| Разработка и применение метода определения деформационных и прочностных характеристик низа обуви с использованием метода конечных элементов
Диссертация
Автор: Глазунова, Наталья Андреевна
Название: Разработка и применение метода определения деформационных и прочностных характеристик низа обуви с использованием метода конечных элементов
Справка: Глазунова, Наталья Андреевна. Разработка и применение метода определения деформационных и прочностных характеристик низа обуви с использованием метода конечных элементов : диссертация кандидата технических наук : 05.19.06 / Глазунова Наталья Андреевна; [Место защиты: Моск. гос. ун-т дизайна и технологии] - Самара, 2009 - Количество страниц: 145 с. ил. Самара, 2009 145 c. :
Объем: 145 стр.
Информация: Самара, 2009
Содержание:
ВВЕДЕНИЕ
1 ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЧНОСТИ НИЗА ОБУВИ ПРИ НОСКЕ
11 Внешние механические воздействия на детали низа обуви при носке
12 Применение теории изгиба к анализу напряженно-деформированного состояния деталей низа обуви
13 Использование информационных технологий при проектировании низа обуви 21 131 Применение метода конечных элементов в исследованиях и прочностных расчетах деталей обуви
14 Влияние конструктивных особенностей низа обуви на его прочностные свойства
15 Исследование усталостных свойств материалов и конструкций низа обуви
2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ОБУВНЫХ ПОДОШВ
21 Установка для усталостных испытаний
211 Описание устройства установки для усталостных испытаний
212 Устройство для усталостных испытаний образцов резиноподобных материалов
213 Устройство для усталостных испытаний подошв обуви
22 Механические свойства термоэластопласта и изготовленной из него подошвы
221 Свойства материала подошвы при растяжении
222 Усталостные свойства материала подошвы обуви при изгибе
2221 Статистическая обработка полученных данных
223 Результаты усталостных испытаний подошвы обуви при изгибе
3 АНАЛИЗ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО
СОСТОЯНИЯ ДЕТАЛЕЙ И КОНСТРУКЦИЙ НИЗА ОБУВИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МЕТОДА КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
31 Применение метода конечных элементов при анализе конструкций низа обуви
32 Применение модели Муни-Ривлина при описании гиперупругого поведения материала
33 Метод иерархического моделирования
34 Моделирование поведения деталей и конструкций обуви
341 Моделирование изгиба образца термоэластопласта
3411 Создание геометрической модели образца термоэластопласта
3412 Создание конечно-элементной модели образца термоэластопласта
3413 Численный анализ изгиба образца термоэластопласта
342 Исследование влияния геометрических параметров подошвы на ее напряженное состояние
3421 Создание геометрической модели обуви
3422 Создание конечно-элементной модели обуви
3423 Численный анализ влияния геометрических параметров подошвы на ее напряженное-деформированное состояние
3424 Имитационное моделирование
343 Конечно-элементный анализ поведения конструкции низа обуви при изгибе
3431 Создание геометрической модели конструкции низа обуви
3432 Создание конечно-элементной модели конструкции низа обуви
3433 Численный анализ изгиба конструкции низа обуви
Введение:
Конкурентоспособность изделия - основная задача любого обувного предприятия. На конкурентоспособность значительное влияние оказывает качество выпускаемой продукции. Видную роль в создании теоретических основ проектирования качественной и рациональной обуви играют работы российских ученых Ю. П. Зыбина, К. М. Зурабяна, В. А. Фукина, В. Е. Гор-бачика, С. П. Александрова, П. С. Карабанова и других.
Качество обуви определяется многими факторами и одним из важнейших показателей является ее долговечность. Для деталей низа обуви такой показатель, как долговечность имеет первостепенное значение в связи с циклическим характером процессов деформирования при носке.
Одним из 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 на ходовой стороне рифления вызывает концентрацию напряжений и способствует излому подошвы. Изменяя конструкцию подошвы обуви, можно создавать необходимый запас прочности.
Немаловажную роль в оценке качества низа обуви играют деформационные и прочностные свойства материалов и конструкции в целом. Анализ этих показателей дает возможность производителю еще на стадии проектирования оценить износостойкость изделия и прогнозировать время его эксплуатации.
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 сроки разработки и внедрения новейших инженерных решений. Это становится возможным при использовании современных технологий компьютерного проектирования.
В то же время быстрое развитие вычислительной техники и ее внедрение практически во все сферы жизни привело к тому, что сегодня качественное проектирование любых изделий невозможно без использования систем автоматического инженерного анализа (CAE - Computer Aids Engineering). Наиболее распространенные CAE-системы основаны на использовании метода конечных элементов (МКЭ). CAE-системы позволяют не только выполнить качественное моделирование систем различной физической природы, но и исследовать их отклик на различные внешние воздействия. Использование таких программ помогает проектным организациям сократить цикл разработки, снизить стоимость изделий и повысить качество продукции. Поэтому возникает задача обоснования новых подходов к проектированию подошв обуви, основанных на использовании современных методов имитационного моделирования и численных методах расчета. 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 рядом предпосылок. В первую очередь, анализ конструкции низа обуви при помощи МКЭ позволяет получить значительно больше детальной информации о характеристиках изделия, а также о его поведении под воздействием внешних возмущающих факторов. Во-вторых, как уже отмечалось, МКЭ дает возможность заменить трудоемкие операции изготовления и испытания физической модели на испытания виртуальной модели и практически сразу перейти к изготовлению изделия.
Целью работы является 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. Научные и прикладные результаты, достигнутые в области механики, позволяют детально проанализировать создаваемую конструкцию с учетом физической и геометрической нелинейности. В работе используются современные пакеты инженерного анализа. Это делает возможным провести виртуальные испытания спроектированной подошвы. Основными задачами при создании метода являются:
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, усталостные испытания подошвы обуви;
4. Изучение влияния геометрических параметров подошвы обуви на ее механическую прочность.
Научная новизна работы состоит в следующем:
• Разработан метод численного иерархического анализа механического поведения деталей низа обуви при носке, основанный на применении метода конечных элементов;
• Спроектирована, изготовлена и отлажена установка с двумя сменными устройствами: устройство для испытаний образцов резиноподобных материалов на многоцикловый изгиб и устройство для испытания деталей и конструкций низа обуви на многоцикловый изгиб;
• Выполнены экспериментальные исследования усталостных свойств материала и конструкции низа обуви из термоэластопласта
• Изучено влияние конструктивных параметров рифления подошвы на ее напряженно-деформированное состояние
Ограничения. Основной задачей работы является изучение напряженно-деформированного состояния низа обуви при изгибе. Условия проскальзывания подошвы по опоре в нашем случае не рассматриваются, так как не оказывают влияние на прочность подошвы и стойкость ее к многоцикловым изгибам. Взаимодействие подошвы и опоры в работе моделируется закреплением носочной части подошвы в соответствии с условиями носки.
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 слишком малы, чтобы на них строить оценку долговечности, выбор модели Муни-Ривлина для описания свойств резиноподобных материалов можно считать вполне обоснованным.
Методы исследований. Экспериментальные данные в работе получены с помощью специально спроектированного устройства. Обработка результатов эксперимента проводилась методами математической статистики. Методами имитационного и иерархического моделирования в работе создавались модели обуви и ее деталей. Для решения задач и при выполнении расчетов конструкций использовался метод конечных элементов.
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 позволяют прогнозировать долговечность 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».
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.
|