EU:n FIRE-RESIST-projekti: Palosimulointimenetelmät tuotekehityksen tukena

Transkriptio

1 TEKNOLOGIAN TUTKIMUSKESKUS VTT OY EU:n FIRE-RESIST-projekti: Palosimulointimenetelmät tuotekehityksen tukena Anna Matala Erikoistutkija

2 web temperature ( o C) Rakenne data FDS time (s) ESIMERKKEJÄ PALON SIMULOINNISTA Palon Sammuttaminen leviäminen Toimisto Lentoasematerminaali Monitoimihalli Maanalainen paikoitustila Laiva Juna

3 FDS application: Nuclear power plant cable room fire

4 EU:n rahoittama 4-vuotinen projekti ( ) jonka tarkoituksena oli kehittää uusia palosuojattuja komposiittimateriaaleja kuljetusalalle (laivat, junat, lentokoneet). 18 partneria kymmenestä EU-maasta Uusien materiaalien tulisi olla kevyitä, vahvoja, ympäristöystävällisiä, paloturvallisia, edullisia jne. VTT:n tehtävänä oli kehittää ja soveltaa palomallinnusta näiden uusien materiaalien simuloimiseksi. Kehitetyt menetelmät sopivat minkä tahansa muunkin materiaalin mallinnukseen!

5 Komposiitit ja palo Polymeerikomposiitteja käytetään monenlaisissa sovelluksissa lentokoneista tennismailoihin. Palosuojaominaisuudet eivät yleensä ole luonnostaan hyviä Polymeerit alkavat hajota > 200 C polymeerimatriisin haihtuminen hapen läsnä ollessa palavien kaasujen syttyminen rakenteen delaminoituminen

6 VTT

7 Projektissa kehitettiin uusia, paloturvallisia komposiittimateriaaleja, joille kehitettiin materiaalimallit palosimulointeja varten. Mallit validoitiin keskisuuren mittakaavan kokeiden perusteella, ja materiaaleista rakennettiin täyskokoiset koekappaleet, jotka testattiin käyttötarkoituksen edellyttämillä standardikoemenetelmillä. VTT:n tärkein rooli projektissa oli kehittää laskennallista työkalua, jolla voidaan simuloida polymeerikomposiittien termistä ja mekaanista vastetta tulipalossa. Mahdollistaa vaihtoehtoiset suunnitteluratkaisut uusilla materiaaleilla (toiminnallinen palotekninen suunnittelu). Projektin aikana demonstroitiin mallinnusketju pienen mittakaavan materiaalimallista suuren mittakaavan koejärjestelyjen simulointiin. Pitkän aikavälin tavoitteena kehittää valmiuksia virtuaalitestaukseen

8 Materiaalimallinnus pähkinänkuoressa 1. Pyrolyysimallinnus Pienen mittakaavan mallit kokeiden perusteella. Mallin validointi suuremmassa mittakaavassa. 2. Palosimulointi Suuremman mittakaavan palosimulointi (palon leviäminen, pintoihin kohdistuvat lämpövuot, 1-D lämmönjohtuminen) virtausmekaniikkaohjelmistolla (tässä: FDS) Käyttäen pyrolyysimallin parametreja. 3. Rakenteiden vaste Elementtimenetelmällä Reunaehdot palosimuloinnista uuden työkalun (FDS2FEM) avulla

9 Materiaalimallinnus pähkinänkuoressa: Pyrolyysimallinnus 1. Pyrolyysimallinnus Pienen mittakaavan mallit kokeiden perusteella. Mallin validointi suuremmassa mittakaavassa. Materiaalin lämpöhajoamisen tunteminen. Kokeellinen työ. Mallin kehittäminen pienen ja keskisuuren mittakaavan kokeiden perusteella. Mallin validointi keskisuuressa mittakaavassa

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

11 Materiaalimallinnus pähkinänkuoressa: Palosimulointi 2. Palosimulointi Suuremman mittakaavan palosimulointi (palon leviäminen, pintoihin kohdistuvat lämpövuot, 1-D lämmönjohtuminen) virtausmekaniikkaohjelmistolla (tässä: FDS) Käyttäen pyrolyysimallin parametreja. Simuloidaan palonleviämistä ja / tai lämmönsiirtoa isommassa mittakaavassa Paloskenaario, tai Tuotekehitystapauksessa esim. koejärjestely. Yleisin ohjelmisto Fire Dynamics Simulator (FDS) Kohdemateriaali mallinnettu pyrolyysimallinnuksella. Flame and smoke spread after an aircraft impact

12 Materiaalimallinnus pähkinänkuoressa: Rakenteiden vaste 3. Rakenteiden vaste Elementtimenetelmällä Reunaehdot palosimuloinnista uuden työkalun (FDS2FEM) avulla. Palosimulointi (FDS) termiset reunaehdot FEM (rakenteen vaste) Yksisuuntainen linkitys ohjelmistojen välillä (FDS FEM) Tällä hetkellä toimii ABAQUS- ja ANSYSohjelmistojen kanssa

13 Kuinka palosimulointia voisi hyödyntää tuotekehityksessä? Pienen mittakaavan kokeiden perusteella tehty pyrolyysimallinnus mahdollistaa suuremman mittakaavan palosimuloinnit Palon leviäminen (virtauslaskennalla), sekä Rakenteelliset simuloinnit (elementtimenetelmät) (Lähi)tulevaisuudessa kehittyvät menetelmät mahdollistavat jopa molekyylitason tarkastelut (esim. palosuoja-aineet) molekyylidynamiikan keinoin. Kvalitatiiviset tarkastelut mahdollisia jo nyt

14 Tavoite: Virtuaalitestaus Virtuaalitestaus = materiaalin palo-ominaisuuksien arviointi simuloinnin keinoin Tavoitteena helpottaa tuotekehitysvaihetta Tuotekehitysvaiheessa vaaditaan vain pieni määrä valmistettua materiaalia. Useiden eri konfiguraatioiden tutkiminen on mahdollista samoilla lähtötiedoilla. Suurten koekappaleiden valmistus vasta kun tuote on simuloinnin keinoin osoitettu todennäköisesti hyväksyttäväksi. Mahdollistaa useamman version tutkimisen pienemmin kustannuksin. Kehitteillä, mutta ei vielä vakiintunut käytäntö. Vaatii kunnollisen ja laajan validointikoesarjan

15 TEKNOLOGIASTA TULOSTA