CC BY
26
ТЕКСТИЛЬНАЯ И ЛЕГКАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ
УДК «87:678. 029.42 О. В. УСТИНОВА
в. я. волков
М. А. ЧИЖИК
Омский государственный институт сервиса
Сибирская автомобильно-дорожная академия
ГЕОМЕТРИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ЛАЗЕРНОЙ СВАРКИ ТЕКСТИЛЬНЫХ ТЕРМОПЛАСТИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Для решения задач оптимизации параметров лазерной сварки по критериям качества сварных соединений текстильных термопластичных материалов предлагается метод многомерной начертательной геометрии, который заключается в построении чертежа поверхности пересечения гиперповерхностей факторов (основных параметров лазерной сварки) и гиперплоскости целевой функции (критерии качества сварного шва), что дает возможность на их основе создавать технологические карты процесса лазерной обработки материалов с различными свойствами и позволяет варьировать значениями | основных параметров процесса, выбирая при этом режимы, обеспечивающие требу-
емые свойства соединений.
Рост производства, наблюдаемый в последние го- применения в швейном производстве с высокой сте-
| ды в различных отраслях промышленности, предоп- пенью автоматизации на разных этапах изготовле-
ределяет необходимость применения новых высоко ния одежды, а именно для соединения деталей изде-
автоматизированных способов обработки изделий. лий одежды из текстильных термопластичных мате-
Развитие лазерной технологии дает основания для ее риалов.
з
Технологический лазер
Лазерное излучение
Рис.1. Схема и обозначение параметров, обеспечивающих процесс лазерной сварки текстильных материалов: Р- мощность лазерного излучения; V- скорость сварки; I- расстояние от среза сопла до поверхности свариваемого материала; в - сварочное давление; 6сп - диаметр луча на поверхности материала.
Для соединения текстильных термопластичных материалов в швейном производстве используют четыре способа сварки: термоконтактный, ультразвуковой, высокочастотный и плазменный. Однако широкое внедрение в производстве швейных изделий (бытового и специального назначения) эти способы не получили из-за недостаточной прочности получаемых соединений (=30 % от прочности ткани) и их низкой долговечности. Кроме того, перечисленные способы требуют материальных затрат в технологическом процессе. Использование лазерной технологии для соединения деталей швейных изделий позволяет исключить указанные недостатки, обеспечить высокую производительность способа, достаточную прочность и долговечность соединений. Высокая степень автоматизации процесса обработки материалов с использованием лазерной технологии (сварка) достигается за счет применения координатных устройств относительного перемещения луча и Детали и числового представления программы движения луча, включающего весь цикл работы.
Однако возможности лазерной технологии при обработке текстильных материалов в процессе изготовления швейных изделий мало изучены и до конца не раскрыты. Накоплен лишь небольшой опыт использования лазерной сварки для соединения деталей швейных изделий, недостаточный для решения актуальной для швейной промышленности задачи — создание соединений с прогнозируемыми качественными характеристиками.
Наиболее важным и общим показателем качества сварных соединений является их прочность. С целью прогнозирования прочностных свойств соединений, выполненных методом лазерной сварки, был проведен анализ теоретических и экспериментальных исследований, направленных на изучение процессов воздействия лазерного излучения на полимерные материалы и разработку теоретических основ прогнозирования прочности сварных соединений.
В результате проведенного анализа установлено, что прочность соединений, полученных методом лазерной сварки на текстильных термопластичных материалах, зависит, в первую очередь, от таких технологических параметров процесса, как мощность излучения (ру, скорость сварки (V), параметры фокусирующей системы, расстояние между срезом сопла и поверхностью обрабатываемого материала (I.), сварочное давление (д) и диаметр луча на поверхности материала (с1с п) (рис 1).
Для эффективного осуществления технологического процесса лазерной сварки текстильных термо-
пластичных материалов, а также для получения сварных соединений с заданными прочностными характеристиками, возникает необходимость оптимизации основных параметров процесса лазерной обработки по критериям качества. Или, другими словами, установление взаимосвязи факторов, определяющих процесс лазерной сварки текстильных термопластичных материалов с прочностными характеристиками сварных соединений.
Оптимизация указанных факторов (установление взаимосвязи факторов) является сложной многофакторной задачей. Проведенный анализ литературы показал, что для решения подобных задач используются методы математического моделирования. Однако моделирование процессов разрушающего и нераз-рушающего воздействия лазерного излучения на полимерные материалы используется очень редко. Это связано, в первую очередь, с тем, что в ходе разработки моделей данных процессов требуется установление взаимосвязи многих факторов и решение задач различного рода нелинейности. Кроме того, существующие модели не дают какой-либо информации о прочностных характеристиках соединений и не позволяют определить оптимальные режимы лазерной сварки, обеспечивающие получение соединений с требуемыми механическими свойствами.
