Разработка средств автоматизации научных исследований многослойных противопожарных конструкций

Актуальность темы

Важнейшим этапом проектирования является проведение комплекса научных исследований создаваемых объектов, которые, в общем случае, включают в себя физические натурные и модельные эксперименты, а также задачи моделирования. Для повышения конкурентоспособности, снижения сроков проектирования и стоимости изделий, разработки технологической оснастки необходимо применять современные средства автоматизации научных исследований и системы автоматизированного проектирования. Одним из перспективных направлений повышения эффективности опытно-конструкторских работ и технологической подготовки производства является реализация подхода, объединяющего применение средств автоматизации при проведении теоретических и экспериментальных исследований, включая этапы моделирования, подготовки и проведения физических и вычислительных экспериментов с целью получения информации для принятия решения.

Современная статистика пожаров отражает данные, которые говорят об увеличении так называемых крупных пожаров, сложных для тушения и приносящих значительный материальный ущерб, что влечет за собой необходимость проведения работ, мероприятий и исследований в области защиты и предотвращения от пожаров, с целью снижения числа погибших и размеров материального ущерба. Основным нормативным документом, регламентирующим общие требования пожарной безопасности к объектам защиты различного назначения на всех стадиях их жизненного цикла: исследование, разработка нормативных документов, конструирование, проектирование, изготовление, строительство, выполнение услуг (работ), испытание, закупка продукции по импорту, продажа продукции (в том числе на экспорт), хранение, транспортирование, установка, монтаж, наладка, техническое обслуживание, ремонт (реконструкция), эксплуатация (применение) и утилизация, является ГОСТ 12.1.004−91. Пожарная безопасность. Общие требования. В рамках которого, важное место в системе противопожарной пассивной защиты занимают противопожарные преграды — конструкции в виде стен, перегородок, перекрытий или объемных элементов зданий, предназначенные для предотвращения распространения пожара и продуктов горения из помещения или пожарного отсека с очагом пожара в другие помещения в течение нормируемого времени.

Важными элементами строительных конструкций, влияющих на предел их огнестойкости и, как следствие, на возможности дальнейшего распространения горения и создания условий для его успешной ликвидации и эвакуации людей, являются противопожарные двери (так называемые местные противопожарные преграды) — конструктивный элемент, служащий для заполнения проемов в противопожарных преградах и препятствующий распространению пожара в примыкающие помещения в течение нормируемого времени, характеристики которых, во многом определяют вероятные сценарии распространения очага возгорания по помещениям здания.

Несмотря на достаточно широкое разнообразие конструкций противопожарных дверей основной их сборочной единицей, оказывающей критическое значение на характеристики огнестойкости, является дверное полотно. Конструкция которого, в общем случае, представляет собой замкнутый параллелепипед, выполненный из листового материала и внутренних теплоизоляторов (п-слойная пластина). Сочетание того или иного вида теплоизоляционного материала позволяет достичь необходимого предела огнестойкости конструкции. Современные тенденции в области изготовления конкурентоспособных противопожарных дверей предполагают использование новых материалов и их сочетаний. При этом использование новых современных материалов и/или их сочетаний сопряжено с рядом задач, требующих решения на этапе проектирования и отработки нового изделия. К одной из таких задач относится расчет предела огнестойкости (т.е. времени достижения критической или предельно допустимой температуры) нового изделия и материальных затрат на его реализацию. В настоящее время, создание многослойной конструкции с необходимыми механическими, теплоизоляционными и другими свойствами — это сложная проектировочная задача, требующая большого опыта и интуиции инженера.

Анализ опубликованных работ, посвященных расчетам и проектированию многослойных конструкций, позволяет сделать вывод об отсутствии работ в области разработки средств автоматизации научных исследований и инструментальных средств проектирования многослойных ограждающих конструкции. Абсолютное большинство работ посвящено практическим рекомендациям при проектировании тех или иных видов многослойных конструкций, основанных на сложившейся практике проектирования данного вида изделий, а расчеты теплопередачи по толщине данной конструкции в основном носят упрощенный характер и не отражают нестационарной постановки данной задачи.

