Оценка и моделирование напряженно-деформированного состояния деталей низа обуви

4

21

На правах рукописи

ОЦЕНКА И МОДЕЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ДЕТАЛЕЙ НИЗА ОБУВИ

Специальность 05.19.05

«Технология кожи, меха, обувных и кожевенно-галантерейных изделий»

Грошева Наталья Николаевна

Москва - 2010



Работа выполнена в Московском государственном университете дизайна и технологии

Научный руководитель:

Доктор технических наук, профессор Костылева Валентина Владимировна

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, доцент Соколов Владимир Николаевич

Кандидат технических наук Гараев Марат Марсович

Ведущая организация:

Казанский государственный технологический Университет

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета дизайна и технологии

Защита состоится «17» марта 2010 г. в 10час. на заседании диссертационного совета Д 212.144.01 в Московском государственном университете дизайна и технологии по адресу: 117997, г. Москва, ул. Садовническая, 33

Автореферат разослан «12» февраля 2010 г.

ученый секретарь диссертационного совета Д 212.144.01 Е.В. Лаврис



Общая характеристика работы

Актуальность темы диссертации. Глубокое и всестороннее изучение конкретной ситуации на рынке современных товаров и перспектив его развития являются одной из важнейших предпосылок для совершенствования производства и повышения его эффективности.

Многооперационность технологического процесса изготовления обуви, отдельные параметры которого трудно или недостаточно контролируемы, особенно при смене ассортимента, повышают вероятность возникновения различного рода дефектов. В практике оценки качества обуви, используемые методики разработаны различными организациями, как правило, преследующими цели, соответствующие профилю их деятельности. При этом процедуры и технологии оценки качества содержат элементы субъективизма, что приводит иногда к противоречивым результатам.

Современное производство обуви характеризуется тем, что его техническая комплектация и ориентация в большинстве случаев является импортной. Отдельные обувные фирмы руководствуются, в основном, направлением моды, не обращая внимания на качество изделия. Поэтому проблема управления качеством обуви, сроки эксплуатации отдельных деталей которой влияют на общую продолжительность эксплуатации, по-прежнему является актуальной.

Сегодня в обувной отрасли на фоне экономических перемен «новыми обувщиками» используются комплектующие, в частности каблуки и подошвы, изготавливаемые по неизвестным критериям, без должного руководства специальной технической документацией. Это приводит к повышению различного рода рисков и большому возврату обуви от покупателей.

Из всего сложного комплекса свойств наружных деталей низа обуви следует выделить деформационно-прочностные свойства материалов, применяемых для их производства, так как они в наибольшей степени допускают инструментальную оценку. Существующие стандартные методики оценки деформационно-прочностных свойств обеспечивают сопоставимость результатов испытаний, что значительно упрощает процедуру принятия решений по выбору материалов. Показатели деформационно-прочностных свойств позволяют делать выводы о комплексных характеристиках качества материалов, определяющих деформационно-силовое состояние деталей при эксплуатации обуви.

Таким образом, проблема оценки напряженно-деформированного состояния деталей низа обуви является актуальной и своевременной.

Объектом исследования являются детали низа обуви.

Предмет исследования - напряженно-деформированное состояние деталей низа обуви.

Цель диссертации заключается в повышении качества обуви и ее комплектующих на основе исследования напряженно-деформированного состояния деталей низа.

Для достижения поставленной цели в работе:

Ш исследован существующий ассортимент каблуков и подошв на рынке комплектующих деталей обуви;

Ш проанализировано формообразование каблуков в конструировании и художественном проектировании обуви;

Ш предложена классификация высоких и особо высоких каблуков;

Ш разработана методика оценки напряженно-деформированного состояния каблука;

Ш определено напряженно-деформированное состояние каблука с использованием метода конечных элементов;

Ш даны рекомендации, на которые следует ориентироваться при покупке или проектировании высоких каблуков с небольшой площадью поперечных сечений;

Ш получено аналитическое описание экспериментально установленных показателей свойств материалов деталей низа обуви;

Ш разработан алгоритм работы экспертной системы критериальной оценки вариантов выбора подошвенных материалов;

Ш предложены критерии выбора рациональных подошвенных материалов.

