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原文传递高速列车地板结构耐火性能研究

论文题名：	高速列车地板结构耐火性能研究
关键词：	高速列车;地板结构;耐火性能;热响应行为
摘要：	高速列车地板结构是防止车下设备舱内电气设备、变压器等危险源着火后蔓延的主要防火屏障，因此地板结构的耐火性能很大程度上决定了车下火灾对客室人员和设施造成的影响。目前设计高速列车时主要通过标准实验测试方法对地板结构耐火性能进行评价，设计成本高、周期长。亟需一种基于地板组成材料性能的地板结构耐火性能预测方法，为高速列车地板结构耐火性能设计提供理论依据，从而得到耐火性能更佳的地板结构，并降低研发成本、缩短研发周期。因此，本文在研究两种典型地板组成材料（铝蜂窝夹层材料、超细玻璃丝棉）热响应行为的基础上，力图建立高速列车地板结构耐火性能预测方法。主要研究内容及成果如下: 　　(1)地板中铝蜂窝夹层材料热响应行为研究。通过实验、理论分析和数值模拟的方法，研究了铝蜂窝夹层材料的有效导热系数、粘接材料和蜂窝芯单胞尺寸对其热响应行为的影响规律。建立了可测量带有空气夹层材料有效导热系数的测量方法，发现铝蜂窝夹层材料有效导热系数随温度升高而增大，但高于310℃之后有效导热系数反而减小;出现这一现象的主要原因在于该材料中的粘接材料在高温下易分解（分解起始温度为308℃），造成了面板与蜂窝芯分离，降低了有效导热系数;Swann-Pittman理论可以较好地预测铝蜂窝夹层材料在310℃之前的有效导热系数。另外还发现，当外加热流超过55kW/m2时，粘接材料燃烧使得铝蜂窝夹层材料由不可燃表现为可燃;在不考虑材料解体情况下，铝蜂窝芯单胞尺寸越大，铝蜂窝夹层材料的隔热性能越好。　　(2)地板中超细玻璃丝棉热响应行为研究。通过热重实验(TG)、差示扫描量热实验(DSC)、单面辐射受热实验和结构耐火性能实验，结合数值模拟方法，研究了超细玻璃丝棉在不同尺度下的热响应行为，揭示了高温作用下隔热性能失效机理。结果表明，超细玻璃丝棉在183～446℃温度范围内会发生一定的热分解，热解质量损失仅为6％;25mm厚度的超细玻璃丝棉在超过50kW/m2热流作用下发生了熔化现象;样品尺寸对超细玻璃丝棉隔热性能失效温度有一定影响，300mm×300mm尺寸下的失效温度为662℃，1000mm×1000mm尺寸下的失效温度为699℃。基于多尺度下的热响应行为，建立了超细玻璃丝棉分段导热系数模型和耦合热解、相变特性模型，两种模型计算结果均与实验结果吻合，且从耦合热解、相变特性模型中发现材料的熔化过程会对计算结果产生较大影响。　　(3)高速列车地板结构耐火性能预测与实验验证研究。基于材料的热响应行为，结合高速列车典型地板结构耐火性能实验，建立并验证了高速列车地板结构耐火性能预测方法，对结构耐火性能的影响因素和影响规律进行了分析。结果表明，基于材料传热、热解、熔化和燃烧特性建立的高速列车地板结构耐火性能预测方法具有准确性，与实验得到的完整性和隔热性失效时间误差分别为5.4％和2.6％。基于预测方法，发现在列车现有隔热材料中，#1纳米隔热材料的性能最佳，碳纤维隔热材料的性能最差，两种材料导致地板结构的耐火时间相差9分钟;受火面热辐射发射率越大，结构耐火时间越短，发射率为0.2和0.8时，结构的耐火时间相差11分钟。
作者：	袁荣楠
专业：	安全科学与工程
导师：	陆守香
授予学位：	博士
授予学位单位：	中国科学技术大学
学位年度：	2022