Моделирование структуры бумажного листа

УДК

676.017.272

DOI:

10.17238/issn0536-1036.2017.2.160

Аннотация

Предложен алгоритм создания математической модели структуры бумажного листа, обладающего такими же свойствами, как и реальный бумажный материал, что позволяет анализировать и прогнозировать его свойства. Представлено три основных этапа создания этой модели. На первом этапе с использованием экспериментальных данных находят параметры распределения основных геометрических характеристик волокна (длины, ширины, кривизны). На основе этих параметров и выявленных зависимостей вычисляют геометрические характеристики каждого моделируемого волокна. На втором этапе осуществляют трехмерное моделирование отдельных волокон. Оно включает расчет траектории волокон, расчет поперечного сечения и трехмерное представление каждого волокна с учетом выявленных на предыдущем этапе зависимостей. На третьем этапе полученные модели отдельных целлюлозных волокон укладываются в единую волокнистую сетку заданной площади, образуется 3D-модель бумажного листа. При этом изгиб волокон в пространстве реализуется за счет операций математической морфологии с учетом параметров исходного сырья. Предлагаемый алгоритм создания трехмерной модели бумажного листа используется с применением прикладного программного обеспечения, позволяющего не только получать визуальную модель листа бумаги, но и проводить анализ и прогнозирование свойств целлюлозно-бумажных материалов без использования обширной инструментально-экспе-риментальной базы.

Сведения об авторах

И.В. Лебедев, асп.

Я.В. Казаков, д-р техн. наук, зав. каф.

Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова, наб. Северной Двины, д. 17, г. Архангельск, Россия, 163002; e-mail: mr.ivan.lebedev@mail.ru, j.kazakov@narfu.ru

Ключевые слова

целлюлозное волокно, моделирование, структура бумажного листа

Источник финансирования

Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП НО «Арктика» (САФУ) и в инновационно-технологическом центре «Современные технологии переработки биоресурсов Севера» (САФУ) при финансовой поддержке Минобрнауки России.

Для цитирования

Лебедев И.В., Казаков Я.В. Моделирование структуры бумажного листа // Лесн. журн. 2017. № 2. С.160–172. (Изв. высш. учеб. заведений). DOI: 10.17238/issn0536-1036.2017.2.160

Литература

1. А.с. 2012612982 РФ. Программа для анализа и моделирования распределения по длине и ширине целлюлозных волокон в бумажной массе (Моделирование фракционного состава) / Я.В. Казаков; заявитель и правообладатель САФУ (RU).
№ 2012610536; заявл. 30.01.2012; опубл. 26.03.2012, Реестр программ для ЭВМ. 1 с.

2. Казаков Я.В. Трехмерное моделирование целлюлозных волокон // Новые достижения в химии и химической технологии растительного сырья: материалы IV Всерос. конф. Барнаул: Алтайский ун-т, 2009. Кн. I. С. 57–59.

3. Казаков Я.В. Характеристика геометрических параметров волокон целлюлозных полуфабрикатов с использованием вероятностных методов // Химия растит. сырья. 2014. № 1. С. 269–275.

4. Казаков Я.В. Характеристики деформативности как основополагающий критерий в оценке качества целлюлозно-бумажных материалов: дис. ... д-ра техн. наук. Архангельск, 2015. 534 с.

5. Казаков Я.В., Зеленова С.В., Комаров В.И. Влияние неоднородности структуры на характеристики жесткости картонов-лайнеров // Лесн. журн. 2007. № 3. С. 110–121 (Изв. высш. учеб. заведений).

6. Казаков Я.В., Манахова Т.Н. Бумагообразующий потенциал хвойной небеленой целлюлозы: современный взгляд через автоматический анализатор волокна // Целлюлоза. Бумага. Картон. 2013. № 5. С. 34–39.

7. Лебедев И.В., Казаков Я.В. Математическая модель геометрических характеристик волокон в бумажной массе // Работа целлюлозно-бумажных предприятий в современных условиях: материалы и докл. 16-й Междунар. науч.-техн. конф. (Караваево, 28–29 мая 2015 г.). М.: МГУЛ, 2015. C. 80–88.

8. Лебедев И.В., Казаков Я.В. Математическая модель структуры бумажного листа // Проблемы механики целлюлозно-бумажных материалов: материалы III Междунар. науч.-техн. конф. (Архангельск, 9–11 сент. 2015 г.). Архангельск: САФУ, 2015. C. 288–293.

9. Манахова Т.Н., Казаков Я.В. Расчет параметров феноменологической модели деформирования целлюлозного материала по результатам измерений на автоматическом анализаторе волокна // Лесн. журн. 2014. № 1. С. 140–147. (Изв. высш. учеб. заведений).

