facebook
twitter
vk
instagram
linkedin
google+
tumblr
akademia
youtube
skype
mendeley
Wiki
Global international scientific
analytical project
GISAP
GISAP logotip
Перевод страницы
 

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК КОМПОЗИТОВ НА НЕТКАНОЙ ОСНОВЕ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК КОМПОЗИТОВ НА НЕТКАНОЙ ОСНОВЕ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ УСЛОВИЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ
Michail Treschalin, проректор, доктор технических наук, профессор

Московский институт государственного и корпоративного управления, Россия

Трещалин Юрий Михайлович, инженер

Московский государственный технологический университет Станкин, Россия

Участник первенства: Национальное первенство по научной аналитике - "Россия";

Открытое Европейско-Азиатское первенство по научной аналитике;

УДК 539.3:621.002.3

С целью определения и прогнозирования свойств композитов с учетом условий эксплуатации, проведена математическая обработка данных экспериментальных исследований композиционных материалов на нетканой основе. В результате получены зависимости прочностных характеристик композитов от плотности основы и рекомендуемыезначения параметров нетканых полотен.

Ключевые слова:композит, нетканая основа, физико-механические характеристики, аппроксимация,анализ, коэффициент корреляции, плотность.

In order to determine and predict the propertiesof composites with the operating conditions of a mathematical processing of experimental studies of composite materials on the basis of non-woven. As a result, the dependences of the strength characteristics of composites on the density of the basis and the recommended values ​​of non-woven fabrics.

Keywords: composite non-woven base, physical and mechanical properties, approximation, analysis, correlation coefficient, density.

 

Проведенные экспериментальные исследования позволили сделать заключение о положительном влиянии физико-механических характеристик нетканой основы на прочностные свойства композитов. В связи с тем, что испытаниям подвергались нетканые материалы, имеющие разный волокнистый состав, изготовленные различными способами и производителями, целесообразным подразделить полотна на группы, указанные в табл. 1.

Таблица 1.

Группировка нетканых полотен

Номер группы

Состав сырья и способ холстоформирования,

предприятие-производитель

Плотность, кг/м3

1

ПП – 100 %, фильерное (спанбонд), аэродинамическое, иглопробивной термостабилизированный каландрированием, «Канвалон», ОАО «Ортон»

170-300

2

Штапельное, ПЭ (20 %) + ПП (80 %), иглопробивное, каландрированное, «Геоком Д», «Комитекс»

60-130

3

ПП - 100 %, фильерное (спанбонд), аэродинамическое, иглопробивной, «Геотекс», «Сибур-геотекстиль»

80-160

 

С целью прогнозирования прочностных характеристик композиционных материалов на нетканой основе в зависимости от условий эксплуатации, проведена математическая обработка полученных экспериментальных данных. При этом в качестве определяющего параметра выбрана объемная плотность нетканого полотна, как наиболее информативный показатель, учитывающий вид волокон, геометрические размеры, массу и пористость армирующего каркаса.

Численный анализ проводился в два этапа. Первоначально, используя возможности MicrosoftExcel, были определены линия тренда, уравнение и коэффициент корреляции, позволяющие выявить взаимосвязь плотности нетканой основы и параметров полученных композитов с минимальной погрешностью. При этом использовались все имеющиеся зависимости (линейная, полиномиальная, логарифмическая, степенная, экспоненциальная).

В результате анализа было установлено, что прочностные характеристики образцов композиционных материалов зависят от плотности нетканой основы. При этом максимальная точность расчета достигается посредством аппроксимации квадратичным полиномом, вида: y(ρ) = а1∙ρ2 + а2∙ρ + а3. Однако, приведенное уравнение можно использовать только на ограниченном интервале значений плотности ρ, соответствующем одной из ветвей параболы.

На втором этапе проводился уточненный поиск с использованием программного комплекса Mathcad15.0. Оценка точности аппроксимации производилась по величинам:

- относительной погрешности, %:  U= (fЭ– fТ)·100/fЭ,

- коэффициента корреляции: Кк² = 1 – (S1 / S2),

где: fЭ- экспериментальные данные; fТ– результаты вычислений с использованием формул, полученных в результате аппроксимации;

n= 1 …. N– номер, соответствующий значениям, полученным в результате измерений; p–количество экспериментальных данных (образцов в группе).

