Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

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

Покупка
Артикул: 789439.01.99
Доступ онлайн
500 ₽
В корзину
Представлена новая концепция проектирования изделий из текстильных материалов, рассматривающая структуру ткани на мезоуровне. Построена математическая модель геометрического строения ЗВ-ткани. Проведена оценка адекватности разработанной модели методами компьютерной томографии. Продемонстрирована возможность выполнения виртуальных расчетов прогнозирования механических свойств композиционных материалов на основе ЗБ-преформ с применением ПО «Преформа» для деформации растяжения. Адресована работникам текстильной промышленности, ориентированным на производство технического текстиля и армирующих тканых ЗБ-структур для композиционных материалов. Будет интересна научным работникам и аспирантам, занимающимся проблемами текстильного материаловедения и исследованиями строения и расчета тканых ЗБ-структур материалов. Подготовлена на кафедре дизайна.
Киселев, А. М. Разработка методов проектирования и прогнозирования геометрических структур и свойств объемных текстильных преформ : монография / А. М. Киселев, В. В. Хамматова. - Казань : КНИТУ, 2019. - 180 с. - ISBN 978-5-7882-2680-4. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.ru/catalog/product/1899414 (дата обращения: 13.07.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.
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 геометриче-
ских структур и свойств объемных текстильных преформ : моногра-
фия / 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 мате-
матическая модель геометрического строения 3D-ткани. Проведена оценка адек-
ватности разработанной модели методами компьютерной томографии. Проде-
монстрирована возможность выполнения виртуальных расчетов прогнозирова-
ния 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 аспиран-
там, занимающимся проблемами текстильного материаловедения и исследова-
ниями 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 компо-
зиционных 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 соответствен-
но повышает точность прогнозирования свойств полуфабрикатов, готовых изде-
лий 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 осо-
бое внимание уделено моделированию цельнотканых геометрических структур
сложной пространственной конфигурации из высокопрочных синтетических ни-
тей, а также разработке методик оценки параметров структуры объемных тканей 
и 3D-преформ на основе прогнозирования их механических свойств. Все разра-
ботанные 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]. Разра-
ботанные методики и подходы к моделированию геометрической модели струк-
туры нетканых полотен позже были взяты за основу и стали концептуальной ба-
зой для формирования методик и моделирования структуры для 3D-тканых ма-
териалов 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 простран-
ственного строения.

Исследования, представленные в монографии, могут быть полезны аспи-

рантам и научным работникам, решающим материаловедческие задачи с исполь-
зованием информационных технологий с учетом современного тренда примене-
ния текстильных материалов в технических целях.

5

ВВЕДЕНИЕ

На самых высоких уровнях управления экономикой и промыш-

ленностью страны отмечается востребованность высокотехнологич-
ной текстильной продукции на основе химических волокон и нитей 
в авиа- и автомобилестроении, медицине, сельском хозяйстве, военной 
промышленности, строительстве и ряде других областей. Использова-
ние высокопрочных синтетических материалов, таких как углеродное, 
базальтовое, кремниевое и другие волокна и нити, для получения ком-
позиционных материалов позволило внедриться даже в области тра-
диционных 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 по-
лимерных композиционных материалов (ПКМ) с 3D-тканым армиро-
ванием для деталей авиационной и космической отраслей требует от 
текстильной преформы точного соответствия заданной внешней фор-
ме изделия, устойчивости к расслоению, ударным и знакопеременным 
нагрузкам и др. Соответственно, возрастает и трудоемкость проекти-
рования таких текстильных преформ, увеличиваются сроки реализа-
ции новых проектов. Кроме того, современной тенденцией производ-
ства новых материалов является не только получение материалов с 
принципиально новыми уникальными свойствами, но и получение но-
вых материалов с заранее заданными физико-механическими свой-
ствами, определяемыми для конкретного изделия.

28 июля 2017 г. распоряжением Правительства РФ была принята 

программа «Цифровая экономика Российской Федерации», определя-
ющая цели и задачи развития цифровой экономики – экономического 
уклада, характеризующегося переходом на качественно новый уро-
вень 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, разра-
ботки новых продуктов, внедрения композитов в разных отраслях 
промышленности, а также перспективные рынки для композитов. Ми-
нистр промышленности и торговли Российской Федерации Денис 
Мантуров направил участникам форума приветственное слово: «Тех-
нологическое лидерство в глобальном мире требует максимальной 
мобилизации ресурсов и оперативного реагирования на быстроизме-
няющиеся 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 каче-
ственными 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 объемно-
армирующей основы для изготовления полимерно-композиционных 

материалов (ПКМ). Композиционный материал, изготовленный, на 
основе такой преформы имеет единую, взаимосвязанную, не подвер-
женную расслоению структуру, в отличие от слоистых ПКМ. Моно-
литная основа цельнотканых преформ придает изделиям, изготовлен-
ным на ее основе, высокие прочностные характеристики. Уникаль-
ность 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 модели-
рования структур переплетений данных преформ, создание их геомет-
рических моделей, позволяющих на уровне проектирования прогнози-
ровать геометрию преформы и ее свойства.