Актуальность исследований в данной области определяется практической потребностью в разработке средств автоматизации научных исследований многослойных ограждающих конструкций, позволяющих проводить оптимизацию выбора и месторасположения материалов в составе многослойной конструкции, с необходимой точностью и меньшими трудозатратами.

Объектом исследования диссертационной работы являются средства автоматизации научных исследований многослойных ограждающих конструкций, предназначенных для выполнения функций противопожарной защиты.

Предметом исследования являются математические модели, алгоритмы и программа расчета теплофизических процессов в многослойных противопожарных конструкциях.

Целью диссертационного исследования является совершенствование этапов конструкторской и технологической подготовки производства на основе разработки средств автоматизации научных исследований, включающей элементы планирования физических и вычислительных экспериментов, математический аппарат и программу расчета напряженно-деформированного состояния и полей температур в элементах многослойных противопожарных конструкций.

Для достижения сформулированной цели были поставлены и решены следующие задачи:

1) проведение информационного поиска в области расчета и моделирования многослойных противопожарных преград;

2) разработка математической модели и алгоритма численного решения расчета напряженно-деформированного состояния и полей температур;

3) выявление зависимостей теплофизических свойств на основе линейно-кусочной интерполяции.

4) разработка практического инструментария в виде программы расчета характеристик многослойных противопожарных конструкций;

5) проведение комплекса вычислительных экспериментов по оценке влияния рабочих и геометрических параметров теплоизоляционного пакета на пределы огнестойкости противопожарных дверей;

6) проведение сравнительного анализа результатов теоретических и экспериментальных исследований;

7) доказательство адекватности разработанных теоретических моделей на основе верификации результатов программы расчета.

Научная новизна исследовательской работы.

1. Разработаны средства автоматизации научных исследований многослойных противопожарных конструкций для проведения теоретических и экспериментальных исследований, отличительной особенностью которых является наличие автоматизированных средств расчета и определение рациональных технических решений, возможность сокращения сроков проведения и затрат на дорогостоящие натурные испытания данного типа изделий.

2. На основе базовых положений теплопроводности и термоупругости разработаны математические модели и алгоритмы расчета напряженно-деформированного состояния многослойных противопожарных конструкций с учетом комплекса обоснованных допущений, граничных условий и переменных теплофизических свойств конструкционных элементов.

3. Предложен алгоритм расчета прогрева многослойной ограждающей конструкции, в основе которого лежит решение нестационарного уравнения теплопроводности методом конечных элементов, особенностью которого является возможность определения влияния взаимного расположения материалов теплоизолирующего пакета, их структуры и свойств на распределение температуры по толщине конструкции.

4. Разработана программа расчета многослойных противопожарных конструкций, представляющая собой практический инструментарий проектирования и позволяющая обеспечить выбор рациональных параметров конструкции.

Методы исследования. Анализ актуальных задач в рассматриваемой предметной области проводился на основе комплексного информационного поиска. Решение задач расчета полей температур, при определении температурных «апряжений «деформаций, осуществлялось аналитическим и численными методами. Определение зависимостей теплофизических свойств конструкционных материалов проводилось на основе линейно-кусочной интерполяции. Впервые для расчета тепловых эффектов в многослойных противопожарных дверях был реализован метод конечных элементов с использованием полиномов в качестве базисных функций. Вычислительный эксперимент проводился с использованием программы, разработанной в среде МайаЬ.

Достоверность полученных результатов обеспечивается корректностью постановки и формализации задач, обоснованностью используемых теоретических зависимостей, принятых допущений и ограничений, применением апробированных методов решения и анализа, что подтверждается качественным и количественным согласованием результатов теоретических и экспериментальных исследований, а также внедрением результатов в промышленность.

