混合式气体发生器用爆破膜爆破压力分析

张印明，刘柳，姚俊

湖北航天化学技术研究所，湖北襄阳 441003

混合式气体发生器广泛应用于汽车安全气囊系统、直升机安全气囊系统、潜艇抗沉、坦克抗沉、深海打捞等［1-4］。与传统的烟火式气体发生器相比，具有启动时间短、气体温度低、无残渣等优点，是气体发生器的发展方向。目前我国气体发生器产品全部为烟火式气体发生器，还没有自主研发的混合式气体发生器产品。爆破膜工艺是混合式气体发生器的关键技术之一，对发生器结构、性能、一致性、可靠性有着重要影响，文中以爆破膜爆破压力为主要研究对象，理论分析与实验相结合研究爆破压力的影响因素，以期为混合式气体发生器产品研发和产业发展提供技术支持和理论指导。

1 理论推导与分析

混合式气体发生器一般常见结构［5-8］由电爆管、产气药、压力罐体、爆破膜、接头等零部件组成。其工作原理为信号电流点燃电爆管，产生的热量点燃产气药剂，燃烧产生高温高压气体与罐体原有高压气体混合，罐体内压力急剧升高，超过爆破膜的破裂压力，爆破膜破裂，高压气体通过排气孔冲出压力罐，进入气囊。图1为混合式气体发生器结构和原理示意图。

图1 混合式气体发生器结构与原理示意图

针对混合式气体发生器的关键技术之一:爆破膜破裂压力的一致性，设计了如图2(a)所示的实验结构，来模拟爆破膜的工作过程，图中序号1为爆破膜，序号2为接头。对爆破膜施加均匀压力P，受力如图2(b)所示。受力前，爆破膜各处的厚度均为原始厚度S0，呈球形的膜片厚度由原先的S0减薄为S，球冠高H，半径为R，压力释放口直径为D。

图2 爆破膜受力图

推导前作几点假设［9］:1)爆破膜变形后呈球形;2)爆破膜厚度均匀减薄，膜片中各点应力相等;3)爆破膜变形后体积不变。

变形前爆破膜体积:

变形后爆破膜体积:

根据假设3)爆破膜变形后体积不变，有V0=V，化简后得

而由旋转薄壳的应力计算式有

式中:ρ1为第一曲率半径，mm;ρ2为第二曲率半径，mm;σm为径向应力，MPa;σq为环向应力，MPa。对于球壳ρ1=ρ2=R，σm=σq=σ，故可得

设爆破膜的爆破压力为Pb，爆破膜的抗拉强度为σb，代入得

图3所示为三维尺寸分别是a、b、L的矩形受力单元。

图3 爆破膜三维受力单元

受单轴向拉力N的作用直至断裂，在断裂瞬间的长度由L增至L1，即L1=L(1+δ)，在另外a和b的方向2个尺寸的相对减少率是相同的，均等于μ。根据假设3)有

式(9)表明，爆破膜破裂压力与材料的抗拉强度成正比，与爆破膜原始厚度成正比，与释放口直径成反比，而与破裂时的延伸率成非线性关系，见图4。

图4 延伸率δ与K值关系示意

应用SolidWorks COSMOSXpress软件对爆破膜进行应力分析和位移分析。分析结果见图5，从SolidWorks COSMOSXpress分析图中可以看出，应力最大位置和位移最大位置同时出现的部位位于爆破膜中心顶部直径方向1/3的球冠区域，是断裂破裂首先发生区域。

图5 SolidWorks COSMOSXpress分析

表1 实验数据

2 实验

方案:序号1爆破膜厚度为0.30 mm，材料为inconel600，形状为直径21.5 mm的平面圆片状;序号2接头材料为20#钢。将两件用激光焊接为如图6所示结构，进行油压实验。

图6 爆破膜实验

根据图6所示结构焊接所需试验样件，焊接工艺参数［10-12］如下:激光焊接设备型号:HG5000;激光功率:1100 W;焊接速度:16～17 r/min;保护气体:氩气0.1 MPa;实验温度:10～20℃;压力表:量程60 MPa，精度 0.5 MPa，已标定;焊缝内圆直径均为17～18 mm。油压实验数据如表1所示，破裂状态如图7所示。

图7 爆破膜实验

爆破膜破裂压力均值44.25 MPa，实验获得了较好的一致性。爆破膜在承受压力载荷后，膜片中产生拉伸应力，因其膜片为非均匀减薄，在中心拱顶部位水平最高，故此最终爆破膜在顶部中间位置首先破裂。爆破膜油压试验证明了这一点，同时也验证了SolidWorks COSMOSXpress分析的正确性。

理论分析推导是在三点假设条件的前提下做出的。在实验中，受材料的抗拉强度和延伸率稳定性影响，实验数据与理论公式有一定的差异，理论公式:Pb=8S0σbK/D经过一定的修正系数，还是可以与实验完全一致的。

3 结束语

本文对混合式气体发生器用爆破膜爆破压力进行了深入分析和研究，取得了一定的成果:1)理论推导了混合式气体发生器用爆破膜爆破压力的力学模型;2)理论分析了爆破膜的破裂位置并实验验证了理论分析的正确性;3)分析了混合式气体发生器用爆破膜爆破压力的影响因素。然而还有进一步的研究工作:例如进行大量实验研究确定修正系数等。本文的研究工作对提高我国混合式气体发生器技术水平有一定的参考借鉴价值。

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