Методы исследования. Исследование базируется на комплексном подходе к анализу деформационно-прочностных свойств подошвенных материалов и определению напряженно-деформированного состояния каблука с использованием:

Ш литературных данных об элементах конструкций низа обуви, способах их крепления;

Ш теоретических и практических основ конструирования и технологии изготовления обуви, архитектоники, материаловедения;

Ш программ, методов математической статистики, теорий системного анализа;

Ш численных методов графоаналитической обработки данных на ЭВМ.

Научную новизну работы составляют:

Ш предложенная схема взаимосвязи жизненного цикла обуви, возможности возникновения дефектов и их влияние на свойства обуви;

Ш теоретическое моделирование напряженно-деформированного состояния каблуков;

Ш автоматизированный выбор рациональных подошвенных материалов в условиях неопределенности;

Ш разработанная классификация высоких и особо высоких каблуков;

Ш аналитическое описание экспериментально установленных показателей свойств материалов деталей низа обуви;

Ш алгоритм работы экспертной системы критериальной оценки вариантов выбора подошвенных материалов;

Ш показатели напряженно-деформированного состояния деталей низа обуви для выбора рациональных материалов.

Практическую значимость работы представляют:

Ш методика расчета напряженно-деформированного состояния каблуков;

Ш рекомендации, на которые следует ориентироваться при покупке или проектировании высоких каблуков с небольшой площадью поперечных сечений;

Ш экспериментально установленные деформационно-прочностные свойства материалов низа обуви;

Ш алгоритм автоматизированного выбора рациональных подошвенных материалов.

Апробация и внедрение результатов работы. Основные положения диссертации и результаты работы докладывались и получили положительную оценку на заседаниях кафедры технологии изделий из кожи МГУДТ, 59-ой, 60-ой научных конференциях студентов, молодых ученых «Молодые ученые - XXI веку» (Москва 2007, 2008), Международном симпозиуме «Индустрия моды» (Москва, 2007), II Московском фестивале науки (Москва 2007). Для ООО «Монарх» даны рекомендации по проектированию и закупке комплектующих обуви, имеется акт о внедрении.

Публикации. Основные положения проведенных исследований в соавторстве опубликованы в 9-ти статьях, 2-х учебных пособиях.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов по каждой главе и работе в целом, списка литературы, приложений. Диссертация изложена на 253 страницах машинописного текста, в том числе 35 таблиц, 63 рисунка и 4 приложения. Список литературы включает 143 библиографических и электронных источника.



Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследований, отражены научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе рассмотрены методы, используемые при проведении экспертизы качества обуви, сформулировано определение качества применительно к задачам диссертационной работы.

Детальный анализ методов оценки качества показал, что очень многие из них направлены на «испытание» деталей низа обуви как таковых (прочность крепления, правильность подбора и установки), так и материалов, из которых они изготовлены.

На примере рабочих программ «Российское качество» выявлено, что определяющими в оценке качества обуви являются показатели деформационно-прочностных свойств, и подтверждается обоснованность проводимых исследований.

Оценке качества обуви уделяется внимание не только непосредственно на производстве, но и в процессе реализации.

Большинство фирм, занимающихся оптовой и розничной торговлей обуви, имеют специалистов по качеству, работа которых заключается в выявлении производственных и непроизводственных дефектов, проявившихся при эксплуатации обуви.

Производственные дефекты существенно влияют на потребительские свойства обуви и являются следствием нарушения технологического процесса. Нами отслежена взаимосвязь этапов жизненного цикла обуви, возможности возникновения дефектов и их влияние на свойства обуви. Эта связь представлена в виде схемы (рис.1)

Из схемы видно, при производстве обуви особое внимание необходимо уделять ее деталям низа, так как на участке сборки обуви, в частности, прикрепления подошв и каблуков, могут возникать дефекты, влияющие на все свойства изделий.