Учитывая вышеперечисленные требования, для решения задач оптимизации параметров лазерной сварки по критериям качества сварных соединений предлагается метод многомерной начертательной геометрии. Предлагаемый метод не использует объемные вычисления, что исключает появление погрешности и позволяет учесть все факторы, оказывающие влияние на качество сварного соединения. Метод многомерной начертательной геометрии заключается в построении чертежа поверхности пересечения гиперповерхностей факторов (основных параметров лазерной сварки) и гиперплоскости целевой функции (критерии качества сварного шва). Построение чертежей делает метод геометрического моделирования наглядным, что дает возможность на их основе создавать технологические карты процесса лазерной обработки материалов с различными свойствами и позволяет варьировать значениями основных параметров процесса, выбирая, при этом, режимы, обеспечивающие требуемые свойства соединений.
Прикладная задача формулируется в зависимости от числа факторов системы (под факторами будем понимать основные параметры лазерной сварки) и целевой функции (критерии качества сварного шва) и может иметь следующие случаи:
1) к>^ 2) к = 3) к<], где к — число факторов системы; ^ — число целевых функций.
Для случая 1 выбираются гиперплоскости уровня целевых функций. Определяются (п —2)-поверхности пересечения гиперповерхности функции и гиперплоскости уровня. Определяется (п —} — ^-поверхность пересечения ](п — 2) -поверхностей. Если принять, что к — п— 1, то (п —] — 1)-поверхность будет размерности (к — ]). Таким образом, выбирая определенные значения основных параметров при условии, что 0-плоскости, заданные набором концентраций факторов, инцидентны (к — ^-поверхности, получим режимы сварки, удовлетворяющие требуемым значениям целевых функций. Если к = то получим единственный режим сварки по оптимальности параметров, удовлетворяющий целевым функциям. Если к < то задача не имеет решения. В этом случае необходимо или уменьшить число целевых функций или для одного и более факторов дать возможные границы изменений.
Далее необходимо свести прикладную задачу к геометрической задаче по определению поверхности пересечения гиперповерхности и гиперплоскости.
Предположим, что задана гиперповерхность, расслаивающаяся на торсовые двумерные поверхности и определяемая однопараметрическим семейством линий ик (1!к1, ик2, ик:1), принадлежащих некоторой двумерной поверхности Ф (Фг Ф? Ф3) (рис. 2). Проецирующая гиперплоскость задана а,. Выделим двумерную торсовую поверхность с ребром возврата и! (11ц, игг, иа), построим образующие и найдем точки пересечения образующих с гиперплоскостью а. Например, для образующей ЕО (Е,0,, Е202, Е303) на плоскости проекций ОХ,Х2 проекция точки пересечения О есть точка О,. Йз условия связи проекций точек одной образующей находим проекцию 02 на плоскости проекций ОХ,Х, и 03 на ОХ,Х4.
Аналогично находим точки пересечения остальных образующих торсовой двумерной поверхности. Из условия непрерывности однопараметрического семейства образующих следует, что точки пересечения их с гиперплоскостью определяют линию V (Уи, У-2, У13). Таким образом, семейство линий ик (ик1, ик2,11к:1) определит однопараметрическое семейство торсовых двумерных поверхностей, каждая из которых с гиперплоскостью б пересекается по линии Ук (Ук1, Ук2, Ук:1). Тогда семейство линий определит двумерную поверхность Г (Гг Г2, Г.,).
Таким образом, построенный многомерный чертеж поверхностей может являться геометрической моделью технологического процесса сварки текстильных материалов, практическое применение которой позволит, варьируя значениями основных параметров процесса, выбирать режимы, обеспечивающие требуемые свойства соединений.
С целью апробации разработанной геометрической модели процесса лазерной сварки текстильных термопластичных материалов, полученной на основе методов многомерной начертательной геометрии, возникла необходимость в более подробном ее рассмотрении применительно к решению задач оптимизации основных параметров режимов процесса по критериям качества сварного соединения. Напомним, что основными технологическими параметрами процесса лазерной сварки являются: мощность излучения (р;, скорость сварки (V), параметры фокусирующей системы, расстояние между срезом сопла и поверхностью обрабатываемого материала Щ сварочное давление (С) и диаметр луча на поверхности мате-
Рис. 2. Схема построения двумерной поверхности пересечения гиперповерхности и гиперплоскости.
риала (ЛсК) (рис. 1). Одним из основных условий, обеспечивающих возможность осуществления соединения деталей изделий лазерной сваркой, является наличие в волокнистом составе материала не менее 60% термопластичных волокон. Таким образом, для проведения эксперимента использовался материал с полимерным покрытием — винилискожа-Т галантерейная, который является представителем текстильных термопластичных материалов.
В качестве геометрической модели зависимости прочности сварного шва от перечисленных выше основных параметров процесса лазерной сварки выбрана гиперповерхность четырехмерного пространства, которая задана в виде семейства двойных изолиний на чертеже Радищева - модели четырехмерного пространства [1].
