ОСОБЕННОСТИ СКЛАДКООБРАЗОВАНИЯ ДЛЯ ОЦЕНКИ ФОРМОУСТОЙЧИВОСТИ ТКАНЕВЫХ ОБОЛОЧЕК, ПРОПИТАННЫХ ПОЛИМЕРНОЙ КОМПОЗИЦИЕЙ

АННОТАЦИЯ

В статье представлены материалы о процессе складкообразования костюмных тканей с различным волокнистым составом на основе рассмотрения тканевой оболочки, подвергающейся упругому изгибу в виде стержня с двумя шарнирно закрепленными концами и с двумя защемленными концами.

Визуальная оценка формоустойчивости материалов, пропитанных полимерной композицией, осуществлена размещением образцов на шаре по форме, вида и количеству складок, являющихся реакцией и поведением материала на не развертываемой поверхности.

ABSTRACT

The article presents materials on the process of folding costume fabrics with different fibrous composition based on the consideration of a fabric shell subjected to elastic bending in the form of a rod with two hinged ends and two pinched ends.

A visual assessment of the dimensional stability of materials impregnated with a polymer composition was carried out by placing samples on a ball according to the shape, type and number of folds, which are the reaction and behavior of the material on a non-developable surface.

Ключевые слова: складкообразование, складки, тканевая оболочка, изгиб, стержень, шарнир, сила критическая, модуль упругости, разрывная нагрузка, полимерная композиция, формоустойчивость.

Keywords: folding, folds, fabric shell, bending, rod, hinge, critical force, modulus of elasticity, breaking load, polymer composition, dimensional stability.

Одним из главных критериев оценки одежды является качество ее посадки на фигурах потребителей, которое определяется степенью соответствия размеров одежды размерам тела человека и, в первую очередь, в области опорной поверхности. Отсутствие такого соответствия приводит к формированию различных дефектов на деталях одежды (полочке, спинке, рукаве и др.): замины, складки и морщины.

Для повышения формоустойчивости и повышения качества одежды необходимо изучить основные причины этих дефектов.

Важнейшие эксплуатационные показатели одежды, как формоустойчивость и износостойкость  отдельных ее деталей, в значительной степени определяются характером и особенностями образования складок. Так, зоны образования складок в одежде, число и высота складок являются функцией зазора между поверхностью одежды и телом человека. Характер образования складок зависит от жесткости тканевой оболочки (пакета одежды), способа формозакрепления деталей одежды, сил трения между внутренними поверхностями одежды.

Несмотря ни сложную пространственную конфигурацию тканевой оболочки, характер ее изгиба на каждом локальном  участке близок к плоскому изгибу. В процессе носки изделия и, соответственно, действия эксплуатационных нагрузок, перераспределения складок практически не наблюдается [1,2] и образовавшиеся складки только увеличиваются в размере. Таким образом, начальный упругий изгиб участка материала  с течением времени закрепляется в изделии.

Для расчета основных форм упругого изгиба отдельных элементов тканевой оболочки  с некоторыми   ограничениями может быть использована нелинейная теория больших упругих перемещений. При расчетах примем, что материал подчиняется закону Гука, а напряжения во всех точках меньше предела упругости. 

В зависимости от характера нагружения отдельных участков одежды и времени действия эксплуатационных нагрузок обычно наблюдаются два характерных вида складок [2]. Первый вид складок, формирующихся в результате длительного действия циклических нагрузок, отличается тем, что в граничных зонах каждого рассматриваемого участка отсутствует изгибающий момент M  из-за неизбежных усталостных изменений. Данная форма участка тканевой оболочки длиной l может быть смоделирована как двухопорный стержень шарнирно  закрепленными концами (рис.1).

Влияние правой половины участка ткани характеризуется осевой силой N  и парой с моментом M_с, возникающей вследствие переноса силы N в точку С.

Второй вид складок типичен у новых изделий, а также у изделий, изготовленных из материалов с малыми эластическими и пластическими деформациями, на участках с небольшими радиусами кривизны. Подобная форма участка ткани может быть смоделирована как стержень с двумя защемленными концами материала (рис.2).

В точках  А и В при жестком защемлении стержня кроме осевых сил сжатия возникают изгибающие моменты M_А и M_В. Если рассматривать несколько последовательных участков изделия из ткани с разрезом складок в поперечном направлении, то обнаруживается их волнообразное расположение с переменным периодом  и амплитудой  (высотой).

Для обоих видов складок определим наименьшую критическую силу N_кр, соответствующую потере устойчивости плоского тканевого материала. Как следует из сопротивления материалов [3], критическое значение сжимающего осевого усилия на стержень можно выразить по обобщенной формуле Эйлера:

       N_кр=,                                                      (1)

где  коэффициент приведения длины, зависящий от способа закрепления концов стержня;

Е-модуль продольной упругости (модуль Юнга), Н/мм²;

-наименьший главный момент инерции площади поперечного сечения участка материала, мм⁴;

длина участка ткани, мм.

