自落式缓冲气囊仿真研究

周清艳 言金

（中航工业航宇救生装备有限公司，襄阳 441003）

0 引言

最早的气囊装置是在20世纪40年代因飞机安全保护提出[1]，气囊保护技术被广泛应用于国防军事领域、航天器着陆与回收、武器装备与物资空投、汽车安全气囊等领域[2-3]。随着对缓冲效果的要求提高，结构更复杂、材料更先进、效果更可靠的气囊正在为大家所关注和研究。

缓冲气囊种类较多，按充气方式不同可分为主动充气式和自然充气式；按结构形式可分为单气囊和组合式气囊；按是否放气可分为封闭式和排气式，排气式又可分为恒定排气孔式和可控排气孔式。

对气囊的缓冲研究主要有两种：一类是解析分析方法，文献[4]建立的模型假设气囊压缩为等温过程，给出了重装空投用自落式缓冲气囊的一般设计思路和计算方法；另一类是数值模拟即动态非线性有限元仿真[5-6]，其优势在于可以进行缓冲气囊的全向缓冲特性分析，模拟各种着陆环境，适用于计算各种柔性织物的结构变形，对其工作过程中的速度、加速度、动量、能量及应力应变的分布情况都能够有效地表示出来。

国内对于气囊工作过程的模拟仿真研究已经逐渐发展起来[7-10]，目前较为流行的有控制体积法（Control Volume Method, CV）和流固耦合法（Arbitrary Lagrangian Eulerian, ALE）。CV法研究气囊缓冲过程，可以得到较为理想的气囊外形变化情况，计算时间短，占用计算机资源少，大大降低了计算成本。ALE法尚在探索和改进中，相比CV法而言，它可以计算并获取囊内流场数据，在计算气囊、降落伞等高速充气过程中非常有必要[11-12]。因此，气囊的仿真研究有着很大的发展空间，有待于进一步的努力。

本文针对某空投货台缓冲系统开展研究，重点分析气囊缓冲工作过程。采用CV法，运用LS-DYNA软件进行仿真计算，结合工程估算，为研究气囊工作性能提供理论依据，为气囊设计提供参考。

1 模型建立

本文以某型空投缓冲系统所用气囊为研究对象，该缓冲气囊系统由8个独立的气囊并联组成。每个独立气囊可以分为主囊和辅囊2部分。主囊底部设有进气口，两侧面设有排气口。辅囊缝合在主囊斜面上，通过排口与主囊相通。空投设备与主囊上表面相连，为研究方便，本文以同等质量钢板代替空投设备。

主气囊依靠底部进气孔自落充气，当气囊与地面接触后，进气口被封闭（假设完全封闭）。主气囊受压缩后，一方面通过主囊侧面排气口向外排气，另一方面开始向辅囊充气，当辅囊内压超过搭扣带的粘合力，辅囊排气口开启并向外排气。气囊卸压缓冲过程中，空投设备只与主气囊上表面接触，辅囊压缩空气起延缓放气作用，并不直接对空投设备施加作用力。

为方便建模和计算，对缓冲系统做如下假设：

1）气囊为柔性织物，但忽略织物的弹性，在压缩过程中不产生变形；

2）气囊的缓冲作用是由囊内气体压力的损失来提供能量的，不考虑气动阻力；

3）缓冲过程空气流动视为不可压缩流，为绝热过程；

4）辅囊搭扣带之间的粘合力极小，可以假设其排气孔的爆破压力与环境大气压一致。

气囊在货台横向方向所占据的尺寸为2 360mm，纵向方向为4 500mm，气囊高度1 440mm。空投设备质量为7 600kg。由于每个独立气囊的排气口之间无影响，在忽略2个气囊在缓冲过程中的相互挤压（试验显示2个气囊之间的挤压不是很明显）造成的影响时，可针对其中1个独立气囊进行建模并仿真计算。

其边界条件见表1，几何尺寸如图1。

表1 初始边界条件Tab.1 The initial boundary conditions

图1 几何模型Fig.1 The geometrical model of the airbag

2 计算结果与分析

将几何模型导入有限元分析前处理软件Hypermesh中，添加相应关键字，设置载荷分布，同时，定义气囊边界、气体性质，并添加空投设备与气囊的连接，进行网格划分，形成K文件并导出，利用LS-DYNA对上述K文件进行数值计算，运用LS-Prepost软件对计算结果进行后处理，得到气囊外形及囊体表面应力仿真结果，见图2。