Достигнуть решения названных выше перспективных задач поз-

воляет разработка и внедрение систем автоматизированного проекти-
рования, в частности проектирования структур текстильных материа-
лов 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 мате-
риалы совершенно изменили подход к разработке новых конструкций. 
Коротко его можно сформулировать так: материал – технология –
конструкция – оборудование. Он требует одновременной согласован-
ной работы материаловеда, конструктора и технолога. … Свойства 
изделия должны быть заложены в материал и технологию изготовле-
ния еще на стадии его создания. Конечно, такой подход сложнее тра-
диционного, зато дает огромный выигрыш и в качестве готового изде-
лия, 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 технологи-
ческого процесса изготовления материала и с материаловедческой точ-
ки зрения – построением модели материала на основе изучения его 
особенностей строения. 

В исследовании, результаты которого представлены в данной 

монографии, для построения компьютерной модели текстильного ма-
териала использован второй, материаловедческий подход, когда объек-
ты – 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 по-
мощью объемно-армирующих преформ имеет значительные преиму-
щества: сокращение цикла изготовления сложнопрофильных деталей, 
снижение производственных расходов благодаря механизации про-
цесса и уменьшения доли ручного труда, возможность применения в 
серийном производстве. Технология позволяет за один технологиче-
ский цикл формования получать готовые детали без применения до-
полнительных приспособлений для намотки или выкладки материала.

Специалисты Всероссийского научно-исследовательского ин-

ститута авиационных материалов (ВИАМ) отмечают, что «Поскольку 
именно армирующий элемент является основным компонентом, опре-
деляющим механические свойства изделия из ПКМ, важную роль иг-
рает как материал преформы, так и ориентация ее структуры в про-
странстве. Преимущество использования именно объемно-арми-
рующих преформ состоит и в том, что технология их изготовления 
позволяет за одну операцию получать изделие с заданными парамет-
рами (длина, ширина, толщина). Это обеспечивает получение матери-
алов, характеризующихся повышенными механическими свойствами, 
а также разнообразием геометрических форм и стабильностью разме-
ров» [4].

Основными структурными элементами всех текстильных мате-

риалов или изделий, в том числе объемных тканых преформ, являются 
текстильные волокна и нити. Для изготовления текстильных материа-
лов используется большое разнообразие волокон и нитей, различаю-
щихся по химическому составу, строению, свойствам, показателям ка-
чества и др. При этом все текстильные материалы должны обеспечи-
вать заданные эксплуатационные характеристики, которые напрямую 
определяются свойствами волокон и нитей их составляющих и струк-
турой их переплетения. Для прогнозирования эксплуатационных 
свойств текстильных материалов, прежде всего, необходимо иметь 
геометрическую модель их строения в компьютерном формате для 
возможности последующей передачи ее в различные CAE-системы –
современные системы инженерного анализа.

Технологии 3D-ткачества в настоящее время начинают исполь-

зоваться для получения армирующих структур для композиционных 
материалов с повышенными механическими свойствами. В связи 
с этим данные технологии сейчас являются технологиями двойного 
назначения и охраняются государством. В данном направлении нет ни 
одного отечественного программного обеспечения, позволяющего 
строить геометрические модели различных 3D-тканых структур для 
производства преформ – армирующих каркасов композитного изделия
из высокопрочных синтетических волокон и нитей. Исследования в 
данном направлении являются не только актуальными, но и стратеги-
чески важными для государства.

Современные требования к новым текстильным материалам по-

стоянно растут и расширяют спектр их физико-механических свойств 
и других характеристик в зависимости от функционального назначе-
ния. Для проектирования изделий разработано большое количество 
программных пакетов инженерного анализа и CAE-систем, в которых 
исходными данными для материала являются его геометрическая мо-
дель, разрабатываемая в CAD-системах, и свойства материала в зави-
симости от характера решаемой задачи.

На примере только лишь одной фирмы ANSYS – мирового лиде-

ра разработчика программного обеспечения – можно увидеть многооб-
разие задач, которые могут быть решены с применением методов мате-
матического моделирования (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Многообразие решаемых задач 

в различных модулях программного обеспечения фирмы ANSYS inc

Многообразие решаемых задач, представленных на рис. 1, объ-

единяет один общий модуль – CAD-модель реальной структуры мате-
риала. 

Актуальность задач построения точных геометрических моделей 

может быть проиллюстрирована простыми примерами. Известен факт 
различной прочности при растяжении любого текстильного тканого 
материала по основе и утку. Представление текстильного материала в 
данном случае в виде параллелепипеда с толщиной, равной толщине 
ткани, никогда не объяснит данный факт. Аналогичное представление 
3D-ткани никогда не позволит решить задачу оптимального выбора 
структуры переплетения для получения заданных механических 
свойств. 

Для нетканых материалов геометрия переплетения одиночных 

волокон и их скрепление друг с другом определяют фильтрующую 
способность материала, его коэффициент теплопроводности и механическую 
прочность.

Доступ онлайн
500 ₽
В корзину