Графическая интерпретация полученных результатов, величина коэффициентов корреляции и оценка погрешности расчетных значений по отношению к экспериментальным данным, приведены на рис.1, 2 и табл. 2.

Рис. 1. Зависимость разрывной нагрузки (Н) от плотности (кг/м3) нетканых полотен: а – нетканой основы; б – композиционного материала.

Рис.2. Зависимость характеристик композиционных материалов от плотности (кг/м3) нетканых полотен: а – предельной нагрузки (Н) на изгиб; б – напряжения при изгибе (кПа).

Таблица 2.

Результаты аппроксимации значений прочностных характеристик нетканой основы и композиционных материалов в зависимости от плотности полотен

Номер группы

Значения коэффициентов пропорциональности

Значение коэф-фициента кор-реляции

Величина относительной погрешности, %

 

а0

а1

а2

 

min

max

Зависимость разрывной нагрузки РНМ от плотности ρ нетканого полотна:

1: РНМ1(ρ1) = а0·ln(ρ1) + а1·ρ1 + а2

1,6853166·103

-3,89929875

-6,92025212·103

1,0

- 2,904

2,102

2: РНМ2(ρ2) = а0·ln(ρ2) + а1·ρ2 + а2

4,00850125·103

- 21,30352744

-1,51844289·104

1,0

-1,29

1,376

3: РНМ3(ρ3) = а0·ln(ρ3) + а1·ρ3 + а2

147,52755307

9,53822276

-714,78182726

0,998

-7,982

5,949

Разрывной нагрузки композиционного материала РКМ от плотности ρ нетканого полотна

1: РКМ1(ρ1) = а0·ln(ρ1) + а1·ρ1 + а2

2,88674504·103

- 6,96097435

-1,15085438·104

1,0

-0,799

0,776

2: РКМ2(ρ2) = а0·ln(ρ2) + а1·ρ2 + а2

- 2,62756846·103

87,24705631

7,49172655·103

0,999

- 4,127

4,141

3: РКМ3(ρ3) = а0·ln(ρ3) + а1·ρ3 + а2

1,60199006·103

4,0345877

-5,8060092·103

1,0

- 2,21

3,783

Предельной нагрузки на изгиб композиционного материала FКМот плотности ρ нетканого полотна

1: FКМ1(ρ1) = а0·ln(ρ1) + а1·ρ1 + а2

115,72502058

-0,3090452

-486,9841718

0,999

-4,487

5,858

2: FКМ2(ρ2) = а0·ln(ρ2) + а1·ρ2 + а2

-1,65048542·103

20,7841586

5,64995481·103

0,994

-10,434

9,081

3: FКМ3(ρ3) = а0·ln(ρ3) + а1·ρ3 + а2

-255,81954322

3,45560924

891,24882841

0,97

-20,651

20,682

Напряжения при изгибе композиционного материала NКМот плотности ρ нетканого полотна

1: NКМ1(ρ1) = а0·ln(ρ1) + а1·ρ1 + а2

625,42448425

-0,57202415

-2,64864442·103

1,0

-1,292

0,84

2: NКМ2(ρ2) = а0·ln(ρ2) + а1·ρ2 + а2

-2,81747411·103

42,4091436

9,57299073·103

1,0

-0,612

0,654

3: NКМ3(ρ3) = а0·ln(ρ3) + а1·ρ3 + а2

-34,74837837

6,42929311

-88,89193986

1,0

-1,421

2,033

           
 

Следует отметить, что применение полученных зависимостей справедливо в соответствующем интервале плотностей для каждой группы нетканых полотен (см. табл. 1). Кроме того, учитывая стремление к унификации математических выражений при проведении аппроксимации экспериментальных данных, наименее точные результаты получены для описания зависимости предельной изгибающей нагрузки от плотности композиционных материалов 2 группы. Несмотря на то, что возможности Mathcad15.0 позволяют определить более рациональный вид функции, например FКМ2(ρ2) = a·ρ5 + b·ρ3 + c, представляется целесообразным оставить вариант FКМ2(ρ2) = а0·ln(ρ) + а1·ρ + а2, т.к. испытания образцов на изгиб проводились с использованием дополнительных лабораторных приспособлений, которые могли повлиять на точность измерений.  Поверхностную плотность для материалов 1 и 3 групп можно вычислить приближенно по значениям ρ при помощи Mathcad15.0. Результаты вычислений приведены в табл. 3.

Таблица 3.

