舱壁热防护结构的热力学分析

摘要

船用热防护结构是复合夹层结构,包含船用钢板、隔热材料、装饰材料等,热防护结构铺设在现服役船体钢结构表面,未改变船体承载力学结构,而是增加原有结构的热防护功能和装饰环境。整体结构特点,强度高、质量轻、防火、隔音、隔热、保温、装饰美观等,可以广泛应用于航天领域、船舶行业(军船、民船、核潜艇)、建筑领域。现今舰船防火得到了高度重视,同时国内外很多学者对热防护结构进行了大量研究,成果已经很多,如今常用的有防火涂料、硅酸盐、气凝胶等等。研究领域涉及结构的传热学分析、材料的防火等级、上舰适用性分析等,但是在热防护本身实用性上不能兼顾到防火材料防火等级与占空间率和质量比重。因此,本文以质量轻、占空间小、防火等级高的新型热防护结构为研究对象,借助国内外不同国家防火标准,对本文这种新型热防护结构进行理论求值、防火等级试验和仿真、实用性研究,得到较好结果。本文分别采用理论分析、实验、仿真等方法,进行了相应的验证。结果表明,对新型热防护结构热力学性能评价方法较准确,理论与实验结果相对误差在10％以内,证明了本文提出的这种新型热防护结构热力学实验分析在工程中的可行性。具体内容如下:
　　1.新型热防护结构的热传导方程结合欧洲和英国现有防火标准理论和Eurocode 3和Melinek and Thomas两种火灾模型公式,推导了新型热防护结构的热传导率值及热学参数,同时对新型热防护结构的热传导作了综述性研究。
　　2.对新型热防护结构进行高温防火性试验,得到新型热防护结构实验板在高温环境下面火层与背火层的温度随时间变化关系,通过5步骤的温度加载得到相应的新型热防护结构的传热数值,分析数值可以得到新型热防护结构的防火等级和热传导率。实验结果表明,新型热防护结构的防火等级达到船用A60标准、热传导率低、防火隔热性能高。
　　3.基于有限元仿真分析软件,利用ANSYS8.0热分析仿真模拟新型热防护结构的隔热性能实验,仿真结果与实验结果吻合较好。通过仿真过程,进一步优化新型热防护结构的尺寸,为新型热防护结构的占空间率和减轻质量进行了实用性评估。
　　4.对新型热防护结构进行了面板强度试验和整体板结构冲击性试验。首先进行了静态常温和高温下的压缩试验,得到实验试件在静态压缩载荷作用下压力载荷与加载面芯子变形的关系以及试件在静载作用下的破坏模式,其次对新型热防护结构进行不同高度下的落球冲击试验,得到相应的吸能特性。冲击实验结果表明新型热防护结构较好。

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第1章 绪论

1.1 课题研究背景意义

1.2 船舱火灾起火主要原因和特点

1.3 船舶热防护材料和结构研究现状

1.4 本文研究的主要内容

第2章 热传导方程建立

2.1 引言

2.2 热传导方程建立对研究火灾意义

2.3 单层结构热传导方程的建立

2.4 双层结构热传导方程的建立

2.5 热传导方程求解和结果分析

2.6 本章小结

第3章 热防护结构防火隔热实验分析

3.1 引言

3.2 热防护结构制备

3.3 热防护结构防火实验分析

3.4 本章小结

第4章 热防护结构隔热性能仿真分析

4.1 引言

4.2 传热学经典理论

4.3 热防护结构传导温度场的模拟

4.4 仿真实验结果可靠性分析

4.5 本章小结

第5章 热防护结构适用性能分析

5.1 引言

5.2 蜂窝夹芯板的等效参数计算

5.3 铝蜂窝夹芯结构压缩性能研究

5.4 冲击性能理论分析

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