На примере торговой организации ООО «Монарх» показано, что возвраты по дефектам, связанным с разрушением таких наружных деталей низа обуви, как подошва и каблук, составляют 26% от общего количества возвращенной обуви. Рассмотрена динамика проявления дефектов в течение года.

На наш взгляд, возврат обуви по причине «дефект каблука» может быть вызван несоответствием высоты каблука высоте приподнятости пяточной части колодки с отформованной заготовкой, недостаточным числом крепителей, несоответствием их метрических параметров (номер, диаметр) условиям прочности крепления каблука, неправильно подобранными материалами внутренних и промежуточных деталей низа обуви, а также конструктивными особенностями собственно каблука. Дефекты «перелом подошвы» и «трещина подошвы», проявляющиеся в обуви, могут быть вызваны низкими деформационно-прочностными свойствами материалов деталей низа обуви или нарушением технологии изготовления. Поэтому решение задачи определения факторов, влияющих на прочность и показатели напряженно-деформированного состояния исследуемых объектов, а также выбор рационального материала подошв, является актуальной и своевременной.

Во второй главе представлен проведенный экспресс-анализ количественных показателей деформационно-прочностных свойств подошвенных материалов.

Первоочередная задача заключалась в экспериментальном получении объективных и сопоставимых со справочными показателей свойств с последующим их аналитическим описанием.

Второй этап предполагал использование полученных результатов при разработке алгоритма работы системы экспертной оценки и принятия технологических решений в условиях неопределенности.

В ходе исследования получены зависимости нагрузки и абсолютного удлинения и рассчитаны все предусмотренные стандартной методикой показатели деформационно-прочностных свойств различных подошвенных материалов:

На основе анализа испытаний и проведенной графо-аналитической обработки сделаны следующие выводы:

Ш С наибольшим индексом корреляции и графической корректностью зависимость силы растяжения от удлинения Р=f(l) при полуцикловых испытаниях ТПУ аппроксимируется степенной функцией (P = 0,1306l^0,7002), кожволона - логарифмической (P = 1,5181lnl + 8,8002), ТЭПа - квадратичной (P = -0,0012l² + 0,2253l + 3,0507), монолитной резины - прямолинейной (P = 0,224l - 1,0516); вспененного полиуретана - полиномиальной функцией 3-й степени вида P = 810^-6l³ - 0,0024l² + 0,3489l + 2,199, кожи низа - прямолинейной (P = 18,396l - 2,1403).

Ш По возрастанию значения показателя относительного удлинения при разрыве ?_ср^* исследованные материалы низа выстроены в следующем порядке: кожа низа, кожволон, ТЭП, вспененный полиуретан, монолитная резина, ТПУ.

Ш Наибольшими значениями запаса прочности из исследованных материалов низа обладают ТПУ и монолитная резина.

С учетом всего многообразия сравнимых между собой показателей свойств, а также различного характера требований (то есть различной интерпретируемости этих свойств), задача выбора рационального подошвенного материала отнесена к задачам критериальной оценки вариантов в условиях неопределенности, рассматриваемых в теории системного анализа.

Для решения прикладной задачи выбора рационального материала подошв с учетом анализа справочных и экспериментальных показателей свойств, использована компьютерная программа «Make Decison», реализованная в среде С++. Выбор решения осуществляется по 4 критериям: Вальда (минимаксного сожаления); маскимаксного оптимизма; Лапласа; Гурвица.

Рисунок 1 Схема взаимосвязи жизненного цикла обуви, возможности возникновения дефектов и их влияние на свойства обуви



Для проведения процедуры критериальной оценки задавались следующими условиями:

Ш выбор подошвенного материала для повседневной обуви любой половозрастной группы осуществлялся на основе анализа экспериментально определенных показателей деформационно-прочностных свойств;

Ш конструкция подошвы, метод крепления и другие особенности, ограничивающие номенклатуру материалов, на данном этапе не оговаривались.

На основе сформированной экспертной базы знаний - сводной таблицы показателей, проведен расчет по выше обозначенным критериям. Результаты исследования представлены в таблице 1.

