自落式緩沖氣囊仿真研究

周清艷 言金

（中航工業(yè)航宇救生裝備有限公司，襄陽 441003）

0 引言

最早的氣囊裝置是在20世紀40年代因飛機安全保護提出[1]，氣囊保護技術(shù)被廣泛應(yīng)用于國防軍事領(lǐng)域、航天器著陸與回收、武器裝備與物資空投、汽車安全氣囊等領(lǐng)域[2-3]。隨著對緩沖效果的要求提高，結(jié)構(gòu)更復(fù)雜、材料更先進、效果更可靠的氣囊正在為大家所關(guān)注和研究。

緩沖氣囊種類較多，按充氣方式不同可分為主動充氣式和自然充氣式；按結(jié)構(gòu)形式可分為單氣囊和組合式氣囊；按是否放氣可分為封閉式和排氣式，排氣式又可分為恒定排氣孔式和可控排氣孔式。

對氣囊的緩沖研究主要有兩種：一類是解析分析方法，文獻[4]建立的模型假設(shè)氣囊壓縮為等溫過程，給出了重裝空投用自落式緩沖氣囊的一般設(shè)計思路和計算方法；另一類是數(shù)值模擬即動態(tài)非線性有限元仿真[5-6]，其優(yōu)勢在于可以進行緩沖氣囊的全向緩沖特性分析，模擬各種著陸環(huán)境，適用于計算各種柔性織物的結(jié)構(gòu)變形，對其工作過程中的速度、加速度、動量、能量及應(yīng)力應(yīng)變的分布情況都能夠有效地表示出來。

國內(nèi)對于氣囊工作過程的模擬仿真研究已經(jīng)逐漸發(fā)展起來[7-10]，目前較為流行的有控制體積法（Control Volume Method, CV）和流固耦合法（Arbitrary Lagrangian Eulerian, ALE）。CV法研究氣囊緩沖過程，可以得到較為理想的氣囊外形變化情況，計算時間短，占用計算機資源少，大大降低了計算成本。ALE法尚在探索和改進中，相比CV法而言，它可以計算并獲取囊內(nèi)流場數(shù)據(jù)，在計算氣囊、降落傘等高速充氣過程中非常有必要[11-12]。因此，氣囊的仿真研究有著很大的發(fā)展空間，有待于進一步的努力。

本文針對某空投貨臺緩沖系統(tǒng)開展研究，重點分析氣囊緩沖工作過程。采用CV法，運用LS-DYNA軟件進行仿真計算，結(jié)合工程估算，為研究氣囊工作性能提供理論依據(jù)，為氣囊設(shè)計提供參考。

1 模型建立

本文以某型空投緩沖系統(tǒng)所用氣囊為研究對象，該緩沖氣囊系統(tǒng)由8個獨立的氣囊并聯(lián)組成。每個獨立氣囊可以分為主囊和輔囊2部分。主囊底部設(shè)有進氣口，兩側(cè)面設(shè)有排氣口。輔囊縫合在主囊斜面上，通過排口與主囊相通?？胀对O(shè)備與主囊上表面相連，為研究方便，本文以同等質(zhì)量鋼板代替空投設(shè)備。

主氣囊依靠底部進氣孔自落充氣，當氣囊與地面接觸后，進氣口被封閉（假設(shè)完全封閉）。主氣囊受壓縮后，一方面通過主囊側(cè)面排氣口向外排氣，另一方面開始向輔囊充氣，當輔囊內(nèi)壓超過搭扣帶的粘合力，輔囊排氣口開啟并向外排氣。氣囊卸壓緩沖過程中，空投設(shè)備只與主氣囊上表面接觸，輔囊壓縮空氣起延緩放氣作用，并不直接對空投設(shè)備施加作用力。

為方便建模和計算，對緩沖系統(tǒng)做如下假設(shè)：

1）氣囊為柔性織物，但忽略織物的彈性，在壓縮過程中不產(chǎn)生變形；

2）氣囊的緩沖作用是由囊內(nèi)氣體壓力的損失來提供能量的，不考慮氣動阻力；

3）緩沖過程空氣流動視為不可壓縮流，為絕熱過程；

4）輔囊搭扣帶之間的粘合力極小，可以假設(shè)其排氣孔的爆破壓力與環(huán)境大氣壓一致。

氣囊在貨臺橫向方向所占據(jù)的尺寸為2 360mm，縱向方向為4 500mm，氣囊高度1 440mm。空投設(shè)備質(zhì)量為7 600kg。由于每個獨立氣囊的排氣口之間無影響，在忽略2個氣囊在緩沖過程中的相互擠壓（試驗顯示2個氣囊之間的擠壓不是很明顯）造成的影響時，可針對其中1個獨立氣囊進行建模并仿真計算。

其邊界條件見表1，幾何尺寸如圖1。

表1 初始邊界條件Tab.1 The initial boundary conditions

圖1 幾何模型Fig.1 The geometrical model of the airbag

2 計算結(jié)果與分析

將幾何模型導入有限元分析前處理軟件Hypermesh中，添加相應(yīng)關(guān)鍵字，設(shè)置載荷分布，同時，定義氣囊邊界、氣體性質(zhì)，并添加空投設(shè)備與氣囊的連接，進行網(wǎng)格劃分，形成K文件并導出，利用LS-DYNA對上述K文件進行數(shù)值計算，運用LS-Prepost軟件對計算結(jié)果進行后處理，得到氣囊外形及囊體表面應(yīng)力仿真結(jié)果，見圖2。

