某型氣囊充氣展開過程研究

黃恩光，彭輝，毛龍，楊威，鄭強，姚俊，余維維

某型氣囊充氣展開過程研究

黃恩光1,2，彭輝3，毛龍1,2，楊威1,2，鄭強4，姚俊1,2，余維維1,2

（1.湖北航天化學技術(shù)研究所，湖北 襄陽 441003；2.應(yīng)急救生與安全防護湖北省重點實驗室，湖北 襄陽 441003；3.湖北三沃力源航天科技有限公司，湖北 襄陽 441003；4.湖北航鵬動力技術(shù)有限公司，湖北 襄陽 441003）

為了研究氣囊充氣展開過程體積和壓力的變化特性，優(yōu)化氣囊設(shè)計方法及理論。文中采用3種方法，分別從理論分析、實驗研究和數(shù)值模擬的角度出發(fā)，得到氣囊充氣展開過程氣囊體積和囊內(nèi)壓力隨時間的變化曲線，并將3種方法得到的結(jié)果進行對比。實驗結(jié)果與數(shù)值模擬所得氣囊平衡壓力最大誤差不到8%，氣囊體積的相對誤差為7%。理論分析、數(shù)值模擬與實驗結(jié)果較一致，說明了該方法的有效性和正確性；氣囊充氣體積可分為快速展開、體積緩慢增長和狀態(tài)穩(wěn)定3個過程。囊內(nèi)壓力同樣可分為初始階段、突升階段和平衡階段。文中提出的方法對一般氣囊均具有普適性，具備一定的工程價值。

氣囊；充氣參數(shù)；理論分析；實驗研究；數(shù)值模擬

氣囊[1-2]作為應(yīng)急救生與安全防護領(lǐng)域的重要載體，已被廣泛運用于包括汽車被動安全、各類空投物的緩沖裝置、水下助浮裝置、物品運輸包裝等領(lǐng)域中。它具有質(zhì)量輕、體積小、成本低、可靠性高等特點，近年來已成為應(yīng)急救生與安全防護領(lǐng)域中的研究熱點。

氣囊在工作的過程中，不可避免地會出現(xiàn)充氣不穩(wěn)定現(xiàn)象，導(dǎo)致充氣結(jié)束后其相關(guān)狀態(tài)參數(shù)如壓力、體積等不正常，最終影響氣囊的性能，因此對氣囊充氣展開過程的研究至關(guān)重要。氣囊的充氣展開過程具有動態(tài)、非線性、大變形等特征[3]，早期通常采用理論分析和實驗測試方法對氣囊展開過程進行研究。Esgar和Morgan[4]將氣體假定為理想氣體，并結(jié)合熱力學方程等對氣囊充氣展開過程進行了理論計算，得到氣囊展開體積及囊內(nèi)壓力等氣囊狀態(tài)的理論解。Waye D等[5]采用探路者號的縮比模型開展氣囊緩沖特性的研究，分別進行Cayote Canyon實驗和高緯度艙氣囊實驗，對氣囊緩沖系統(tǒng)的可行性進行了驗證。王帥等[6]研究含織物增強內(nèi)襯復(fù)合材料氣囊的靜態(tài)變形過程，并針對該氣囊的材料特性設(shè)計了靜態(tài)實驗平臺，獲得了氣囊膨脹高度、囊內(nèi)容積和壓力隨時間的變化關(guān)系。李建陽等[7]設(shè)計2種排氣控制式氣囊，建立載荷-氣囊跌落實驗平臺，研究了排氣口開啟控制方式對氣囊緩沖特性的影響。一般采用實驗方法需要耗費較長時間，且花費較大，實驗結(jié)果容易受到外界環(huán)境制約。

