CC BY
65
УДК 687.03(075.8)
К ВОПРОСУ ПОЛЗУЧЕСТИ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ
ШВЕЙНЫХ ИЗДЕЛИЙ
Архипова Татьяна Николаевна, кандидат технических наук, доцент,
arhimoda@mail.ru,
Сучилин Владимир Алексеевич, доктор технических наук, профессор,
Suchilin_V@ mail. Ru,
ФГОУВПО «Российский государственный университет туризма и сервиса»,
г. Москва
In article the question of creep of sewing materials is considered at clothes operation, curves of creep of various materials, and also restoration of creep of a material are shown. Besides, the information on a relaxation of pressure in materials is presented, various physical models of materials are considered.
В статье рассматривается вопрос ползучести швейных материалов при эксплуатации одежды, показаны кривые ползучести различных материалов, а также восстановления ползучести материала. Кроме того, представлена информация по релаксации напряжений в материалах, рассмотрены различные физические модели материалов.
Keywords: materials technology of sewing manufacture, deformation of materials, creep of materials
Ключевые слова: материаловедение швейного производства, деформация материалов, ползучесть материалов
В литературных источниках по материаловедению швейного производства широко описываются методы испытания различных материалов, применяемых при производстве одежды, на растяжение [2]. Приводятся диаграммы «нагрузка -растяжение», получаемые на разрывных машинах, например типа РТ-250. Выделяются на диаграммах участки упругой и пластической деформаций. Однако при рассмотрении законов деформирования в теории упругости и пластичности швейных материалов не учитывается фактор времени. В реальных условиях эксплуатации швейных изделий деформации материалов не остаются неизменными во времени.
Явление медленного роста деформации при постоянной нагрузке называется ползучестью. На рис. 1 показаны возможные типы кривых ползучести различных материалов [3].
По оси абсцисс отложено время t, по оси ординат - относительное удлинение 8. При нагружении образец получает мгновенную деформацию незначительной величины 80 (отрезок 0А), которая может быть упругой или пластической.
На кривой ползучести АВСК можно отметить три характерных периода деформирования. Первый период (переходный) характеризуется уменьшением скорости ползучести. На рис. 1 это отрезок АВ.
0 t
Рис. 1. Кривые ползучести материалов
Длительность переходного периода относительно невелика. Второй период (отрезок ВС) характеризуется постоянной скоростью ползучести. В зависимости от условий деформирования эта стадия имеет различную продолжительность. Этот процесс показан в виде двух участков ВС кривых 2, 3 (рис. 1). В некоторых случаях второй период может заканчиваться третьим участком (участок СК). На этом участке скорость ползучести резко возрастает и период заканчивается разрушением образца.
В некоторых случаях кривая ползучести может иметь первый период АВ и участок ВД (кривая АВД). В этом случае скорость ползучести затухает до нуля, и деформация материала стремится к некоторому конечному пределу.
Деформации ползучести могут быть как упругими, так и пластическими, что выявляется при разгрузке материала. После снятия нагрузки образец либо восстанавливает прежние размеры, либо восстанавливается частично. Первая из них деформация называется обратной ползучестью или восстановлением. При упругой ползучести (рис. 2) деформации, возникающие в процессе нагружения, после снятия нагрузки с течением времени исчезают, то есть стремятся к нулю (к оси 0^). При пластической ползучести эти деформации после разгрузки уменьшаются, стремясь к некоторому конечному пределу, то есть, как показано на рис. 2, к линии а - а.
Рис. 2. Кривая восстановления ползучести материалов
Явление ползучести имеет и другую сторону: при неизменной деформации напряжения не остаются постоянными, а с течением времени уменьшаются, стремясь также к некоторому пределу (рис. 3). Подобное явление носит название релаксации напряжений. Скорость релаксации в начале процесса велика, но с течением времени падает, в пределе стремясь к нулю. Релаксация напряжений объясняется развитием в материале деформаций ползучести. При постоянной общей деформации доля упругой деформации снижается, а соответствующая ей доля напряжений уменьшается. В реальных материалах релаксация напряжений и деформаций, как правило, проходят одновременно.
о
Оо
Рис. 3. Кривая релаксации напряжений в материалах
Задача механической теории ползучести состоит в установлении определяющих уравнений, связывающих механические параметры состояния - напряжения о и деформации £. Процесс ползучести часто заканчивается разрушением материала, поэтому в идеале механическая теория ползучести должна содержать в себе элементы, позволяющие предсказывать момент разрушения.
Пока еще нет исчерпывающего объяснения природы ползучести, поэтому не разработана всеобъемлющая теория ползучести. Существует несколько теорий, которые в зависимости от гипотез, положенных в их основу, можно сгруппировать следующим образом: теория упрочнения; теория течения; теория старения; теория наследственности [3]. Все эти теории базируются на следующих общих допущениях:
0
материал является однородным и изотропным;
• между деформациями ползучести и напряжениями существует линейная зависимость;
• для деформаций ползучести справедлив принцип независимости действия сил;
• деформация ползучести протекает одинаково при растяжении и сжатии.
Общепринято, что ползучесть представляет собой длительный процесс вязкого течения, при котором происходят структурные изменения в материале. Наиболее наглядно этот процесс можно описать с помощью механических моделей элементарных составляющих элементов. Механические свойства швейных материалов включают, как правило, упругую и вязкую составляющие. Упругая составляющая, как известно, подчиняется закону Г ука оу =Е 8, где оу - напряжение в материале, пропорционально его деформации - 8; Е - модуль упругости материала. Для такой составляющей характерна наиболее простая графическая зависимость, отражающая диаграмму растяжения в виде наклонной прямой ОА, проходящей через начало координат (рис. 1).