По критерию минимаксного сожаления наихудшим является кожволон, а рекомендуются - монолитная резина и вспененный полиуретан.

По критерию максимакса отвергается кожа низа и рекомендуется вспененный полиуретан. Кожволон также является нежелательным вариантом.

Таблица 1

Значения критериев выбора рационального подошвенного материала

Материал	Значение критерия
	минимаксного сожаления	макси-макса	Лапласа	Гурвица
ТПУ	8,00	0,79	7262,15	42394,15
Монолитная резина	-33,64	0,75	5878,23	34221,26
ТЭП	73,62	0,90	287,43	1045,45
Вспененный полиуретан	-36,47	1,36	270,64	904,83
Кожволон	945,00	0,55	182,93	505,20
Кожа низа	12,80	0,00	96,75	394,65

По критерию Лапласа в качестве материала низа рекомендуются ТПУ и монолитная резина.

Рекомендации по критерию Гурвица аналогичны критерию Лапласа - желательными альтернативами являются ТПУ и монолитная резина.

Выявлено, что теория системного анализа может быть использована при решении задач обувной промышленности, так как полученные результаты не противоречат известным данным.

В третьей главе представлено исследование исторических и современных форм каблуков.

Одной из главных задач промышленного дизайна является точное определение устойчивых форм, которые будут служить длительное время лишь с небольшими изменениями. Рассматривая обувь как систему взаимосвязанных конструктивных элементов, мы наблюдаем ее в постоянном развитии с чередованием новых направлений и тенденций, что создает непрерывное движение формы.

Выявление принципов формообразования деталей низа является частью решения вопроса рационализации форм моделей обуви.

От формы и конструкции каблука зависит общая художественная композиция готового изделия.

При всем многообразии каблуков в современном промышленном ассортименте обуви можно выделить два основных вида: каблук-столбик и каблук-геленок.

В рамках настоящей работы нами методом статистического анализа проведены исследования по выявлению цикла развития формы каблука за последние 150 лет. В общей сложности за исследуемый период было просмотрено, измерено и зафиксировано графически около тысячи изображений. Статистический анализ данных распределения основных формообразующих параметров каблуков второй половины 19-20 веков, включал в себя анализ максимальной высоты каблука, наиболее популярной высоты каблука, его основной формы и формы и площади опорной поверхности.

Из диаграммы динамики максимальной высоты каблука (рис.2) видно, что увеличение высоты каблука происходит на протяжении всего периода времени. Если в 19-ом веке максимальная высота каблука составляла около 60мм, а в первой трети 20-го века доходила до 100мм, то в конце 20-го века она могла превышать 120мм.

Рисунок 2 Диаграмма динамики максимальной высоты каблука

Развитие формы каблука на протяжении исследуемого периода времени (со второй половины 19-го века по настоящее время) представлено на рисунке 3.

В ходе исследования выделено семь классических форм каблука: клиновидный, «шпилька», «столбик», французский, талированный, английский, прямой.

Для удобства и наглядности нами изготовлены планшеты объемно-пространственных структур каблуков

Подробно изучены современные каблуки, используемые ООО «Монарх».

Установлено, что дефектам «перелом каблука» и «трещина каблука» подвержена в основном обувь на высоких и особо высоких каблуках таких форм, как «шпилька», «столбик», «прямой» и «французский». Предложена классификация каблуков выше 50 мм.



4

21

Рисунок 3 Графический анализ развития формы каблука в период с:

а - 1860-1899гг., б - 1900-1919гг., в - 1930-1939гг.,

г - 1940-1949гг.,д - 1950-1959гг., е - 1960-1969гг.,

ж - 1970-1979гг., з - 1980-1989гг.

В четвертой главе представляется методика оценки наряжено-деформированного состояния каблуков. Выявлена взаимосвязь величины вогнутости ляписной поверхности, высоты каблука и его напряженно-деформированного состояния.

В настоящее время при быстрых темпах развития САПР существует множество программных пакетов по расчету НДС. Большинство исследований проводится с использованием программы ANSYS, механическая и математическая основа которого представляет собой метод конечных элементов (МКЭ).

