструкций и разработку 
оборудования.

Решение задач материаловедения – исследование строения, 

структуры, прогнозирования свойств – можно реализовать с помощью 
компьютерных геометрических моделей текстильных материалов. В 
общем случае, решение задачи построения компьютерных моделей 

текстильных материалов логически может идти двумя путями: с точки 
зрения технологии производства – моделированием самого технологического процесса изготовления материала и с материаловедческой точки зрения – построением модели материала на основе изучения его 
особенностей строения. 

В исследовании, результаты которого представлены в данной 

монографии, для построения компьютерной модели текстильного материала использован второй, материаловедческий подход, когда объекты – образец 3D-ткани и изделие ткацкого производства – цельнотканая 
преформа, изначально анализируются и исследуются с точки зрения 
особенностей их строения.

ГЛАВА 1

АКТУАЛЬНОСТЬ МОДЕЛИРОВАНИЯ 
ТЕКСТИЛЬНЫХ АРМИРУЮЩИХ СТРУКТУР 
КАК ОСНОВЫ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ 
КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

1.1. Актуальность моделирования геометрической 

структуры цельнотканой текстильной преформы

Композиционные материалы занимают всё более серьезные по
зиции на промышленном рынке. Технология изготовления ПКМ с помощью объемно-армирующих преформ имеет значительные преимущества: сокращение цикла изготовления сложнопрофильных деталей, 
снижение производственных расходов благодаря механизации процесса и уменьшения доли ручного труда, возможность применения в 
серийном производстве. Технология позволяет за один технологический цикл формования получать готовые детали без применения дополнительных приспособлений для намотки или выкладки материала.

Специалисты Всероссийского научно-исследовательского ин
ститута авиационных материалов (ВИАМ) отмечают, что «Поскольку 
именно армирующий элемент является основным компонентом, определяющим механические свойства изделия из ПКМ, важную роль играет как материал преформы, так и ориентация ее структуры в пространстве. Преимущество использования именно объемно-армирующих преформ состоит и в том, что технология их изготовления 
позволяет за одну операцию получать изделие с заданными параметрами (длина, ширина, толщина). Это обеспечивает получение материалов, характеризующихся повышенными механическими свойствами, 
а также разнообразием геометрических форм и стабильностью размеров» [4].