Для построения чертежа гиперповерхности факторов использовались следующие данные: экспериментальные графики зависимостей прочности сварного соединения Рр от зазора между срезом сопла и поверхностью обрабатываемого материала I и заданные значения установленных диапазонов регулировки скорости перемещения образца Утл. мощности лазерного излучения {.
Таким образом, задав гиперповерхность факторов на чертеже (рис. 3,4), можно определить различные зависимости для ведения оптимального и экономичного технологического процесса.
Для обеспечения необходимого уровня качества швейных изделий прочность соединений (определяемая разрывной нагрузкой) должна находиться в прямой зависимости от прочности используемого текстильного материала. Так для швейных изделий из материалов с полимерным покрытием (винилискожа-Т галантерейная) разрывная нагрузка сварного шва должна быть не ниже 100 Н. Для определения
Рис 3. Гиперповерхность, моделирующая прочность сварного шва в зависимости от скорости перемещения образца и зазора между срезом сопла и поверхностью обрабатываемого материала
при /=45 Вт.
чооннэутгигош «ухш и вунятоял
го ьо
во яю по но
Рис 4. Гиперповерхность, моделирующая прочность сварного шва в зависимости от мощности излучения и зазора между срезом сопла и поверхностью обрабатываемого материала при У'=0,5м/мин.
мог <»» с «I хишээа ипнмун иихэио
оптимальной величины регулируемых параметров на чертеже строим граничную поверхность прочности как пересечение гиперповерхности фактора прочности и гиперплоскости определенного значения прочности Рр= 100 Н (рис. 3, 4).
На плоскости проекций « V— Ь» и « /— I» линии 1, 2, 3, 4 определяют каркас граничной поверхности.
Выбирая определенные значения мощности лазерного излучения, в нашем случае / = 45 Вт (рис. 3), определим чертеж зависимости скорости перемещения образца от зазора между срезом сопла и поверхностью обрабатываемого материала и, наоборот, выбирая определенное значение скорости перемещения образца, например, V = 0,5 м/мин (рис. 4), можно по чертежу установить зависимость мощности излучения от зазора между срезом сопла и обрабатываемым материалом.
Апробация метода показала, что установленные по чертежам гиперповерхности факторов значения параметров режимов процесса обеспечивают получение заданной прочности сварных швов.
Таким образом, многомерные чертежи поверхностей позволяют, варьируя значениями основных параметров лазерной сварки, выбирать режимы,
обеспечивающие требуемые свойства соединений, и могут быть использованы в качестве операционных карт выбора оптимальных режимов технологического процесса лазерной сварки текстильных термопластичных материалов.
Библиографический список
1. Радищев В.П. О применении геометрии четырех измерений к построению разновесных физико-химических диаграмм.// Изв.СФХА. - М., 1947. - Т.15. - с. 129 - 134.
УСТИНОВА Ольга Владимировна, аспирантка кафедры конструирования швейных изделий Омского государственного института сервиса. ВОЛКОВ Владимир Яковлевич, доктор технических наук, профессор кафедры начертательной геометрии Сибирской автомобильно-дорожной академии. ЧИЖИК Маргарита Анатольевна, кандидат технических наук, доцент кафедры конструирования швейных изделий Омского государственного института сервиса.
удк 687.016 И. Г. БРАИЛОВ
Ю.В. КИСЛИЦИНА
Омский государственный технический университет
Омский государственный институт сервиса
ОЦЕНКА БАЛАНСА
СИСТЕМЫ «ЧЕЛОВЕК—ОДЕЖДА»_
В настоящей статье рассматривается модель поведения системы «человек—одежда» под действием силы тяжести и предлагается способ оценки баланса системы «человек-одежда» с точки зрения ее статического равновесия.
Обеспечение высокого качества одежды в настоящее время требует проведения многочисленных примерок и уточнений конструкции на фигуре человека. Неизбежность этой трудоемкой процедуры вызвана недостаточной изученностью причин дефектов баланса и отсутствием способов прогнозирования их на начальных этапах проектирования. Проведенный анализ факторов, влияющих на пространственную сбалансированность одежды из тяжелых материалов, выявил необходимость исследования влияния массы отдельных участков изделия на его баланс [ 1 ].
Для оценки вертикальной сбалансированности системы «человек —одежда» вся поверхность плечевого изделия разделяется на составные части: переднюю поверхность (полочку) и заднюю поверхность (спинку).
Условием покоя (статического равновесия) любого физического тела является равенство нулю главного I векторадействующих на систему сил (уравновешен-
ность действующих на систему сил) [2]. В отношении баланса системы «человек — одежда» условием равновесия следует считать равенство суммарной силы
, действующей напереднюю поверхность изделия (полочку) и суммарной силы , действующей на заднюю поверхность изделия (спинку):
<з)
или
(1)
(2)
Вся поверхность одежды по характеру контакта с фигурой человека разделяется на опорные участки -опирающиеся на корпус человека, и на неопорные -свободно спадающие,