Решение задачи с применением МКЭ сводилась к следующему:

1. создание геометрической модели, пригодной для МКЭ;

2. разбиение модели на сетку конечных элементов;

3. закрепление объекта;

4. приложение нагрузки;

5. численное решение системы уравнений (автоматически);

6. представление результатов в графическом виде (рис.4);

Таким образом, было установлено влияние формы и отдельных геометрических параметров каблука на его напряженно-деформированное состояние.

Результаты расчетов напряженно-деформированного состояния четырех форм каблуков представлены в таблице 3.

Рисунок 4. Экранная форма результата расчета НДС каблука

Проведенные исследования позволяют заключить

Ш наиболее «опасными», с точки зрения прочности, являются «французский» каблук и каблук «шпилька». В этих каблуках напряжения концентрируются в поперечных сечениях минимальной площади. Значения напряжений в каблуках указанных форм на порядок выше, чем в каблуках «столбик» и «прямой»;

Ш глубину выемки ляписной поверхности в сечении 0,18Д следует принимать равной 6 мм.

Поэтому при покупке или проектировании высоких каблуков с небольшой площадью поперечных сечений, необходимо особое внимание обращать на ляписную поверхность, степень вогнутости которой, как и форма в целом, определяет напряженно-деформированное состояние детали.

На основании выше проведенных исследований ООО «Монарх» даны рекомендации. Имея дело с готовыми комплектующими обуви по таким показателям как высота каблука, глубина выемки и длина ляписной поверхности, можно визуально прогнозировать вероятность появления дефектов «перелом каблука» и «трещина каблука».

Таблица 3

Значения напряжений в исследуемых каблуках

Высота каблука	Значения напряжений, Па
	Глубина выемки ляписной поверхности в сечении 0,18Д, мм
		2	4	6
КАБЛУК-ШПИЛЬКА
60	MIN	1,401*103	0,515*103	0,040*103
	MAX	0,205*109	0,205*109	0,205*109
80	MIN	7,241*103	1,880*103	0,408 *103
	MAX	0,261*109	0,332*109	0,330*109
ПРЯМОЙ КАБЛУК
60	MIN	0,294*103	0,140*103	0,118*103
	MAX	0,189*108	0,213*108	0,196*108
80	MIN	0,640*103	0,519*103	0,509*103
	MAX	0,239*108	0,210*108	0,205*108
ФРАНЦУЗСКИЙ КАБЛУК
60	MIN	22,038*103	4,231*103	2,539*103
	MAX	0,869*108	0,868*108	0,869*108
80	MIN	76,089*103	1,821*103	0,375*103
	MAX	0,280*109	0,158*109	0,135*109
КАБЛУК-СТОЛБИК
60	MIN	8,008*103	6,631*103	2,220*103
	MAX	0,241*108	0,238*108	0,244*108
80	MIN	42,082*103	21,653*103	14,178*103
	MAX	0,255*108	0,251*108	0,253*108

Таким образом, конечно-элементный анализ напряженно-деформированного состояния высоких и особо высоких каблуков обеспечивает возможность теоретического моделирования различных форм в соответствии с требуемыми деформационными и прочностными характеристиками.



Общие выводы по работе

1. Показано, что определяющими в оценке качества обуви являются показатели деформационно-прочностных свойств.

2. Представлена классификация дефектов обуви и причин их возникновения. Показана взаимосвязь свойств обуви и дефектов.

3. Установлено на примере торговой организации ООО «Монарх», что возвраты по дефектам, связанным с разрушением таких наружных деталей низа обуви, как подошва и каблук, составляют 26% от общего количества возвращенной обуви. Представлена динамика проявления дефектов в течение года.

4. Показано, на основе теоретических исследований, что обеспечение требуемого уровня качества возможно только при проведении соответствующих мероприятий на всех этапах «жизненного цикла» продукции.