隨著計算機性能的飛速發(fā)展以及在氣囊控制算法上的成熟，仿真計算[8-12]在氣囊產(chǎn)品的研發(fā)中扮演著重要角色?？刂企w積法（CV法）是氣囊仿真計算的常用方法，主要基于Wang和Nefske[13-14]的工作。廖航等[15]對某航天器著陸緩沖過程進行了仿真及試驗研究，驗證了氣囊緩沖系統(tǒng)能夠滿足工作要求。李建陽等[16]研究了某高原空投著陸氣囊在不同海拔高度工況下的緩沖性能，重點分析排氣口面積對氣囊緩沖性能的影響，得到不同海拔高度下排氣口面積的最佳值。衛(wèi)劍征等[17]針對氣囊著陸緩沖與反彈問題，對某雙氣囊有無排氣孔的著陸緩沖過程進行了仿真，表明有排氣孔氣囊能實現(xiàn)軟著陸。李博等[18]針對骨架式充氣結(jié)構(gòu)充氣壓力對氣囊緩沖性能的影響進行了仿真分析，結(jié)果表明，骨架式充氣結(jié)構(gòu)的充氣壓力為10 kPa時，可以改善自充式緩沖氣囊的性能。余莉等[19]使用CV法和ALE法對氣囊充氣過程進行了數(shù)值模擬，獲得充氣過程中，氣囊外形和流場之間的動態(tài)關(guān)系，分析了囊內(nèi)流場的動態(tài)變化情況。張紀平[20]采用LS-DYNA軟件對沖壓式空投氣囊的著陸緩沖過程進行了仿真計算，對緩沖過程中氣囊體積和壓力的變化情況進行了分析，驗證了氣囊能滿足過載要求。

針對某型號氣囊建立計算模型，從理論分析、實驗研究和數(shù)值模擬角度出發(fā)，分析了充氣氣體質(zhì)量和溫度對氣囊充氣展開過程及展開后關(guān)鍵參數(shù)的影響，為工程化應(yīng)用提供參考。

1 模型介紹及理論分析

1.1 物理模型

文中研究的某型號氣囊模型具體見圖1。氣囊采用單層材質(zhì)，經(jīng)過上下2片材料熱合而成。氣囊的材料參數(shù)見表1[21]。

圖1 某氣囊尺寸

表1 氣囊的材料參數(shù)

Tab.1 Material parameters of airbag

1.2 理論分析

氣囊的充氣展開涉及大變形、大位移，是一個動態(tài)過程。在氣源充氣的過程中，氣囊內(nèi)的氣體滿足氣體狀態(tài)方程。

=(1)

式中：為絕對壓力（Pa）；為氣囊的體積（m3）；為充入氣源物質(zhì)的量（mol）；為熱力學常數(shù)，=8.314 J/(mol·K)；為熱力學溫度（K）。

由于氣囊在展開的過程中體積是不斷變化的，可以取氣囊完全展開后的體積計算氣囊內(nèi)部最終狀態(tài)的參數(shù)。文中氣囊完全展開后的體積實測約為8.5 L，充入氣源為CO2。根據(jù)充入氣囊內(nèi)的氣體質(zhì)量和充入氣體的溫度可計算得到最終狀態(tài)的氣囊囊內(nèi)壓力見圖2。

2 實驗研究

為了保持產(chǎn)品的一致性，氣囊在實際使用過程中充氣氣源由壓縮CO2氣瓶提供。將氣囊、充氣氣源、壓力傳感器以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)按如圖3所示原理圖連接，進行氣囊充氣實驗。實驗實物見圖4。壓阻式壓力變送器的量程為1 MPa，精度等級為0.25。在實驗過程中，使用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)可實時監(jiān)測氣囊內(nèi)部氣體壓力。

圖2 氣囊內(nèi)部平衡壓力隨充氣質(zhì)量和溫度的變化關(guān)系

圖3 氣囊壓力測試原理

圖4 實驗裝置

CO2氣瓶內(nèi)部氣量為25 g，氣體溫度20 ℃。實驗測得的壓力時間曲線見圖5。由圖5可知，氣囊內(nèi)壓力由初始階段的0突升至550 kPa，后出現(xiàn)降低到30 kPa左右，然后緩慢升高達到平衡狀態(tài)，平衡狀態(tài)壓力為50.14 kPa。在初始階段氣囊內(nèi)壓出現(xiàn)突升的原因為充氣模塊中的電爆管在點火的瞬間會產(chǎn)生爆壓，由此擊穿壓縮CO2氣瓶瓶口的封片，而后才開始后一階段的氣囊充氣過程。由于氣囊本身沒有開設(shè)排氣孔，因此氣囊內(nèi)平衡壓力維持在穩(wěn)定的50.14 kPa左右。