Результаты аппроксимации значений поверхностной плотности в зависимости от плотности нетканых полотен, изготовленных из полипропиленовых волокон

Значения коэффициентов пропорциональности

Значение коэф-фициента кор-реляции

Величина относительной погрешности, %

а0

а1

а2

а3

 

min

max

Зависимость поверхностной плотности ППН1, г/м2от плотности ρ1, кг/м3для нетканых полотен 1 группы: ППН1(ρ1) = а0·ρ13 + а1·ρ12 + а2·ρ1  +  а3

2,4041·10-4

-0,162797

37,5236

-2,4025·103

0,992

- 14,14

15,85

Зависимость поверхностной плотности ППН3, г/м2от плотности ρ3, кг/м3для нетканых полотен 3 группы: ППН3(ρ3) = а0·ρ33 + а1·ρ32 + а2·ρ3  +  а3

-4,847·10-4

0,2569745

- 37,606

2,06896·103

0,996

-10,75

13,95

 

Допуская соблюдение общего вида аппроксимирующей функции, в табл. 4 дается приближенный расчет зависимости поверхностной плотности от плотности для образцов нетканой основы композитов, выработанной из полиэфирных волокон.

Таблица 4.

Результаты аппроксимации значений поверхностной плотности в зависимости от плотности нетканых полотен, изготовленных из полиэфирных волокон

Значения коэффициентов пропорциональности

Значение коэф-фициента корреляции

Величина относительной погрешности, %

а0

а1

а2

а3

 

min

max

Зависимость поверхностной плотности ПППЭ, г/м2от плотности ρПЭ, кг/м3:

ПППЭ (ρ1) = а0·ρПЭ3 + а1·ρ ρПЭ2 + а2·ρПЭ  +  а3

9,26074·10-5

-8,032610-3

-8,0968·10-5

0

1,0

0

0

 

Расчеты, проведенные посредством полученных формул, позволяют рекомендовать для изготовления композиционных материалов нетканые полотна, характеристики которых приведены в табл. 5.

Таблица 5.

Характеристики нетканых полотен для изготовления композитов

Нетканые полотна, выработанные из:

100 % полипропиленовых волокон:

100 % полиэфирных волокон

Диапазон значений поверхностной плотности полотен:

1 группы:

3 группы:

 

290 - 540г/м2 при ρПП = 135 – 230 кг/м3

480 - 1160г/м2 при ρПП = 135 – 230 кг/м3

503 - 2990г/м2 при ρПЭ = 210 – 350 кг/м3

Толщина нетканой основы:

2,0 – 2,4 мм;

3,5 – 4,9 мм.

3,7 – 13,0 мм.

 

Обобщая результаты математической обработки данных, полученных в процессе экспериментальных исследований, следует отметить, что:

1. Физико-механические характеристики изготовленных изделий (пластины) из композиционных материалов функционально зависят от плотности нетканой основы. Причем, для приближенного расчета разрывных нагрузок нетканого полотна Rрни композиционного материала Rрк, а также предельной нагрузки изгиба композиционного материала Fи напряжений при изгибе σ в зависимости от плотности нетканого полотна ρ, наиболее целесообразно применять уравнение вида y(ρ) = a·ln(ρ) – b, а для вычисления напряжения при изгибе σ – степенную функцию: σ(ρ)  = с·ρn.

2. Численные значения коэффициентов пропорциональности в приведенных расчетных формулах определяются волокнистым составом, способом изготовления и плотностью нетканых полотен, а также используемым технологическими режимами и оборудованием на различных предприятиях-производителях (ОАО «Ортон», «Комитекс», «Сибур-геотекстиль»).

3. Рекомендуемые значения параметров нетканых полотен, предназначенных для использования в качестве основы композиционных материалов составляют:

3.1. Пористость: 75-85 %;

3.2. Плотность кг/м3:

  • - ρПП = 135 – 230 - при изготовлении из полипропиленовых волокон (ρВ = 910 кг/м3);
  • - ρПЭ = 210 – 350 - при изготовлении из полиэфирных волокон (ρВ = 1380 кг/м3);
  • - ρПА = 170 – 290 - при изготовлении из полиамидных волокон (ρВ = 1147 кг/м3).