Рисунок 1. Модель шарнирно закрепленного участка тканевой оболочки некоторой длины l с сжимающими силами N, действующими на границах А и В (а); б)-левая половина исходного участка ткани

Рисунок 2. Модель участка тканевой оболочки некоторой длины l с защемленными концами (а); б)-левая половина исходного участка ткани

Для случая шарнирного закрепления обоих концов стержня ; для случае обоих защемленных концов . Поэтому обобщенная формула Эйлера (1), принимаемая в качестве расчетной модели, имеет вид:

1) для стержня с шарнирно закрепленными концами

N_кр=                                                           (2)

2) для стержня с защемленными концами

N_кр=                                                          (3)

Обобщенная формула Эйлера (1) справедлива, если напряжения и деформации в стержне в момент потери устойчивости имеют значения, соответствующие упругой области, т.е. напряжение   зависящее от N_кр, остается ниже предела пропорциональности  материала:

,                                           (4)

где  площадь поперечного сечения стержня, мм².

С учетом того, что минимальный радиус инерции i_min поперечного сечения составляет

,    мм

то выражение (4) преобразуется к виду

,     Н/мм²;                                              (5)

В формуле (5) введено очень важное понятие - гибкость стержня

Таким образом, область применения формулы Эйлера окончательно представится в виде

,         Н/мм²;                                              (6)

откуда следует зависимость для минимального значения гибкости  ниже которой формула Эйлера становится непригодной:

                                                            (7)

Отметим, что случай стержня с шарнирно закрепленными концами (рис.1) часто принимается в качестве расчетной модели в практических приложениях и поэтому его относят к основному случаю продольного изгиба призматического стержня.

В случае стержня с защемленными концами (рис.2) возникающие реактивные моменты М_А и М_В удерживают концы от поворота при продольном изгибе сжимающей силой  N. Одновременное действие сжимающей силы N и концевых моментов М  эквивалентно некоторой сжимающей силе, приложенной эксцентрично. На контуре складки появляется точка перегиба D_п, где линия действия силы пересекает изогнутую ось и изгибающий момент в этих точках равен нулю.

Как следует из выражения (1) и его частных случаев (2), (3), с уменьшением длины стержня  критическая сила возрастает и в случае превышения значения N_кр происходит потеря устойчивости, что ведет к возникновению складки на рассматриваемом участке одежды.

Анализ зависимости (2) показывает, что при постоянных значениях длины образца  и размеров поперечного сечения стержня (ткани), влияющих на момент инерции  критическая сила N зависит пропорционально от модуля упругости Е материала. Чем  выше значение этой силы, тем материал более способен сопротивляться складкообразованию, характеризерошемуся количеством и высотой складок. Таким образом, увеличив модуль упругости материала, а значит и жесткость, можно целенаправленно воздействовать на процесс складкообразования и в целом на формоустойчивость изделия.

Экспериментальное определение модуля упругости текстильных материалов сопряжено с определенными трудностями и, прежде всего, из-за нелинейного характера деформации уже в начальной стадии деформирования. В  этой связи в текстильном материаловедении чаще всего используется модуль для начальной стадии растяжения (для удлинений порядка 1-2%) волокон и нитей, когда значительная доля удлинения (до 95%) может условно рассматриваться как упругая [4].

С модулем упругости Е, как известно, тесно связана важнейшая механическая характеристика материалов - предел прочности или разрывная нагрузка, определяемая экспериментально при растяжении образцов по стандартной методике. Правомочность такого подхода обусловлена тем, что даже после обработки ткани полимерной композицией площадь ее поперечного сечения и толщину ткани можно считать не изменяющимися. Поэтому вместо модуля упругости можно рассматривать разрывную нагрузку тканей для их сравнительного анализа после пропитки полимерной композицией.

Результаты экспериментальных исследований разрывной нагрузки и разрывного удлинения (табл.) свидетельствует о том, что вследствие пропитки полимерной композицией костюмных тканей разрывная нагрузка увеличилась на 8,3 % и 20,6% соответственно для тканей  с артикулом 18305 и 19716. Для ткани с артикулом 18763 разрывная нагрузка по основе и утку практические не изменяется.

Таким образом, можно предположить, что складкообразование будет менее интенсивным для тканей, имеющих повышенные значения разрывной нагрузки. 

В настоящей работе предложено оценивать формоустойчивость изделия через свойства тканевой оболочки, проявляемые как поведение материала на объемной форме одеваемого участка фигуры. В данном проявлении оказывает влияние целый комплекс формовочных характеристик: жесткость, упругость, трансформация сетевых углов, драпируемость и др. Учет способности материала повторять сложную не развертуемую поверхность является важным моментом при проектировании некоторых параметров формообразующих элементов конструкции швейных изделий.

Авторы [5] для описания поведения материала на опорной зоне одежды разработали новый показатель – одевающая способность, который определяет способность материала повторять форму одеваемой им объемной поверхности. Численная характеристика данного показателя представлена коэффициентом одевания, определяемым как отношение площади областия покрытия материалом поверхности при непосредственном контакте поверхности материала и поверхности одевания к общей площади одеваемой поверхности, в качестве которой принята поверхность шара.

Таблица 1.

