РАЗРАБОТКА И ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДА ОПРЕДЕЛЕНИЯ
ДЕФОРМАЦИОННЫХ И ПРОЧНОСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК НИЗА ОБУВИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДА КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Специальность 05.19.06 – «Технология обувных и
кожевенно-галантерейных изделий»
ГЛАЗУНОВА Наталья Андреевна
Москва - 2009
Диссертационная работа выполнена в Самарском государственном техническом университете, в Российском заочном институте текстильной и легкой промышленности
Научные руководители:
доктор технических наук, профессор Клебанов Яков Мордухович
доктор технических наук, профессор Александров Сергей Петрович
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор Лопандин Игорь Васильевич
кандидат технических наук Киселева Марина Викторовна
Ведущая организация: ОАО "Центральный научно-исследовательский институт кожевенно-обувной промышленности"
Защита состоится «___» ______________ 2009 г. в ____ часов на заседании
диссертационного совета Д 212.144.01 при Московском государственном университете дизайна и технологии по адресу: 117997 г. Москва, ул. Садовническая, 33.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета дизайна и технологии
Автореферат разослан «___»____________2009 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Киселев С.Ю.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Для деталей низа обуви важным показателем является долговечность. В связи с циклическим характером процессов деформирования при носке особенно важна стойкость к механическим факторам износа. Одним из наиболее часто встречающихся дефектов подошв обуви, возникающих во время эксплуатации, является излом подошвы. Трещина обычно образуется в пучках, то есть на участке, в котором подошва испытывает максимальные напряжения и деформации. От конструкции низа обуви зависят условия работы подошвы в местах, подвергающихся многократному изгибу. Наличие рифления на ходовой стороне вызывает концентрацию напряжений и способствует излому подошвы. Правильно выбранная конструкция подошвы обуви позволяет создавать необходимый запас прочности и долговечности.
До настоящего времени проектирование подошв обуви проводилось опытно-экспериментальным путем. Конструктивные решения основывались в большей степени на интуиции и накопленном опыте. В связи с широким распространением информационных технологий, повышением требований к надежности и экономичности изделий перед проектировщиками и конструкторами ставится задача значительного ускорения проектирования и улучшения его качества. С возрастанием сложности и динамичности современного производства должны сокращаться и сроки разработки и внедрения новейших инженерных решений. Это становится возможным при использовании современных технологий компьютерного проектирования. Поэтому возникает задача создания новых подходов к проектированию подошв обуви, основанных на использовании современных методов компьютерного моделирования и численных методов расчета и, прежде всего, метода конечных элементов (МКЭ). Оценка напряженно-деформированного состояния системы низа обуви позволяет подробно изучить механическое поведение деталей обуви, определить влияние конструкции подошв на их стойкость к циклическим нагрузкам.
Актуальность создания метода определения деформационных и прочностных характеристик низа обуви на основе конечно-элементного анализа обуславливается двумя основными предпосылками: 1) анализ конструкции низа обуви при помощи МКЭ позволяет получить значительно больше детальной информации о характеристиках изделия, а также о его поведении под воздействием внешних факторов; 2) основанное на реализации МКЭ компьютерное моделирование дает возможность заменить трудоемкие операции изготовления и испытания физической модели на испытания виртуальной модели и практически сразу перейти к изготовлению изделия.
Целью работы являлась разработка метода анализа и проектирования низа обуви на основе применения современных численных методов механики деформируемого твердого тела и, прежде всего, МКЭ с использованием экспериментальных данных по исследованию усталостных свойств материалов и конструкций низа обуви.
Для достижения этой цели потребовалось решение следующих задач:
1. Разработка и реализация метода иерархического моделирования механического поведения деталей и конструкций низа обуви при изгибе;
2. Модернизация и разработка устройств для экспериментального определения усталостных свойств материалов и конструкций низа обуви при изгибе;
3. Проведение испытаний материала низа обуви на кратковременную и усталостную прочность, усталостных испытаний подошвы обуви;
4. Изучение влияния геометрических параметров подошвы обуви на ее механическую прочность.
Объектом исследования является конструкция деталей низа обуви, включающая основную стельку, геленок, полустельку и формованную подошву с рифлением.
