底架防火结构轻量化设计

摘 要 轻量化设计是目前地铁车辆设计的大趋势。轻量化设计理念的引入，从顶层设计开始就有目标的控制整车的重量，使车辆牵引与制动都能更加平稳，提升舒适性与可靠性，同时也能为车辆节约能源，提升其环保性。底架结构防火是整车防火安全控制中的重要环节，发挥的重大的作用。本文通过仿真分析、试验验证等手段，对底架防火结构进行优化，完成该结构的轻量化设计。

关键词：结构防火；轻量化

1 概述

地铁车辆防火安全控制在当下轨道交通行业受重视程度高，是车辆安全性的重要组成部份。车辆主要从材料、结构及防火辅助措施三个方面进行防火安全设计。[1]轻量化设计是车辆设计追求的目标，通过不断的轻量化设计，可充分发挥车辆优势，达到持续节能减排、绿色交通的目标。轻量化设计一般是通过优化结构设计、更换轻质材料等手段实现。

底架结构防火设计，可有效阻止车下火焰对车辆内部的侵入，为车内人员争取逃生的时间及通道，赢得更多的救援机会。在铝合金铆接车中，底架的防火结构一般为地板布、铝型材、陶瓷纤维和不锈钢防火板四层结构，地板布粘接在铝型材上方，陶瓷纤维紧贴铝型材下方由不锈钢防火板托住，不锈钢防火板采用机械式固定在铝型材下方。在耐火实验过程中，热量从底架下方传递至底架上方，底架结构要求具备一定的隔热能力，当发生火灾时可以确保人员安全。该结构中陶瓷纤维、不锈钢防火板均有较大的质量，对其进行减重设计，可有效实现整车轻量化目标。

2 既有结构及轻量化方案

美标NFPA 130对试验过程中在一定时间内的炉内升温有明确要求，具体数值参考实验标准ASTM E119对炉内温升的要求值，按下表1-1中规定值进行调整。本项目中，以“底架结构样件的隔热能力在规定时间45min内，背火面平均温升不超过139℃，最高点温升不超过181℃”为验收标准。

车体底架防火结构主要分为橡胶地板布、铝型材、陶瓷纤维和不锈钢防火板结构，在两侧底架边梁下部喷涂防火涂料。该结构为160kg/m3的陶瓷纤维和0.8mm厚度的不锈钢防火板。

该结构已经通过了耐火试验，第45min时，实际底架背火面平均温度为93.5℃，最高温度为126℃，且结构完整。温升数据详见表1-2。

结合实际试验数据及验收标准，原底架防火结构不仅能顺利通过耐火试验，而且相对标准要求仍有较多的余量。因此认为此结构具备了进行轻量化设计的条件。

在底架防火结构中，不锈钢火板主要起到稳固陶瓷纤维结构的作用，陶瓷纤维主要起到隔热作用，经过对结构的分析及市场材料的收集，认为采用64kg/m3陶瓷纤维和0.6mm厚的不锈钢防火板代替现有的160kg/m3的陶瓷纤维和0.8mm厚度的不锈钢防火板具有一定的可行性。将通过仿真分析及试验验证手段明确该轻量化方案是否可行。

3 仿真分析

3.1 分析目的

对原底架防火结构（160kg/m3的陶瓷纤维+0.8mm不锈钢板）与轻量化底架防火结构（64kg/m3的陶瓷纤维+0.6mm不锈钢板）进行传热分析及对比，得出轻量化底架防火结构是否能满足美标NFPA 130对底架结构的隔热能力要求。

3.2 仿真说明

本次仿真分析采用软件中瞬态传热模块分析热传导。瞬态热力学分析一般方程为：[C]{T’}+[K]{T}={Q}

式中，[K]是传导矩阵，包括热系数、对流系数、辐射系数和形状系数；[C]是比热矩阵，考虑系统内能的增加；{T}是节点温度向量；{T’}是节点温度对时间的导数；{Q}是节点热流向量，包含热生成。

3.3 材料数据

对底架结构进行瞬态传热分析，所需材料属性为密度、导热系数和比热容。具体的材料属性如表2-1和2-2所示：

3.4 几何模型及网格模型

为减少不必要的仿真计算量，简化了等效底架几何模型，将底架按照其结构划分为4个主要部件，分别为3mm厚的橡胶地板布、60mm厚的铝型材、32mm厚的陶瓷纤维和0.8mm/0.6mm厚的不锈钢防火板。

在完成几何模型装配后，默认各层材料为相互绑定的关系，并赋予各部分材料属性后，进行网格划分。由于模型相对比较规则，因此采用全六面体的实体单元进行网格划分。

3.5 计算结果与分析

对原底架防火结构（160kg/m3陶瓷纤维+0.8mm厚不锈钢板）进行传热分析：

对原底架防火结构仿真分析计算，可得出在2700s时，底架背火面平均温度为111.6℃。仿真计算数据满足标准NFPA130 不低于45min的隔热性平均温升低于139℃要求。

对轻量化底架防火结构（64kg/m3陶瓷纤维+0.6mm厚不锈钢板）进行传热分析：

对轻量化底架防火结构仿真分析计算，可得出在2700s时，底架背火面平均温度为116.41℃。新底架结构与原底架结构仿真数据进行相比，可得出新结构背火面温度上升4.81℃，但仍然满足标准NFPA130 不低于45min的隔热性平均温升低于139℃的要求。

3.6 结论

参考原底架防火结构实际试验测试数据，见表2-2。原底架防火结构在第45min时，实际底架背火面平均温度为93.5℃，最高温度为126℃，低于仿真计算结果。结合轻量化底架结构仿真数据，可得出结论，轻量化底架防火结构的耐火隔热性，可满足NFPA130 不低于45min的隔热性平均温升低于139℃的要求。

4 试验验证

根据标准要求制作样件送检，用以验证轻量化底架防火结构的耐火能力。试验时，使用预制的混凝土块放在样品的背火面，施加均布载荷5000kg；布置适量的热电偶用来检测温升。试验情况见表3-1及图1。

根据试验数据，在第45min时，实际底架背火面平均温度为113.9℃，最高温度为134.5℃，且底架结构完整，即该轻量化底架防火结构通过了耐火试验。

5 轻量化成果

经过仿真分析及试验验证，轻量化底架防火结构（64kg/m3陶瓷纤维+0.6mm厚不锈钢板）满足使用需求。对其减重效果进行预估计算。

经分析，两种底架防火结构使用了相同面积的不锈钢防火板，约为55m2；使用了相同体积的陶瓷纤维隔热材料，约为1.76m³。因此，轻量化底架防火结构较原结构减重的理论值255kg。

减重值255kg，这是非常可观的轻量化成果，该成果不仅有效的减轻了整车轻量化的设计压力，实现既定的重量目标，提升车辆性能，还可在车辆运营过程中实现节能减排。不锈钢防火板及陶瓷纤维隔热材料的轻量化，也可直接降低采购成本，实现降本增效。

6 结语

在既往的设计过程中，为满足产品使用需求，且缺乏有效的验证手段，很多产品存在过设计，冗余量大的问题，造成了浪费。发现这些过设计问题，并予以优化是当前工程师的一项重要工作。其中轻量化设计是解决这些问题的有效手段之一。我们在进行轻量化设计时，应本着尊重科学、实事求是的态度进行，不能盲目的进行结构修改或者材料的替换，应在充分论证的前提下进行。

[1]刘小霞，黄雪飞，陈煜，汪星华，霍文彪. 浅谈地铁车辆防火安全控制[J]. 中国高新技术企业，2014（01）