Данные экспериментальных исследований разрывной нагрузки и разрывного удлинения для костюмных тканей

Как известно, поверхность шара и опорная поверхность фигуры имеют общее свойство, характерное для абсолютно неразвертываемых тел и поэтому можно предположить, что поведение материала на поверхности шара будет подобным поведению материала на опорной поверхности фигуры. Определение одевающей способности состоит в размещение плоского размера образца материала на шаре и определении размеров сектора полусферы, покрытой материалом без образования складок и зазоров.

Важно отметить, что образование складок, характеризующихся формой, видом, количеством и высотой, представляет собой, на наш взгляд, предысторией формоустойчивости изделий в эксплуатационных условиях. Поэтому виды костюмных тканей, представленных в табл., испытывали на складкообразование. Важно было выявить влияние пропитки полимерной композицией указанных тканей на характер процесса складкообразования в направлении нитей основы и утка.

Для экспериментального исследования использовали шаровую поверхность с радиусом R=4,6 см и образцы костюмных тканей в форме круга диаметром 22 см, что соответствуют  рациональным значениям радиуса шара и размера образца, полученным опытным путем [5].

Как свидетельствуют опытные данные, при концентрации полимерной композиции 0,5 г/л количество складок у необработанных образцов больше, чем у пропитанных (рис.3), что должно повлиять и на формоустойчивость изделия при эксплуатации. С повышенным содержанием концентрации полимерной композиции (образцы №1 и 3) образцы с пропиткой не склонны образовывать складки, а образцы без пропитки (рис. 4 и рис.5) образуют складки, трансформируя образец в различную форму. Таким образом визуальная оценка обработанных костюмных тканей показала заметное преимущество использования химических препаратов для формоустойчивой обработки швейных изделий через процесс складкообразования, являющегося начальным признаком потери устойчивости формы материалов.

Рисунок 3. Сравнительная картина складкообразования образца № 2 по основе пропиткой (а) и без пропитки (б) при поведении материала на поверхности шара. Концентрация полимерной композиции - 0,5 г/л

Рисунок 4. Сравнительная картина складкообразования образца № 1 по основе пропиткой (а) и без пропитки (б) при поведении материала на поверхности шара. Концентрация полимерной композиции - 60 г/л

Рисунок 5. Сравнительная картина складкообразования образца № 3 по основе пропиткой (а) и без пропитки (б) при поведении материала на поверхности шара. Концентрация полимерной композиции - 60 г/л

Традиционных способ придания формоустойчивости деталей швейных изделий дублированием термоклеевыми прокладочными материалами имеет ряд недостатков, в частности, увеличивается масса изделия, в процессе эксплуатации дублированные детали постепенно теряют приданную объемную форму в связи с возвращением в исходное плоское состояние [6]. Эти недостатки наиболее успешно могут быть преодолены применением химической технологии обработки [7, 8].

Результаты настоящих исследований подтверждают целесообразность использования современных химических препаратов для придания формоустойчивости и снижения массы швейных изделий.

Выводы

1. Складкообразование изучено для участка тканевой оболочки, смоделированной как двухопорный стержень с шарнирно закрепленными концами и с двумя защемленными концами материалов. Формирование складки и потеря устойчивости происходит в момент превышения критического значения осевого сжимающего усилия на стержень.
2. Экспериментально показано, что обработка костюмных тканей полимерной композицией приводит к увеличению разрывного усилия и разрывного удлинения по основе и утку. Повышенные значения разрывной нагрузки приводят к меньшей степени складкообразования материалов.
3. Визуальную оценку складкообразования можно осуществить размещением образца материалов на шаре, чья поверхность является не развертываемой и поэтому обоснованно принимается как опорная поверхность фигуры, на которой рассматривается поведение материала.

Список литературы:

1. Пантелеев В.Н., Лопандин И.В., Бузов Б.А. О складкообразовании и формоустойчивости материала в одежде //Изв.вузов. Технология легкой промышленности.-Москва, 1975.-№3-С.53-58.
2. Лопандин И.В. Расчет оболочек и разверток одежды промышленного производства.-М: Легкая и пищевая промышленность, 1982.-168с.
3. Биргер И.А., Мавлютов Р.Р. Сопротивление материалов.-М.: Наука, 1986.-560с.
4. Кукин Г.Н., Соловьев А.Н., Коблякова А.И. Текстильное материаловедение .-М.: Легпромбытиздат, 1989.-352с.
5. Корнилова Н.Л.,  Горелова А.Е. К вопросу учета формовочных свойств материалов при проектировании одежды // Изв. вузов. Технология текстильной промышленности.-Москва, 2007.-№ 6с (304).-С.86-88.
6. Рогова А.П.,  Табакова А.И. Изготовление одежды повышенной формоустойчивости. –М: Легкая индустрия, 1979. -184 с.
7. Веселов В.В. Колотилова Г.В. Химизация технологических процессов швейных предприятий.-Иваново: ИГТА, 1999.-424 с.
8. Комарова А.А., Веселов В.В. Использование современных химических препаратов для формоустойчивой обработки швейных изделий // Изв. вузов. Технология текстильной промышленности.-Москва, 2009.-№1(313).-С.89-91.