Έξυπνες υφασμάτινες κατασκευές

Abstract

Textiles are used in many cases in human’s everyday life. The main usage is twofold: firstly, is aesthetics in order to improve the image of the people and secondly the functionality which have to do with the protection from weather conditions like cold, rain, sun, ultraviolet radiation, etc. Fabrics attract a lot of attention from researchers all over the world due to production low cost, low weight to strength ratio and generally the extraordinary mechanical properties they exhibit. Textile structural components are commonly used in industry and in many advanced technological applications. Characteristic examples are airbags and seat belts in automotive industry, parachutes and bulletproof wests in the army, ropes and tents in commercial industry, etc. All these applications can be improved and optimized by using effective modeling techniques for the fabrics. Fabric modeling is an elegant task due to high complexity of the structure. High complexity is due to the weaving process and the various modes of deformation. Even though a lot of attempts, from a great number of researchers, have been made there is no reliable and sufficient model for predicting the mechanical behavior of fabrics till today. So, the first target of the present study is to formulate a model adequate to predict and simulate the mechanical behavior of fabrics in a sufficient and reliable way. The main characteristic of the fabrics is the weave between the warps and the yarns. Weave depicts transparently the material’s microstructure. Locally, the yarns translate, twist and bend independently each other so size effects are inevitable present. The macroscopic fabric response is influenced very much from the microstructure. Classical continuum mechanics theories cannot take into account such size effect phenomena and the usage of a generalized continuum theory is necessary. Cosserat theory falls to this category and in this sense it was used it in the present study. Beyond the mechanical properties fabrics exhibit many functional advantages. Their structure facilitates the integration with electronic systems, like microprocessors, micro sensors, etc.

Η χρήση των υφασμάτινων κατασκευών για την πλειονότητα των ανθρώπων περιορίζεται σε δύο βασικούς άξονες: στην αισθητική, υπό την έννοια ότι χρησιμοποιούνται στην βελτίωση της εξωτερικής εμφάνισης του ατόμου και, στην λειτουργικότητα, υπό την έννοια ότι χρησιμοποιούνται για την προστασία από κλιματικούς παράγοντες όπως είναι το κρύο, η ζέστη, η ηλιακή ακτινοβολία,κλπ. Οι υφασμάτινες κατασκευές αποτελούν πόλο έλξης για πολλούς ερευνητές παγκοσμίως λόγω του χαμηλού κόστους παραγωγής τους και των εξαιρετικών μηχανικών ιδιοτήτων τους σε σχέση με το βάρος τους. Η εφαρμογή τους σε σύγχρονες τεχνολογικές και κατασκευαστικές εφαρμογές είναι εξαιρετικά διαδεδομένη. Χαρακτηριστικά παραδείγματα αποτελούν οι προστατευτικοί αερόσακοι και οι ζώνες ασφαλείας των αυτοκινήτων, τα αλεξίπτωτα, τα αλεξίσφαιρα γιλέκα κ.α. Όλες αυτές οι εφαρμογές μπορούν να βελτιωθούν σημαντικά ως προς την λειτουργικότητα και την αντοχή τους χρησιμοποιώντας αποτελεσματικές τεχνικές μοντελοποίησης των υφασμάτων. Η μοντελοποίηση των υφασμάτων είναι μια εξαιρετικά επίπονη διαδικασία με αρκετά μεγάλη πολυπλοκότητα. Οι δυσκολίες οφείλονται σε δύο παράγοντες κυρίως, τον τρόπο πλέξης και τους πολλαπλούς τρόπους με τους οποίους μπορούν να παραμορφωθούν. Παρόλο ότι έχουν γίνει πολύ σοβαρές προσπάθειες, από αρκετούς ερευνητές, να αναπτυχθούν αποτελεσματικά και αξιόπιστα μοντέλα που να περιγράφουν την μηχανική συμπεριφορά των υφασμάτων μέχρι και σήμερα ένα ευρέως αποδεκτό μοντέλο δεν έχει παρουσιασθεί. Ο πρώτος βασικός πυλώνας της παρούσας διατριβής κινείται προς αυτή την κατεύθυνση, στην παρουσίαση ενός μοντέλου που να μπορεί να περιγράφει την απόκριση των υφασμάτων σε εξωτερικές φορτίσεις με τον πιο ρεαλιστικό και ακριβή τρόπο. Χαρακτηριστικό γνώρισμα των υφασμάτων είναι η πλέξη τους η οποία αποτυπώνει με τον πιο ρεαλιστικό τρόπο την μικροδομή του υλικού. Σε τοπικό επίπεδο υφάδια μετακινούνται, συστρέφονται και παραμορφώνονται ανεξάρτητα το ένα με το άλλο με αποτέλεσμα να αναπτύσσονται φαινόμενα κλίμακας (size effects). Αυτό σημαίνει ότι η μακροσκοπική απόκριση του υφάσματος επηρεάζεται σε έντονο βαθμό από την μικροδομή. Δεδομένου ότι η κλασική θεωρία του συνεχούς μέσου δεν μπορεί να ερμηνεύσει τέτοιου είδους τοπικά φαινόμενα είναι απαραίτητη η χρήση μιας γενικευμένης θεωρίας συνεχούς μέσου. Η θεωρία Cosserat αποτελεί μια ολοκληρωμένη γενικευμένη θεωρία συνεχούς μέσου που λαμβάνει υπόψη φαινόμενα μικροκλίμακας και για αυτό το λόγο υιοθετείται στην παρούσα διατριβή. Πέραν των εξαιρετικών μηχανικών τους ιδιοτήτων τα υφάσματα παρουσιάζουν και πολλά λειτουργικά πλεονεκτήματα. Η δομή τους ειναι τέτοια που διευκολύνει την ολοκληρωμένη ενσωμάτωση στο εσωτερικό τους μιας σειράς πληροφοριακών συστημάτων, όπως είναι αισθητήρες, μικροϋπολογιστές κ.α. Η εξέλιξη της ηλεκτρονικής ειναι τέτοια που επιτρέπει την κατασκευή ηλεκτρονικών διατάξεων με διαστάσεις λίγων χιλιοστών ή ακόμη και μερικών νανομέτρων. Αυτό σημαίνει ότι οι υφασμάτινες κατασκευές μπορούν να αποτελέσουν την πλατφόρμα πληροφοριακών συστημάτων που θα ανταλλάσουν μεταξύ τους πληροφορίες και δεδομένα. Τέτοιου είδους κατασκευές θα μπορούσαν να έχουν τρομακτικές συνέπειες σε πολλούς κλάδους της επιστήμης. Για παράδειγμα, θα μπορούσε ένα υφασμάτινο γιλέκο το οποίο φέρει αισθητήρες μέτρησης της πίεσης της καρδιάς να μεταφέρει τα δεδομένα σε ένα κέντρο ελέγχου (επιβλέπων γιατρός) και μέσω ασύρματης επικοινωνίας να μεταφέρονται πληροφορίες άμεσης δράσης στον ασθενή. Αυτό σημαίνει ότι τα υφάσματα μπορούν να βλέπουν, να αισθάνονται, να σκέφτονται, να δρουν και εν τέλει να επιδεικνύουν ενός είδους ευφυία. Οι ηλεκτρονικές διατάξεις και η αλληλεπίδραση των ηλεκτρικών και μαγνητικών φαινομένων στα υφάσματα αποτελεί τον δεύτερο βασικό πυλώνα της διατριβής.