Komposiittimateriaalien palomallinnus, osa B: CFD-FEA menetelmä ja sen kokeellinen validointi

HTML
DOWNLOAD

Koko: px

Aloita esitys sivulta:

Download "Komposiittimateriaalien palomallinnus, osa B: CFD-FEA menetelmä ja sen kokeellinen validointi"

Jalmari Saaristo
8 vuotta sitten
Katselukertoja:

1 TEKNOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS VTT OY Komposiittimateriaalien palomallinnus, osa B: CFD-FEA menetelmä ja sen kokeellinen validointi Palotutkimuksen päivät 2015 Antti Paajanen, Anna Matala, Timo Korhonen ja Simo Hostikka

2014 VTT:n johtamassa osatehtävässä kehitettiin laskennallista työkalua, jolla voidaan

2 Jatkoa edelliseen esitykseen Kevyet polymeerikomposiitit liikennevälineissä lukuisia etuja metalleihin nähden haasteena paloturvallisuus EU-tutkimushanke FIRE-RESIST VTT:n johtamassa osatehtävässä kehitettiin laskennallista työkalua, jolla voidaan simuloida polymeerikomposiittien termistä ja mekaanista vastetta tulipalossa

3 Place for a photo (no lines around photo) CFD-FEA menetelmän toteutus 3

Palo-rakenne vuorovaikutuksen mallintaminen Mallinnusketju, joka voidaan jakaa neljään osatehtävään: 1. Tulipalon dynamiikka konvektiivinen- ja säteilylämmönsiirto 2.

4 Palo-rakenne vuorovaikutuksen mallintaminen Mallinnusketju, joka voidaan jakaa neljään osatehtävään: 1. Tulipalon dynamiikka konvektiivinen- ja säteilylämmönsiirto 2. Materiaalien terminen vaste lämmönjohtuminen, hajoamisreaktiot 3. Lämpökuormituksesta johtuvat materiaalivauriot johtavat mm. kantavuuden heikkenemiseen 4. Rakenteiden mekaaninen vaste muodonmuutokset ja romahdukset Laskennallinen virtaus- Mekaniikka (CFD) Molemmat Elementtimenetelmä (FEA) Tarkoitukseen soveltuvaa yksittäistä laskentatyökalua ei ole. Analyysi voidaan toteuttaa kytkemällä kaksi itsenäistä ohjelmistoa

komposiittirakenteiden kuvaus FDS & fysikaalis-kemialliset mallit Virtausmekaniikka massan ja kemiallisten yhdisteiden siirtyminen liikemäärän siirtyminen ja paine Palaminen reaktiiviset virtaukset

5 komposiittirakenteiden kuvaus FDS & fysikaalis-kemialliset mallit Virtausmekaniikka massan ja kemiallisten yhdisteiden siirtyminen liikemäärän siirtyminen ja paine Palaminen reaktiiviset virtaukset Lämpösäteily mm. absorptio ja sironta nestepisaroista Kiinteä olomuoto lämmönjohtuminen pyrolyysi aerosolidepositio Palonilmaisimet sprinklerit savun- ja lämmönilmaisimet Pienhiukkaset kuljettuminen haihtuminen

6 Kiinteän olomuodon kuvaus FDS:ssä lämpökuormitus & 1D lämmönsiirto pyrolyysikaasujen vapautuminen kiinteä aine koostuu yhdestä tai useammasta kerroksesta 1 d 1 d 2 L1, materiaalit M 11, M 12, jne. L2, materiaalit M 21, M 22, jne. jokainen kerros koostuu yhdestä tai useammasta materiaalikomponentista 2 d 3 d 3 L3, materiaalit M 31, M 32, jne. L4, materiaalit M 41, M 42, jne. jokainen kerros voi paisua/kutistua termisten reaktioiden aikana materiaalikomponentti M ij voi käydä läpi useita reaktioita, jotka tuottavat sekä kiinteitä että kaasufaasin hajoamistuotteita 3 materiaalikomponentin M ij määrittävät sen termiset ja mekaaniset perusominaisuudet (mm. ρ, k, c), sekä sen hajoamisreaktiot

7 Termovaaka Kartiokalorimetri Muut kokeet ~1 mg ~100 g ~10 kg

8 CFD-FEA mallinnusympäristö Materiaalinäyte Kartio TGA MCC Pyrolyysimalli (GA) Tulipalon dynamiikka (FDS)

9 CFD-FEA mallinnusympäristö Materiaalinäyte Kartio TGA MCC Pyrolyysimalli (GA) Tulipalon dynamiikka (FDS) 1 Terminen vaste (ABAQUS) 2 Lämpövuo tai pintalämpötila Kytkentätyökalu

10 CFD-FEA mallinnusympäristö Materiaalinäyte Materiaalinäyte Kartio TGA MCC TGA DMTA Pyrolyysimalli (GA) Termo-mekaaninen malli (FEA aliohjelma) Tulipalon dynamiikka (FDS) 1 Terminen vaste (ABAQUS) 2 Lämpövuo tai pintalämpötila Kytkentätyökalu