10. Dickson A., Doole N., Sampson W. Simulation of Thickness Distribution in Random Fiber Networks // Proc. Seminar “Progress in Paper Physics”. Helsinki University of Technology, TKK, Dipoli, Otaniemi, Espoo, Finland, 2–5 June 2008. Helsinki. 2008.
Pp. 291–294.

11. Karlsson H. Fiber Guide. Fiber Analysis and Process Applications in the Pulp and Paper Industry. Sweden, 2006. 120 p.

12. Koivu V., Turpeinen T., Kataja M. X-Ray Micro-Tomographic Study of Paper-Making Fabrics // Proc. Seminar “Progress in Paper Physics”. Helsinki University of Technology, TKK, Dipoli, Otaniemi, Espoo, Finland, 2–5 June 2008. Helsinki, 2008. Pp. 25–28.

13. Lavrykov S., Lindstrom S.B., Singh K.M., Ramarao B.V. 3-D Network Simulations of Paper Structure // Nordic Pulp and Paper Research J. 2012. No. 27(2). Pp. 256–263.

14. Lindstrom S.B. Modeling and Simulation of Paper Structure Development: Dr. Tech. Diss. Sundsvall, 2008. 184 p.

15. Pasi P.J. Miettinen, Jukka A. Ketoja, Tuomo Hje. Simulation of Structure and Deformation of Wet Fiber Networks // Proc. Seminar “Progress in Paper Physics”. Helsinki University of Technology, TKK, Dipoli, Otaniemi, Espoo, Finland, 2–5 June 2008. Helsinki. 2008. Pp. 143–145.

16. Vincent R., Rueff M., Voillot C. 3-D Computational Simulation of Paper Handsheet Structure and Prediction of Apparent Density // Tappi J. 2009. No. 9(1). Pp. 15–19. 

Поступила 21.12.16

Ссылка на английскую версию:

Paper Sheet Texture Simulation

UDC 676.017.272

DOI: 10.17238/issn0536-1036.2017.2.160

 

Paper Sheet Texture Simulation

 

I.V. Lebedev, Postgraduate Student

Ya.V. Kazakov, Doctor of Engineering Sciences, Head of Department

Northen (Arctic) Federal University named after M.V. Lomonosov. Naberezhnaya Severnoy Dviny, 17, Arkhangelsk, 163002, Russian Federation; e-mail: mr.ivan.lebedev@mail.ru, j.kazakov@narfu.ru

 

This paper describes an algorithm for creating a mathematical model of the paper sheet texture having the same properties as the real paper material. This allows us to analyze and predict its properties. Three main stages of creating of this model are presented. The distribution parameters of basic fiber geometric characteristics (length, width, curvature) are determined with the use of the experimental data in the first stage. Based on these identified parameters and dependencies for each simulated fiber its geometric characteristics are calculated. The next step is the modeling of individual fibers. It includes the calculation of a trajectory of fibers, the cross-section calculation and three-dimensional representation of each fiber based on the identified dependencies in the previous step. In the third stage the obtained models of the individual cellulose fibers are stacked into a single fibrous mesh  of  a

given area to form a paper sheet 3D-model. The fiber bending in space is realized by the mathematical morphology operations and the parameters of the starting crude. The proposed algorithm of creating the three-dimensional model of a paper sheet is implemented using the application software, that allows obtaining a visual model of a paper sheet and analyzing and predicting of the pulp and paper properties without the use of the extensive instrumental and experimental base.

 

Keywords: cellulose fiber, simulation paper sheet texture.

 

REFERENCES

 

1. Kazakov Ya.V. Programma dlya analiza i modelirovaniya raspredeleniya po dline i shirine tsellyuloznykh volokon v bumazhnoy masse (Modelirovanie fraktsionnogo sostava) [The Program for Analysis and Modeling of the Length and Width Distribution of the Cellulose Fibers in the Paper Pulp (Fractional Composition Simulation)]. Certificate of Authorship RF, no. 2012612982, 2012.

2. Kazakov Ya.V. Trekhmernoe modelirovanie tsellyuloznykh volokon [Three-Dimensional Modeling of Cellulose Fibers]. Novye dostizheniya v khimii i khimicheskoy tekhnologii rastitel'nogo syr'ya: materialy IV Vseros. konf. [Proc. 4th All-Russ. Conf. “New Achievements in Chemistry and Chemical Technology of Vegetable Raw Materials”]. Barnaul, 2009, book I, pp. 57–59.

3. Kazakov Ya.V. Kharakteristika geometricheskikh parametrov volokon tsellyuloznykh polufabrikatov s ispol'zovaniem veroyatnostnykh metodov [Characterization of Geometrical Parameters of Fibers of Cellulose Semi-Finished Products with the Use of Probabilistic Methods]. Khimiia rastitel'nogo syr'ia [Chemistry of Plant Raw Material], 2014, no. 1, pp. 269–275.