3 數(shù)值模擬

根據(jù)現(xiàn)有氣囊模型及邊界條件，使用LS-dyna有限元分析軟件以及LS-Prepost前后處理軟件對氣囊的充氣展開過程進行數(shù)值模擬。氣囊采用SHELL163膜單元，材料選用LS-DYNA中的34號織物材料（MAT_FABRIC），厚度選擇0.2 mm。氣囊的關(guān)鍵字選用*AIRBAG_WANG_NEFSKE，自身接觸設(shè)置為單面接觸（AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE），模型單元總數(shù)共4174，有限元模型見圖6。充入氣體溫度為20 ℃，CO2質(zhì)量為25 g，充氣時間為100 ms。

圖5 氣囊內(nèi)部壓力-時間曲線

氣囊在充氣過程中為10、30、60、90、120 ms時，壓力分布云圖見圖7。氣囊體積隨時間的變化關(guān)系見圖8。通過分析氣囊展開過程中形狀變化，并結(jié)合氣囊充氣過程中體積隨時間的變化曲線，將未折疊狀態(tài)下氣囊體積變化分為3個階段。第1階段是氣囊快速展開過程，對應(yīng)體積變化曲線中0～60 ms時段，氣囊體積膨脹在這一階段基本完成，在此階段氣囊體積與時間為線性增長關(guān)系。分析原因可得，在氣囊剛開始充氣時，氣囊處于松弛狀態(tài)，對氣體運動的阻力較小，充入的氣體迅速擴散，使得氣囊體積較快增長。第2階段是氣囊體積緩慢增長過程，對應(yīng)體積變化曲線中60～90 ms時段，這一階段氣囊體積的增幅相對較小。分析原因可得，氣囊完成第一階段充氣時，氣囊處于緊繃狀態(tài)，氣體運動所受阻力較大，氣囊體積增長緩慢。第3階段是氣囊狀態(tài)穩(wěn)定過程，對應(yīng)體積變化曲線中90 ms之后，此時充氣已接近尾聲，此過程中氣囊逐步達到飽和，氣囊的體積也接近穩(wěn)定狀態(tài)8.3 L，不再有明顯增加。仿真與實驗測得實際氣囊體積8.9 L相比，體積誤差為7%。

圖6 整體的有限元模型

氣囊囊內(nèi)壓力隨時間的變化關(guān)系見圖9。由圖9可見，壓力變化曲線同樣可分為3個階段。第1階段為初始階段（0～30 ms），氣囊囊內(nèi)相對壓力基本為0。第2階段為突升（30～100 ms），此時囊內(nèi)壓力從接近0急劇升高至最高壓力58.37 kPa。第3階段為平衡階段（100 ms以后），壓力表現(xiàn)為輕微下降直至平衡壓力54.7 kPa左右。進一步分析可得，開始時氣囊處于松弛狀態(tài)，充入的氣體在氣囊內(nèi)自由運動，囊內(nèi)壓力維持在大氣壓時可使氣囊展開，第1階段結(jié)束。隨著氣囊體積的增大，氣囊表面張力逐漸增大，此時充入氣囊的氣體需要克服不斷增大的張力維持氣囊的展開，囊內(nèi)壓力也隨之增大，直到100 ms充氣結(jié)束時，囊內(nèi)壓力達到峰值58.37 kPa。結(jié)合氣囊應(yīng)力云圖可知，氣囊展開過程中存在應(yīng)力集中區(qū)域，造成小范圍的震蕩現(xiàn)象，第2階段充氣結(jié)束。第3階段為結(jié)束充入氣體，氣囊保持一定形狀階段。在這一階段，氣囊囊內(nèi)壓力基本維持于穩(wěn)定，平衡壓力為54.74 kPa。