11 CFD-FEA mallinnusympäristö Materiaalinäyte Materiaalinäyte Kartio TGA MCC TGA DMTA Pyrolyysimalli (GA) Termo-mekaaninen malli (FEA aliohjelma) Lämpötilaprofiili Tulipalon dynamiikka (FDS) 1 Terminen vaste (ABAQUS) 2 Mekaaninen vaste (ABAQUS) 3 Lämpövuo tai pintalämpötila Lämpöhajoamisen tila Kytkentätyökalu

12 Place for a photo (no lines around photo) CFD-FEA menetelmän kokeellinen validointi 12

13 Yhteenveto Pienen mittakaavan uunikokeet (SP Fire 119) + mekaaninen rasitus Keskisuuren mittakaavan palokoe + mekaaninen rasitus Validointikokeissa käytettiin kahta Fire- Resist-hankkeessa kehitettyä materiaalia hiilikuituvahvisteinen epoksilaminaatti lasikuituvahvisteinen furaanikomposiitti Kokeiden suunnittelusta ja toteutuksesta vastasi SP Technical Research Institute of Sweden Kaikista validointikokeista toteutettiin vastaavat CFD-FEA simulaatiot

14 Keskisuuren mittakaavan validointikoe Erityisesti validointitarkoitukseen kehitetty vapaapalokoe samanaikainen palonleviäminen ja näytteen muodonmuutos perusteellinen instrumentointi koesimulaatio vertailuja varten Toistokokeita suoritettiin Siporex-kevytbetonilla (palamaton referenssimateriaali) PMMA (yksinkertainen, palava referenssimateriaali) aiemmin mainituilla kahdella FIRE- RESIST materiaalilla

15 palotehon mittaus eristevilla metallikehys Sivusta 0.5 m metallipainot Edestä 1.0 m 0.5 m näytelevy kaasupoltin Useita termoelementtejä ilmassa, sekä näytteen etuja takapinnoilla. 0.2 m 0.1 m lattia

säteilyvuomittari Normaali ja infrapunavideokamera

16 Keskisuuren mittakaavan validointikoe Muodonmuutoksen mittaus näytteen keskiviivalla Schmidt-Boelter säteilyvuomittari Normaali ja infrapunavideokamera Kalsiumsilikaattiseinät virtausolosuhteiden hallintaa varten

Change in deflection [mm] Keskisuuren mittakaavan validointikoe 140 Muodonmuutos keskiviivalla Center defelction 120 100 80 60 40 20 Furan 1 L01 Furan 1

18 Change in deflection [mm] Keskisuuren mittakaavan validointikoe 140 Muodonmuutos keskiviivalla Center defelction Furan 1 L01 Furan 1 L02 Furan 2 L01 Furan 2 L02 Furan 3 L01 Furan 3 L Time [min] Näytteen muodonmuutos lämpö- ja mekaanisen rasituksen seurauksena

19 Keskisuuren mittakaavan palosimulaatiot 1/2 Koejärjestely mittalaitteineen kuvattu mahdollisimman suurella tarkkuudella Virtausratkaisijan resoluutio, sekä säteily- ja kiinteän aineen ratkaisijan parametrit valittu referenssikokeiden perusteella Havainnekuva FDS-mallista

20 Keskisuuren mittakaavan palosimulaatiot 2/2 Pystysuoran komposiittilevyn takapinnan lämpötila kokeissa ja palosimulaatioissa

Keskisuuren mittakaavan FEA-rakennemalli (a) (b) Supports Dead weight Vaakasuoran näytteen alku- ja lopputila FEA-mallissa Change in deflection (mm) 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 Experiments

21 Keskisuuren mittakaavan FEA-rakennemalli (a) (b) Supports Dead weight Vaakasuoran näytteen alku- ja lopputila FEA-mallissa Change in deflection (mm) Experiments FE FURANE 1-1 FURANE 1-2 FURANE 2-1 FURANE 2-2 FURANE 3-1 FURANE 3-2 FE - 5 d misalignment Time (s) Näytteen muodonmuutos ajan funktiona: kokeet ja FEA-malli

22 Yhteistyössä VTT Technical Research Centre of Finland Antti Paajanen, Anna Matala, Timo Korhonen, Merja Sippola, Enric Ribora Borrell and Simo Hostikka SP Technical Research Institute of Sweden Per Blomqvist, Robert Jansson and Hans Olsen Swerea SICOMP AB Renaud Gutkin, Erik Marklund

Samankaltaiset tiedostot

Tulipalon vaikutus rakenteisiin CFD-FEM mallinnuksella

Tulipalon vaikutus rakenteisiin CFD-FEM mallinnuksella Palotutkimuksen päivät 2013 Antti Paajanen, Timo Korhonen, Merja Sippola ja Simo Hostikka, VTT 2 Tulipalon ja rakenteen vuorovaikutus Rakenteiden