Практическая значимость работы и внедрение результатов заключается в том, что разработанные средства автоматизации научных исследований, включающие математическую модель, алгоритмы и программу расчета используются при проектировании противопожарных дверей на предприятиях НПО «Пульс», г. Москва, а также при разработке программного обеспечения для расчета нестационарной теплопроводности в модуле конечно-элементного анализа Structure3D систем АРМ WinMachine и АРМ Civil Engineering.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 научных работ, включая 8 статей в научных сборниках и журналах и 1 свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений, имеет 144 страницы основного текста, 93 рисунка, 14 таблиц. Библиография включает 107 наименований.

Заключение

.

В ходе диссертационного исследования была решена актуальная научно-практическая задача по созданию средств автоматизации научных исследований и практического инструментария проектирования многослойных противопожарных конструкций, основанная на формировании математических моделей, алгоритмов и программы расчета. При выполнении работы были решены все поставленные задачи, получены следующие результаты и сделаны основные выводы:

1. Проведенный информационный поиск показал отсутствие исследований по решению данного класса инженерных задач и специальных средств автоматизации научных исследований. При этом показана необходимость применения, для повышения эффективности и снижения сроков проектирования, компьютерных средств моделирования противопожарных конструкций.

2. Теоретический анализ на основе кусочно-линейной интерполяции табличных значений теплофизических свойств конструкционных материалов показал значительное влияние температуры в диапазоне Т=0 — 1100 °C на изменение плотности (4,7%), коэффициента теплопроводности (49,5%), коэффициента упругости (97,7%), теплоемкости (52,5%). Полученные результаты свидетельствуют о необходимости учета влияния изменения температуры в процессе прогрева на свойства материалов, что должно найти отражение при моделировании и расчете конструкций.

3. Разработаны математические модели и методы расчета напряженно-деформированного состояния многослойных противопожарных конструкций на основе базовых соотношений теплопроводности и термоупругости с учетом комплекса граничных условий и переменных теплофизических свойств конструкционных материалов.

4. Предложен алгоритм расчета прогрева многослойной ограждающей конструкции, в основе которого лежит решение нестационарного уравнения теплопроводности методом конечных элементов, особенностью которого является возможность определения влияния взаимного расположения материалов теплоизолирующего пакета, их структуры и свойств на распределение температуры по толщине конструкции.

5. Проведено численное решение задачи по нахождению напряженно-деформированного состояния элементов конструкции, позволившее сделать вывод об эффективности использования метода конечных элементов при решении данного класса задач. В частности, было отмечена возможность повышения предела огнестойкости путем применения рациональных сочетаний современных теплоизоляционных материалов.

6. Разработана программа расчета в среде программирования MatLab многослойных противопожарных конструкций, позволяющая рассчитать напряженно-деформированное состояние и поля температур с учетом изменения в процессе прогрева теплофизических свойств конструкционных материалов.

7. Проведен сравнительный анализ теоретических результатов с экспериментальными данными, который показал удовлетворительное согласование результатов, а также тестирование полученных данных с результатами расчета в программной среде ANS YS.

8. Разработанные средства автоматизации нашли практическое применение на предприятиях НПО «Пульс», а также при разработке программного обеспечения для расчета нестационарной теплопроводности в модуле конечно-элементного анализа Structure3D систем АРМ WinMachine и АРМ Civil Engineering, что свидетельствует об эффективности полученных результатов при проведении проектных инженерных расчетов многослойных противопожарных конструкций.

На основании полученных результатов был сделан вывод о том, что использование метода конечных элементов, для решения задач расчета прогрева многослойных пластин и нахождения напряженнодеформированного состояния этих конструкций в результате температурного воздействия, позволяет получить более точные данные по сравнению с другими способами решения данных задач, а разработанное программное обеспечение на его основе, способно в существенной мере упростить задачу разработки многослойных ограждающих конструкций и сократить затраты на этапе их проектирования и освоения.