理論計算、實驗-曲線與仿真-曲線的壓力對比見圖10。其中，實驗-曲線為圖5氣囊內(nèi)部壓力-時間曲線截取所得。理論計算得到的囊內(nèi)平衡壓力為54.5 kPa，實驗測試得到的囊內(nèi)平衡壓力為50.14 kPa，仿真計算得到的平衡壓力為54.74 kPa。實驗得到的結(jié)果偏低，原因在于在實驗的過程中可能存在輕微泄露或測試系統(tǒng)有一定誤差。與理論計算的囊內(nèi)平衡壓力相比，實驗測試數(shù)據(jù)的誤差為8%，仿真計算數(shù)據(jù)的誤差為0.44%。誤差均在可接受的范圍內(nèi)，證明文中的計算方法和模型是真實可靠的。

圖7 氣囊在展開過程中不同時刻的應(yīng)力分布云圖（色標軸代表應(yīng)力，單位是103MPa）

圖8 氣囊體積隨時間的變化關(guān)系

圖9 氣囊囊內(nèi)壓力隨時間的變化關(guān)系

圖10 氣囊囊內(nèi)壓力結(jié)果的對比

4 結(jié)語

根據(jù)現(xiàn)有某氣囊的實際尺寸、材料屬性、充氣溫度、充氣氣量等參數(shù)，完整建立氣囊充氣過程的理論分析、實驗研究和數(shù)值模擬模型。由結(jié)果可得出如下結(jié)論。

理論分析、實驗結(jié)果和數(shù)值模擬得到的氣囊囊內(nèi)平衡壓力和體積數(shù)值比較接近。其中平衡壓力最大誤差不到8%，實測的氣囊體積和仿真得到的氣囊充氣體積分別為8.9 L和8.3 L，相對誤差為7%，說明文中的計算方法是真實可靠的。

氣囊充氣體積可分為3個過程，分別為快速展開、體積緩慢增長和狀態(tài)穩(wěn)定過程。氣囊囊內(nèi)壓力同樣可分為3個階段，分別為初始階段、突升階段和平衡階段。

通過文中分析，仿真手段可以減少未來氣囊在充氣方面的試驗工作量，為工程應(yīng)用中氣囊的充氣性能評估提供一種有效途徑。

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Deployment Process of Certain Type of Airbag

HUANG En-guang1,2, PENG Hui3, MAO Long1,2, YANG Wei1,2, ZHENG Qiang4,YAO Jun1,2, YU Wei-wei1,2

(1.Hubei Institute of Aerospace Chemical Technology, Xiangyang 441003, China; 2.Key Laboratory of Emergency Lifesaving andSafety Protection of Hubei Province, Xiangyang 441003, China; 3.Hubei Sunvalor Power Source Aerospace Tech Co., Ltd., Xiangyang 441003, China; 4.Hubei Hangpeng Chemical Power Technology Co., Ltd., Xiangyang 441003, China)

The work aims to study the change characteristics of volume and pressure of airbag during deployment and optimize the design method and theory of airbag.Three methods were proposed to obtain the curve of airbag volume and pressure varying with the time during inflation and deployment from the perspective of theoretical analysis, experimental research and numerical simulation and the results acquired by the three methods were compared. The maximum error of balance pressure obtained from experiment and numerical simulation was less than 8%, and the relative error of airbag volume was 7%. Theoretical analysis and numerical simulation were consistent with experimental results, indicating the validity and correctness of the method. The inflation volume of airbag was divided into three processes: rapid deployment, slow volume growth and stable state. The pressure in the airbag was divided into initial stage, surge stage and equilibrium stage. The methods proposed are universal for general airbags and have certain engineering value.

airbag; inflation parameters; theoretical analysis; experimental research; numerical simulation

TB485.1；TB485.2

A

1001-3563(2022)03-0169-06

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.03.021

2021-08-05

黃恩光（1995—），男，碩士，助理工程師，主要研究方向為主動防護技術(shù)。

姚俊（1973—），男，碩士，研究員，主要研究方向為汽車安全氣囊氣體發(fā)生器及主動防護技術(shù)。