3.3. Диапазон изменения поверхностной плотности ПП и соответствующих толщин δ:

  • - ПП = 290 - 540 г/м2 и δ = 2,0 – 2,4 мм - для иглопробивных термостабилизированных полотен марки «Канвалон» (производитель ОАО «Ортон»): 100 % полипропиленовые волокна, формирование холста фильерное (спанбонд), аэродинамическое;
  • - ПП = 480 - 1160 г/м2 и δ = 3,5 – 4,9 мм - для иглопробивных полотен марки «Геотекс» (производитель ОАО «Сибур-геотекстиль»): 100 % полипропиленовые волокна, формирование холста фильерное (спанбонд), аэродинамическое;
  • - ПП = 503 - 2990 г/м2 и δ не менее 3,7 мм - для иглопробивных полотен, выработанных из  100 % полиэфирных волокон. Предпочтительное формирование холста фильерное (спанбонд), аэродинамическое.

Таким образом, проведенный анализ позволил определить соотношения физико-механических параметров нетканой основы, которые являются оптимальными с точки зрения достижения требуемых прочностных свойств композитов и изделий из них для использования в промышленности и строительстве.

0
Ваша оценка: Нет Средняя: 8.3 (3 голоса)
Комментарии: 6

Адамбаев Мурат Джамантаевич

08/13/2013-эксперт М.Д. Адамбаев Выявление взаимосвязей плотности неткановой основы и параметров полученных композитов желательно исследовать не только методами корреляционного анализа, но и методами регрессионного с использованием возможностей современной программы SPSS (версии 12-21). Работа актуальна, имеет научную новизну и практическую ценность. Оценка – 8 баллов.

Лысенко Виктор

Работа актуальна и обработка экспериментальных данных выполнена на высоком уровне в рамках поставленных задач исследования. Однако следует отметить, что для подобных материалов очень важным является учет релаксационных временных и температурных факторов.

рахимбеков сармантай мадиевич

Серьезное исследование с помощью аналитических возможностей средств Excel и Mathcad зависимостей и соотношений физико-механических параметров нетканой основы. Далее эти результаты с помощью средств "оптимизатора" оценены с точки зрения достижения требуемых прочностных свойств композитов и изделий из них для использования в промышленности и строительстве. Образчик применения средств поддержки принятия оптимальных решений. Эксперт С.М.Рахимбеков

Деревянкин Павел Андреевич

Вопросы математической обработки экспериментальных данных исследованы в работе обстоятельно.

Усенко Богдан Олегович

Научная работа актуальна, исследования проведены на высоком научном уровне, результаты теоретических и экспериментальных исследований могут применяться на практике, внедрятся на производстве.

Степанов Андрей Александрович

При каких условиях проводились эксперименты? Выполнялось ли сравнение экспериментальных и теоретических моделей?
Комментарии: 6

Адамбаев Мурат Джамантаевич

08/13/2013-эксперт М.Д. Адамбаев Выявление взаимосвязей плотности неткановой основы и параметров полученных композитов желательно исследовать не только методами корреляционного анализа, но и методами регрессионного с использованием возможностей современной программы SPSS (версии 12-21). Работа актуальна, имеет научную новизну и практическую ценность. Оценка – 8 баллов.

Лысенко Виктор

Работа актуальна и обработка экспериментальных данных выполнена на высоком уровне в рамках поставленных задач исследования. Однако следует отметить, что для подобных материалов очень важным является учет релаксационных временных и температурных факторов.

рахимбеков сармантай мадиевич

Серьезное исследование с помощью аналитических возможностей средств Excel и Mathcad зависимостей и соотношений физико-механических параметров нетканой основы. Далее эти результаты с помощью средств "оптимизатора" оценены с точки зрения достижения требуемых прочностных свойств композитов и изделий из них для использования в промышленности и строительстве. Образчик применения средств поддержки принятия оптимальных решений. Эксперт С.М.Рахимбеков

Деревянкин Павел Андреевич

Вопросы математической обработки экспериментальных данных исследованы в работе обстоятельно.

Усенко Богдан Олегович

Научная работа актуальна, исследования проведены на высоком научном уровне, результаты теоретических и экспериментальных исследований могут применяться на практике, внедрятся на производстве.

Степанов Андрей Александрович

При каких условиях проводились эксперименты? Выполнялось ли сравнение экспериментальных и теоретических моделей?
Партнеры
 
 
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
Would you like to know all the news about GISAP project and be up to date of all news from GISAP? Register for free news right now and you will be receiving them on your e-mail right away as soon as they are published on GISAP portal.