圖2 不同時刻氣囊外形變化及表面應(yīng)力分布云圖Fig.2 Shape changes and stress distribution of the airbag in different time

圖2分別為緩沖氣囊著陸時刻、氣囊囊體所受最大應(yīng)力時刻和緩沖結(jié)束時刻的計算狀態(tài)，整個緩沖過程時間大約為0.25s。分析整個緩沖過程應(yīng)力分布情況，在t=0.118s時主囊外排氣口處出現(xiàn)應(yīng)力最大值。除排氣口出現(xiàn)應(yīng)力集中外，氣囊表面應(yīng)力分布比較均勻。相對主囊而言，輔囊表面應(yīng)力較小且分布比較平穩(wěn)。

針對以上計算結(jié)果，下面就主囊及輔囊內(nèi)氣體體積變化、空投設(shè)備系統(tǒng)速度、加速度變化情況分別進行分析。

2.1 囊內(nèi)氣體體積變化情況

分別對主囊、輔囊內(nèi)氣體體積變化進行分析，得到其變化曲線如圖3和圖4所示。

圖3 主囊內(nèi)氣體體積變化Fig.3 The air volume change in the main airbag

圖4 輔囊內(nèi)氣體體積變化Fig.4 The air volume change in the subsidiary airbag

從氣囊著陸開始（t=0.02s），主囊被壓縮，同時向輔囊進行排氣，輔囊搭扣被撕裂，進而打開排氣口，整個系統(tǒng)開始緩沖，囊內(nèi)氣體體積減少。由于存在微弱反彈，氣體未全部排空。從圖4可以看出，輔囊的收縮現(xiàn)象（呼吸現(xiàn)象）比較明顯，這也體現(xiàn)了其在整個系統(tǒng)中的作用，即延遲囊內(nèi)氣體排出，穩(wěn)定緩沖氣囊系統(tǒng)。

2.2 空投設(shè)備速度變化

圖5為空投設(shè)備速度變化曲線。從圖中可以看出，在緩沖初始階段（0.1s之前）由于空投設(shè)備重力作用大于氣囊對其反作用力，空投設(shè)備有微量增速現(xiàn)象。在t=0.1s之后，氣囊反作用力大于空投設(shè)備重力作用，系統(tǒng)開始迅速減速。在t=0.24s左右，速度降為0，之后Z向速度為正，表明此時系統(tǒng)出現(xiàn)反彈現(xiàn)象，但由于此前氣囊被壓縮，沒有出現(xiàn)離地反彈，僅為氣囊向上膨脹。

圖5 空投設(shè)備速度變化曲線Fig.5 The velocity change of the cargo system

2.3 空投設(shè)備加速度（過載）變化

圖6為空投設(shè)備Z向加速度變化曲線，從圖中可以看出，緩沖過程初始階段（0.1s之前），空投設(shè)備由于其重力作用大于氣囊對其反作用力，初始加速度為Z軸相反方向，并逐漸減小。隨著氣囊進一步壓縮，對空投設(shè)備形成逐漸增大的反作用力，空投設(shè)備加速度開始沿著Z軸正方向逐漸增大。在t=0.21s左右，達到最大值。此時，空投設(shè)備所受最大過載為10.8gn。

圖6 空投設(shè)備加速度變化Fig.6 The acceleration change of the cargo system

2.4 與試驗結(jié)果、工程計算的對比

為更好驗證此氣囊緩沖系統(tǒng)性能，對其進行了空投沖擊試驗，測量系統(tǒng)緩沖過程中空投設(shè)備的速度、過載及位移變化情況。同時，基于熱力學原理，對緩沖氣囊建立工程計算模型，設(shè)計氣囊緩沖過程計算軟件，對該系統(tǒng)緩沖工作過程進行了工程計算。

如圖7所示，就以上3種研究方法所得空投設(shè)備速度變化情況進行對比與分析。結(jié)果表明，工程計算結(jié)果與試驗所得結(jié)果相比，趨勢基本保持一致，但誤差較大。這也是由于計算時對輔囊的簡化假設(shè)，沒有考慮主囊向輔囊的排氣過程；且受迭代計算的限制，它不能計算氣囊反彈過程。數(shù)值仿真計算與試驗測量值相比誤差較小，且其計算趨勢與試驗測量值基本一致，能有效計算氣囊緩沖過程中出現(xiàn)的反彈，可通過對模型進一步優(yōu)化，減少計算誤差。

圖7 兩種計算與試驗所得速度對比Fig.7 The comparison between the calculations and tests

3 結(jié)束語

通過對該型緩沖氣囊工作過程的仿真與分析，結(jié)合工程計算與試驗測試，驗證了此氣囊設(shè)計的合理性。同時，也提出一種全新的自落式緩沖氣囊設(shè)計思路，即在綜合考慮緩沖效果、材料特性、空投裝備性質(zhì)等因素下，根據(jù)需要運用工程計算確定氣囊初步設(shè)計參數(shù)，再由仿真計算模擬氣囊緩沖過程，結(jié)合沖擊試驗，可為氣囊的設(shè)計提供合理可行的研制思路與方法，極大提高了研制品質(zhì)和效率，降低研制成本。

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