混合式氣體發(fā)生器用爆破膜爆破壓力分析

張印明，劉柳，姚俊

湖北航天化學技術(shù)研究所，湖北襄陽 441003

混合式氣體發(fā)生器廣泛應(yīng)用于汽車安全氣囊系統(tǒng)、直升機安全氣囊系統(tǒng)、潛艇抗沉、坦克抗沉、深海打撈等［1-4］。與傳統(tǒng)的煙火式氣體發(fā)生器相比，具有啟動時間短、氣體溫度低、無殘渣等優(yōu)點，是氣體發(fā)生器的發(fā)展方向。目前我國氣體發(fā)生器產(chǎn)品全部為煙火式氣體發(fā)生器，還沒有自主研發(fā)的混合式氣體發(fā)生器產(chǎn)品。爆破膜工藝是混合式氣體發(fā)生器的關(guān)鍵技術(shù)之一，對發(fā)生器結(jié)構(gòu)、性能、一致性、可靠性有著重要影響，文中以爆破膜爆破壓力為主要研究對象，理論分析與實驗相結(jié)合研究爆破壓力的影響因素，以期為混合式氣體發(fā)生器產(chǎn)品研發(fā)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供技術(shù)支持和理論指導(dǎo)。

1 理論推導(dǎo)與分析

混合式氣體發(fā)生器一般常見結(jié)構(gòu)［5-8］由電爆管、產(chǎn)氣藥、壓力罐體、爆破膜、接頭等零部件組成。其工作原理為信號電流點燃電爆管，產(chǎn)生的熱量點燃產(chǎn)氣藥劑，燃燒產(chǎn)生高溫高壓氣體與罐體原有高壓氣體混合，罐體內(nèi)壓力急劇升高，超過爆破膜的破裂壓力，爆破膜破裂，高壓氣體通過排氣孔沖出壓力罐，進入氣囊。圖1為混合式氣體發(fā)生器結(jié)構(gòu)和原理示意圖。

圖1 混合式氣體發(fā)生器結(jié)構(gòu)與原理示意圖

針對混合式氣體發(fā)生器的關(guān)鍵技術(shù)之一:爆破膜破裂壓力的一致性，設(shè)計了如圖2(a)所示的實驗結(jié)構(gòu)，來模擬爆破膜的工作過程，圖中序號1為爆破膜，序號2為接頭。對爆破膜施加均勻壓力P，受力如圖2(b)所示。受力前，爆破膜各處的厚度均為原始厚度S0，呈球形的膜片厚度由原先的S0減薄為S，球冠高H，半徑為R，壓力釋放口直徑為D。

圖2 爆破膜受力圖

推導(dǎo)前作幾點假設(shè)［9］:1)爆破膜變形后呈球形;2)爆破膜厚度均勻減薄，膜片中各點應(yīng)力相等;3)爆破膜變形后體積不變。

變形前爆破膜體積:

變形后爆破膜體積:

根據(jù)假設(shè)3)爆破膜變形后體積不變，有V0=V，化簡后得

而由旋轉(zhuǎn)薄殼的應(yīng)力計算式有

式中:ρ1為第一曲率半徑，mm;ρ2為第二曲率半徑，mm;σm為徑向應(yīng)力，MPa;σq為環(huán)向應(yīng)力，MPa。對于球殼ρ1=ρ2=R，σm=σq=σ，故可得

設(shè)爆破膜的爆破壓力為Pb，爆破膜的抗拉強度為σb，代入得

圖3所示為三維尺寸分別是a、b、L的矩形受力單元。

圖3 爆破膜三維受力單元

受單軸向拉力N的作用直至斷裂，在斷裂瞬間的長度由L增至L1，即L1=L(1+δ)，在另外a和b的方向2個尺寸的相對減少率是相同的，均等于μ。根據(jù)假設(shè)3)有

式(9)表明，爆破膜破裂壓力與材料的抗拉強度成正比，與爆破膜原始厚度成正比，與釋放口直徑成反比，而與破裂時的延伸率成非線性關(guān)系，見圖4。

圖4 延伸率δ與K值關(guān)系示意

應(yīng)用SolidWorks COSMOSXpress軟件對爆破膜進行應(yīng)力分析和位移分析。分析結(jié)果見圖5，從SolidWorks COSMOSXpress分析圖中可以看出，應(yīng)力最大位置和位移最大位置同時出現(xiàn)的部位位于爆破膜中心頂部直徑方向1/3的球冠區(qū)域，是斷裂破裂首先發(fā)生區(qū)域。

圖5 SolidWorks COSMOSXpress分析

表1 實驗數(shù)據(jù)

2 實驗

方案:序號1爆破膜厚度為0.30 mm，材料為inconel600，形狀為直徑21.5 mm的平面圓片狀;序號2接頭材料為20#鋼。將兩件用激光焊接為如圖6所示結(jié)構(gòu)，進行油壓實驗。

圖6 爆破膜實驗

根據(jù)圖6所示結(jié)構(gòu)焊接所需試驗樣件，焊接工藝參數(shù)［10-12］如下:激光焊接設(shè)備型號:HG5000;激光功率:1100 W;焊接速度:16～17 r/min;保護氣體:氬氣0.1 MPa;實驗溫度:10～20℃;壓力表:量程60 MPa，精度 0.5 MPa，已標定;焊縫內(nèi)圓直徑均為17～18 mm。油壓實驗數(shù)據(jù)如表1所示，破裂狀態(tài)如圖7所示。

圖7 爆破膜實驗

爆破膜破裂壓力均值44.25 MPa，實驗獲得了較好的一致性。爆破膜在承受壓力載荷后，膜片中產(chǎn)生拉伸應(yīng)力，因其膜片為非均勻減薄，在中心拱頂部位水平最高，故此最終爆破膜在頂部中間位置首先破裂。爆破膜油壓試驗證明了這一點，同時也驗證了SolidWorks COSMOSXpress分析的正確性。

理論分析推導(dǎo)是在三點假設(shè)條件的前提下做出的。在實驗中，受材料的抗拉強度和延伸率穩(wěn)定性影響，實驗數(shù)據(jù)與理論公式有一定的差異，理論公式:Pb=8S0σbK/D經(jīng)過一定的修正系數(shù)，還是可以與實驗完全一致的。

3 結(jié)束語

本文對混合式氣體發(fā)生器用爆破膜爆破壓力進行了深入分析和研究，取得了一定的成果:1)理論推導(dǎo)了混合式氣體發(fā)生器用爆破膜爆破壓力的力學模型;2)理論分析了爆破膜的破裂位置并實驗驗證了理論分析的正確性;3)分析了混合式氣體發(fā)生器用爆破膜爆破壓力的影響因素。然而還有進一步的研究工作:例如進行大量實驗研究確定修正系數(shù)等。本文的研究工作對提高我國混合式氣體發(fā)生器技術(shù)水平有一定的參考借鑒價值。

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