Физическая модель упругой составляющей может быть представлена в виде упругой пружины (рис. 4).
Рис. 4. Физическая модель упругой составляющей швейного материала
Вязкая же составляющая зависит от параметров внутреннего сопротивления - R и скорости деформирования є, т.е. ав = R є.
Физическая модель вязкой составляющей может быть представлена в виде гидравлического демпфера (рис. 5).
Рис. 5. Физическая модель вязкой составляющей швейного материала
Сочетание в разных вариантах этих элементов позволяет составлять физические модели различных по составу и свойствам швейных материалов и отражать их механические свойства в аналитическом виде [5. С. 7].
Параллельное их соединение (рис.6,а), называемое моделью Фойгта, предполагает, что деформация обоих элементов одинакова, а напряжения в сумме составляет полное напряжение: а = ау + ав. Следовательно, а = Е е + R £ является дифференциальным уравнением, решение которого при а = а 0 имеет вид
Если в начальный момент времени t = 0 швейный материал получает силовое воздействие, приводящее к возникновению мгновенной деформации £ = £0, то
(1).
С = £ 0 - о 0 /Е
уравнение (1) принимает вид
е = а 0 /Е + (е 0 - а 0 /Е) е ~т / R
(2).
С течением времени мгновенная деформация £о увеличивается и асимптотически приближается к величине о 0 / Е.
Рис. 6. Физические модели швейных материалов: а - параллельное соединение элементов структуры; б - последовательное соединение элементов структуры
Снятие силового воздействия, например при t = и приводит к моменту разгрузки по зависимости
г = Се -Е/й (3).
Учитывая, что к этому моменту деформация материала достигала значения
£1= а 0 / Е + (г 0 - а 0 /Е) е ^й , то для определения значения С в формуле (3) граничные условия будут при
t = и
£ = £] - а 0 / Е.
Тогда С = (£] - а0/ Е) е~Ек'к и подстановка этого выражения в формулу (3) получаем закон изменения деформации материала при разгрузке
е = £ - а0/ Е) е~Е(М1)/й (4).
Закон деформирования швейного материала по формуле (2) с последующей разгрузкой по формуле (4) показан на рис 7.
Рис. 7. Деформация швейного материала, соответствующего физической модели Фойгта
Последовательное соединение этих элементов является моделью Максвелла, которая предполагает, что напряжения в вязком и упругом элементах одинаковы, а деформация системы равна сумме их деформаций: 8 = 8у + 8в. Следовательно, о = Е 8у =
R 8в. В этом случае при снятии силового воздействия на материал начальное напряжение с течением времени будет убывать без скачка и стремиться к нулю, то есть данная физическая модель отражает плавную релаксацию напряжений в швейном материале. Алгоритм расчета механических характеристик швейного материала по данной физической модели имеет много общего с приведенным выше алгоритмом.
Швейные материалы могут иметь и более сложные физические модели, включающие в свою структуру не только два начальных элемента, а три и более в разном сочетании. Они будут различаться и по механическим свойствам, и алгоритмам расчета. Адекватность приведенных физических моделей можно подтвердить путем испытаний швейных материалов на разрывных машинах, например типа РТ-250.
Однако для оценки механических характеристик швейных материалов от воздействия объемных деформаций, когда форма воздействующих элементов имеет, например,
полусферический вид, а материал одежды в этой зоне приобретает форму полусферической оболочки, необходимы другие, более сложные физические модели и аналитические зависимости. Следовательно, для проведения испытаний швейных материалов и элементов одежды в подобных условиях требуют и специальных установок. Указанную установку [4, 5] авторы разработали в рамках госбюджетной НИР, что позволит получить новые знания в этой области. В настоящее время выполняется планирование эксперимента на ней.
Определение механических характеристик швейных материалов, в случае если образец швейного материала представлен в виде пакета, скрепленного швом (строчкой), осуществляется в целом аналогично описанному в статье [5] испытанию образца швейного материала.
Таким образом, начиная с выбора материалов, учитывая характеристики деформируемости материалов (ползучесть, релаксация и др.), масштабы и цикличность производства, зная особенности компоновки высокотехнологичных элементов в изделиях [6], нужно смоделировать оптимальный способ обработки деталей и узлов, получить необходимый технологический маршрут его реализации, обеспечить требуемую минимальную трудоемкость сборки. Последовательно решая все эти конструктивнотехнологические задачи под углом зрения тех требований, которые диктуются принципом рациональности, разработчик создает предпосылки к тому, что высокотехнологичное изделие как объект производства будет технически совершенен и экономически целесообразен.
Литература
1. Абрамов В.Ф., Костылева В.В. и др. Технологические процессы производства изделий легкой промышленности. М.: МГУДТ, 2003. 572 с.
2. Бузов Б.А. Материаловедение швейного производства. Учебник для вузов. М., 2003. 430 с.
3. Самуль В.И. Основы теории упругости и пластичности. М.: Высш. школа, 1982. 264 с.
4. Сучилин В.А, Архипова Т.Н., Лунюшкина Т.В. Устройство для механических испытаний швейных материалов и соединений. Патент РФ №2 336 517. Бюл. № 29. 2008.
5.Сучилин В.А., Архипова Т.Н., Лунюшкина Т.В., Чубаров В.Б., Булгина И.А. Моделирование механических свойств швейных материалов на основе методов реологии // Теоретические и прикладные проблемы сервиса. 2007. № 4 (25). С. 5-9.
6. Сучилин В.А., Архипова Т. Н., Маршуба Д.С. Некоторые особенности наукоемких технологий в швейном производстве // Теоретические и прикладные проблемы сервиса. 2009. № 4 (33). С. 48-52.