图2 不同时刻气囊外形变化及表面应力分布云图Fig.2 Shape changes and stress distribution of the airbag in different time

图2分别为缓冲气囊着陆时刻、气囊囊体所受最大应力时刻和缓冲结束时刻的计算状态，整个缓冲过程时间大约为0.25s。分析整个缓冲过程应力分布情况，在t=0.118s时主囊外排气口处出现应力最大值。除排气口出现应力集中外，气囊表面应力分布比较均匀。相对主囊而言，辅囊表面应力较小且分布比较平稳。

针对以上计算结果，下面就主囊及辅囊内气体体积变化、空投设备系统速度、加速度变化情况分别进行分析。

2.1 囊内气体体积变化情况

分别对主囊、辅囊内气体体积变化进行分析，得到其变化曲线如图3和图4所示。

图3 主囊内气体体积变化Fig.3 The air volume change in the main airbag

图4 辅囊内气体体积变化Fig.4 The air volume change in the subsidiary airbag

从气囊着陆开始（t=0.02s），主囊被压缩，同时向辅囊进行排气，辅囊搭扣被撕裂，进而打开排气口，整个系统开始缓冲，囊内气体体积减少。由于存在微弱反弹，气体未全部排空。从图4可以看出，辅囊的收缩现象（呼吸现象）比较明显，这也体现了其在整个系统中的作用，即延迟囊内气体排出，稳定缓冲气囊系统。

2.2 空投设备速度变化

图5为空投设备速度变化曲线。从图中可以看出，在缓冲初始阶段（0.1s之前）由于空投设备重力作用大于气囊对其反作用力，空投设备有微量增速现象。在t=0.1s之后，气囊反作用力大于空投设备重力作用，系统开始迅速减速。在t=0.24s左右，速度降为0，之后Z向速度为正，表明此时系统出现反弹现象，但由于此前气囊被压缩，没有出现离地反弹，仅为气囊向上膨胀。

图5 空投设备速度变化曲线Fig.5 The velocity change of the cargo system

2.3 空投设备加速度（过载）变化

图6为空投设备Z向加速度变化曲线，从图中可以看出，缓冲过程初始阶段（0.1s之前），空投设备由于其重力作用大于气囊对其反作用力，初始加速度为Z轴相反方向，并逐渐减小。随着气囊进一步压缩，对空投设备形成逐渐增大的反作用力，空投设备加速度开始沿着Z轴正方向逐渐增大。在t=0.21s左右，达到最大值。此时，空投设备所受最大过载为10.8gn。

图6 空投设备加速度变化Fig.6 The acceleration change of the cargo system

2.4 与试验结果、工程计算的对比

为更好验证此气囊缓冲系统性能，对其进行了空投冲击试验，测量系统缓冲过程中空投设备的速度、过载及位移变化情况。同时，基于热力学原理，对缓冲气囊建立工程计算模型，设计气囊缓冲过程计算软件，对该系统缓冲工作过程进行了工程计算。

如图7所示，就以上3种研究方法所得空投设备速度变化情况进行对比与分析。结果表明，工程计算结果与试验所得结果相比，趋势基本保持一致，但误差较大。这也是由于计算时对辅囊的简化假设，没有考虑主囊向辅囊的排气过程；且受迭代计算的限制，它不能计算气囊反弹过程。数值仿真计算与试验测量值相比误差较小，且其计算趋势与试验测量值基本一致，能有效计算气囊缓冲过程中出现的反弹，可通过对模型进一步优化，减少计算误差。

图7 两种计算与试验所得速度对比Fig.7 The comparison between the calculations and tests

3 结束语

通过对该型缓冲气囊工作过程的仿真与分析，结合工程计算与试验测试，验证了此气囊设计的合理性。同时，也提出一种全新的自落式缓冲气囊设计思路，即在综合考虑缓冲效果、材料特性、空投装备性质等因素下，根据需要运用工程计算确定气囊初步设计参数，再由仿真计算模拟气囊缓冲过程，结合冲击试验，可为气囊的设计提供合理可行的研制思路与方法，极大提高了研制品质和效率，降低研制成本。

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