Предмет исследования – напряженно-деформированное состояние подошвы при изгибе.
Методы исследований. Экспериментальные данные в работе получены с помощью специально спроектированных устройств. Обработка результатов эксперимента проводилась методами математической статистики. Методами конечно-элементного анализа и иерархического моделирования в работе создавались компьютерные модели обуви и ее деталей, проводился анализ их механического поведения.
Ограничения. Основной задачей работы является изучение напряженно-деформированного состояния низа обуви при изгибе. Условия проскальзывания подошвы по опоре не рассматриваются, так как практически не оказывают влияние на прочность подошвы.
В качестве модели материала в работе применена модель гиперупругого поведения Муни-Ривлина. Такая модель достаточно адекватно описывает поведение резиноподобных материалов. Однако она не учитывает остаточных деформаций, возникающих в материале в процессе деформирования. Учитывая, что остаточные деформации существенно меньше гиперупругих и в нашей работе не используются для оценки долговечности материала, выбор модели Муни-Ривлина для описания свойств резиноподобных материалов можно считать вполне обоснованным.
Научная новизна работы состоит в следующем:
· Разработан метод численного иерархического анализа механического поведения деталей низа обуви при эксплуатации, основанный на применении метода конечных элементов;
· Спроектирована, изготовлена и отлажена экспериментальная установка для испытаний на многоцикловый изгиб образцов резиноподобных материалов, деталей и конструкций низа обуви;
· Получены новые экспериментальные данные об усталостных свойствах материала и конструкции низа обуви из термоэластопласта;
· Изучено влияние конструктивных параметров рифления подошвы на ее напряженно-деформированное состояние.
Практическая значимость работы. Разработанный метод позволяет детально проанализировать создаваемую конструкцию низа обуви с учетом ее геометрической и физической нелинейности, что в свою очередь дает возможность спрогнозировать ее эксплуатационные свойства уже на стадии проектирования. Использование виртуальных испытаний позволяет исключить длительные и дорогостоящие натурные испытания обуви и ее деталей, тем самым, ускоряя ввод модели в производство.
Созданная установка улучшает качество и эффективность усталостных испытаний образцов резиноподобных материалов и конструкций низа обуви.
Проведенные усталостные испытания могут быть использованы для прогнозирования долговечности подошв разнообразной конструкции из исследованного материала – термоэластопласта.
Практическая значимость работы подтверждается актами об использовании результатов работы в учебном процессе, а также при проектировании подошв на ФГУП «Самарское протезно-ортопедическое предприятие» Росздрава.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и приложений. Работа изложена на 145 страницах основного текста, содержит 81 рисунок, 6 таблиц, библиографический список из 119 наименований.
Апробация. Результаты научных исследований опубликованы в 11 научных работах и докладывались на Поволжской региональной научно-практической конференции «Состояние и перспективы развития сервиса в Поволжском регионе» (Самара 2002, 2003), Всероссийской научно-технической конференции «Легкая промышленность. Сервис. Научные исследования аспирантов и молодых ученых вузов» (Самара 2005), третьей, четвертой и пятой Всероссийской научной конференции с международным участием «Математическое моделирование и краевые задачи» секция «Математические модели механики, прочности и надежности элементов конструкций» (Самара 2006, 2007, 2008), Международной конференции «Современные информационные технологии в образовании, науке и промышленности» (Москва 2009).
На защиту выносятся:
1. Метод определения деформационных и прочностных характеристик низа обуви с использованием метода конечных элементов;
2. Результаты экспериментального исследования усталостных свойств термоэластопласта и конструкции низа обуви с подошвой из этого же материала;
3. Результаты анализа влияния конструктивных факторов на характер распределения напряжений и деформаций в подошве обуви при ее изгибе.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цели и задачи исследования, отражена научная новизна и практическая значимость результатов работы.
В первой главе представлен литературный обзор работ по исследованию изгиба деталей низа обуви и прочности обувных подошв. Изучение литературы показало, что вопросы кинематики стопы при ходьбе и беге, процесса изгиба деталей низа обуви при эксплуатации исследованы достаточно подробно.