Динаміка деформації грубої вовни при механічному ущільненні ударом

Abstract

Побудова механічних моделей для імітації поведінки природних волокнистих матеріалів, таких як вовна, при ударно-механічній взаємодії вимагає поглибленого знання характеристик окремих волокон, зокрема їх морфології, розташування у переплетенні, міцності та жорсткості. Структуру грубої вовни можна адекватно описати стохастичним розподілом геометричних параметрів її волокон та вільних порожнин між ними на основі чисельного моделювання. Метою досліджень є проведення чисельного моделювання процесу ударно-механічної взаємодії грубої овечої вовни та визначення динаміки зміни її максимальної напруженості і відносної деформації. Для дослідження явища пружного гістерезису при ударно-механічній взаємодії зволоженої грубої вовни приймемо наступні припущення й спрощення: зазначений процес представляє собою задачу про контактну взаємодію абсолютно твердих тіл з пористим середовищем; сила тертя між боковими поверхнями і шаром пористого матеріалу (зволожена груба вовна) відсутня, через незначне її значення у порівнянні із діючою силою; рух рідини в пористому середовищі (зволоженій грубій вовні) підпорядковується закону Дарсі; спостереження при лабораторних дослідженнях за деформацією зволоженої грубої вовни, як волокнистого матеріалу, в процесі її навантаження і розвантаження дали змогу прийняти її реологічну модель як пружно-в’язко-пластичне тіло. Згідно фізико-механічних властивостей вовни та проведених лабораторних досліджень її деформаційних характеристик, побудована стохастична модель структури вовни, як волокнистого матеріалу, в програмному пакеті Star CCM+. Волокна вовни представлені у вигляді дискретизованої тетрагональної сітки. За модель волокна прийнято в’язко-пластичне тіло, яке знаходиться у рідкому середовищі. В результаті досліджень проведено чисельне моделювання процесу ударно-механічної взаємодії грубої овечої вовни, в результаті встановлено динаміку зміни максимальної напруженості і відносної деформації грубої вовни. Отримана залежність максимальної напруженості грубої вовни від її відносної деформації, яка показує присутність явища пружного гістерезису. Pobudova mekhanichnykh modelei dlia imitatsii povedinky pryrodnykh voloknystykh materialiv, takykh yak vovna, pry udarno-mekhanichnii vzaiemodii vymahaie pohlyblenoho znannia kharakterystyk okremykh volokon, zokrema yikh morfolohii, roztashuvannia u perepletenni, mitsnosti ta zhorstkosti. Strukturu hruboi vovny mozhna adekvatno opysaty stokhastychnym rozpodilom heometrychnykh parametriv yii volokon ta vilnykh porozhnyn mizh nymy na osnovi chyselnoho modeliuvannia. Metoiu doslidzhen ye provedennia chyselnoho modeliuvannia protsesu udarno-mekhanichnoi vzaiemodii hruboi ovechoi vovny ta vyznachennia dynamiky zminy yii maksymalnoi napruzhenosti i vidnosnoi deformatsii. Dlia doslidzhennia yavyshcha pruzhnoho histerezysu pry udarno-mekhanichnii vzaiemodii zvolozhenoi hruboi vovny pryimemo nastupni prypushchennia y sproshchennia: zaznachenyi protses predstavliaie soboiu zadachu pro kontaktnu vzaiemodiiu absoliutno tverdykh til z porystym seredovyshchem; syla tertia mizh bokovymy poverkhniamy i sharom porystoho materialu (zvolozhena hruba vovna) vidsutnia, cherez neznachne yii znachennia u porivnianni iz diiuchoiu syloiu; rukh ridyny v porystomu seredovyshchi (zvolozhenii hrubii vovni) pidporiadkovuietsia zakonu Darsi; sposterezhennia pry laboratornykh doslidzhenniakh za deformatsiieiu zvolozhenoi hruboi vovny, yak voloknystoho materialu, v protsesi yii navantazhennia i rozvantazhennia daly zmohu pryiniaty yii reolohichnu model yak pruzhno-viazko-plastychne tilo. Zghidno fizyko-mekhanichnykh vlastyvostei vovny ta provedenykh laboratornykh doslidzhen yii deformatsiinykh kharakterystyk, pobudovana stokhastychna model struktury vovny, yak voloknystoho materialu, v prohramnomu paketi Star CCM+. Volokna vovny predstavleni u vyhliadi dyskretyzovanoi tetrahonalnoi sitky. Za model volokna pryiniato viazko-plastychne tilo, yake znakhodytsia u ridkomu seredovyshchi. V rezultati doslidzhen provedeno chyselne modeliuvannia protsesu udarno-mekhanichnoi vzaiemodii hruboi ovechoi vovny, v rezultati vstanovleno dynamiku zminy maksymalnoi napruzhenosti i vidnosnoi deformatsii hruboi vovny. Otrymana zalezhnist maksymalnoi napruzhenosti hruboi vovny vid yii vidnosnoi deformatsii, yaka pokazuie prysutnist yavyshcha pruzhnoho histerezysu.