4. Kazakov Ya.V. Kharakteristiki deformativnosti kak osnovopolagayushchiy kriteriy v otsenke kachestva tsellyulozno-bumazhnykh materialov: dis. ... d-ra tekhn. nauk [Characteristics of Deformability as a Fundamental Criterion in the Quality Assessing of the Pulp and Paper Products: Dr. Eng. Sci. Diss.]. Arkhangelsk, 2015. 534 p.

5. Kazakov Ya.V., Zelenova S.V., Komarov V.I. Vliyanie neodnorodnosti struktury na kharakteristiki zhestkosti kartonov-laynerov [Influence of Structural Nonuniformity on Stiffness Characteristics of Linerboard]. Lesnoy zhurnal [Forestry journal], 2007, no. 3,
pp. 110–121.

6. Kazakov Ya.V., Manakhova T.N. Bumagoobrazuyushchiy potentsial khvoynoy nebelenoy tsellyulozy: sovremennyy vzglyad cherez avtomaticheskiy analizator volokna [Paper-Forming Potential of Softwood Unbleached Pulp: the Modern View Using the Automatic Fiber Analyzer]. Tsellyuloza. Bumaga. Karton [Pulp. Paper. Board], 2013, no. 5,
pp. 34–39.

7. Lebedev I.V., Kazakov Ya.V. Matematicheskaya model' geometricheskikh kharakteristik volokon v bumazhnoy masse [A Mathematical Model of the Geometric Characteristics of Fibers in the Paper Pulp]. Rabota tsellyulozno-bumazhnykh predpriyatiy v sovremennykh usloviyakh: materialy i dokl. 16-y Mezhdunar. nauch.-tekhn. konf. (Karavaevo, 28−29 maya 2015 g.). [Proc. 16th Intern. Sci. Eng. Conf. “Operation of the Pulp and Paper Enterprises Under Current Conditions”]. Moscow, 2015, pp. 80–88.

8. Lebedev I.V., Kazakov Ya.V. Matematicheskaya model' struktury bumazhnogo lista [A Mathematical Model of the Paper Sheet Texture]. Problemy mekhaniki tsellyulozno-bumazhnykh materialov: materialy III Mezhdunar. nauch.-tekhn. konf. (Arkhangel'sk,
9–11 sent. 2015 g.) [Proc. 3d Intern. Sci. Eng. Conf. “The Issues of Mechanics of Pulp-and-Paper Materials”]. Arkhangelsk, 2015, pp. 288–293.

9. Manakhova T.N., Kazakov Ya.V. Raschet parametrov fenomenologicheskoy modeli deformirovaniya tsellyuloznogo materiala po rezul'tatam izmereniy na avtomaticheskom analizatore volokna [Calculation of Phenomenological Model Parameters of Cellulose Material Deformation Based on the Data from Automated Analyzer]. Lesnoy zhurnal [Forestry journal], 2014, no. 1, pp. 140–147.

10. Dickson A., Doole N., Sampson W. Simulation of Thickness Distribution in Random Fiber Networks. Proc. Seminar “Progress in Paper Physics”. Helsinki University of Technology, TKK, Dipoli, Otaniemi, Espoo, Finland, 2–5 June 2008. Helsinki, 2008,
pp. 291–294.

11. Karlsson H. Fiber Guide. Fiber Analysis and Process Applications in the Pulp and Paper Industry. Sweden, 2006. 120 p.

12. Koivu V., Turpeinen T., Kataja M. X-Ray Micro-Tomographic Study of Paper-Making Fabrics. Proc. Seminar “Progress in Paper Physics”. Helsinki University of Technology, TKK, Dipoli, Otaniemi, Espoo, Finland, 2–5 June 2008. Helsinki, 2008, pp. 25–28.

13. Lavrykov S., Lindstrom S.B., Singh K.M., Ramarao B.V. 3-D Network Simulations of Paper Structure. Nordic Pulp and Paper Research J., 2012, no. 27(2), pp. 256–263.

14. Lindstrom S.B. Modeling and Simulation of Paper Structure Development:
Dr. Tech. Diss. Sundsvall, 2008. 184 p.

15. Pasi P.J. Miettinen, Jukka A. Ketoja, Tuomo Hje. Simulation of Structure and Deformation of Wet Fiber Networks. Proc. Seminar “Progress in Paper Physics”. Helsinki University of Technology, TKK, Dipoli, Otaniemi, Espoo, Finland, 2–5 June 2008. Helsinki, 2008, pp. 143–145.

16. Vincent R., Rueff M., Voillot C. 3-D Computational Simulation of Paper Handsheet Structure and Prediction of Apparent Density. Tappi J., 2009, no. 9(1), pp. 15–19.

Received on December 21, 2016

---

For citation: Lebedev I.V., Kazakov Ya.V. Paper Sheet Texture Simulation. Lesnoy zhurnal [Forestry journal], 2017, no. 2, pp.160–172. DOI: 10.17238/issn0536-1036.2017.2.160