5. Установлены аналитические описания экспериментально определенных показателей деформационно-прочностных свойств подошвенных материалов. Выявлено, что по убыванию значения показателя напряжения разрушения ?ср* исследованные материалы низа могут быть выстроены в следующем порядке: монолитная резина, ТПУ, кожволон, ТЭП, кожа, вспененный полиуретан.

6. Предложено для выбора рационального материала подошв с учетом всего многообразия справочных и экспериментальных показателей свойств, использовать программу «Make Decison», в основу которой положена критериальная оценка альтернатив в разрезе множества факторов в условиях неопределенности. Рассчитаны четыре критерия выбора рационального подошвенного материала. Показано, что теория системного анализа применима к задачам обувной промышленности, так как полученные критерии объективны и не противоречат известным данным.

7. Выявлено семь классических форм каблуков («шпилька», «французский», «прямой», «столбик», «английский», «талированный», «клиновидный»), разновидностью которых являются все востребованные в настоящее время формы. Разработаны макеты классических форм каблука. Предложена классификация высоких и особо высоких каблуков.

8. Предложена методика решения задач с применением метода конечных элементов. Проведен расчет напряженно-деформированного состояния каблука в программе ANSYS, в ходе которого определены значения напряжений в каблуках различной формы и высоты.

9. Выявлена взаимосвязь величины вогнутости ляписной поверхности, высоты каблука и его напряженно-деформированного состояния.

10. Разработаны рекомендации, на которые следует ориентироваться при покупке или проектировании высоких каблуков с небольшой площадью поперечных сечений.

11. Экономический эффект проведенной работы может быть получен за счет снижения объемов возвращаемой обуви, что обусловлено возможностью исключения появления в готовых изделиях дефектов «перелом каблука», «трещина каблука» и «перелом подошвы».



Опубликованные работы по теме диссертации

1. Грошева Н.Н., Синева О.В., Костылева В.В., Белокуров В.Н. Исследование физико-механических свойств стелечных материалов // Сб. научных статей аспирантов и молодых ученых. Международный симпозиум «Индустрия моды».- М.:МГУДТ, 2007.-с.13-17

2. Грошева Н.Н., Костылева В.В., Белокуров В.Н., Синева О.В. Определение деформационных показателей подошвенных материалов // Доклады научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. II Московский фестиваль науки.-М.: ИИЦ МГУДТ, 2007.-с.105-109

3. Грошева Н.Н., Костылева В.В., Синева О.В. Расчет напряженно-деформированного состояния каблуков // Доклады научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. II Московский фестиваль науки.-М.: ИИЦ МГУДТ, 2007.- с.110-113

4. Грошева Н.Н., Синева О.В., Костылева В.В., Белокуров В.Н. Определение деформационных показателей стелечных материалов в динамическом режиме // Тезисы докладов 59 научной конференции студентов, молодых ученых «Молодые ученые - XXI веку». М.: МГУДТ, 2007.- с.106

5. Грошева Н.Н., Синева О.В., Костылева В.В., Алибекова М.И. Формообразование каблуков // Тезисы докладов 59 научной конференции студентов, молодых ученых «Молодые ученые - XXI веку». М.: МГУДТ, 2007.- с.106

6. Гаврилова С.В., Сельдякова Е.А., Грошева Н.Н. Анализ причин возврата обуви // Тезисы докладов 60 научной конференции студентов, молодых ученых «Молодые ученые - XXI веку» - М.: МГУДТ, 2008.- 171с.

7. Грошева Н.Н., Костылева В.В., Синева О.В., Молчанова Е.А. Анализ форм каблуков, представленных на современном рынке комплектующих // Кожевенно-обувная промышленность №2.- М, 2008.- с.50

8. Грошева Н.Н., Костылева В.В., Синева О.В. О напряженно-деформированном состоянии каблуков // Кожевенно-обувная промышленность №3.- М, 2008.-с.44

9. Грошева Н.Н., Литвин Е.В., Костылева В.В. Оптимизация выбора материалов низа по деформационно-прочностным показателям // Технология легкой промышленности №2.-СПб.: 2009 с. 64-67