双气室气囊缓冲系统着陆缓冲性能分析

周强　谭百贺

【摘 要】双气室气囊结构兼具着陆缓冲和设备保护的双重作用，为了研究双气室气囊缓冲系统的着陆缓冲性能，本文通过有限元方法建立了双气室气囊缓冲系统的计算模型，研究了双气室气囊缓冲系统着陆缓冲过程的各项参数变化，并得到以下结论：双气室气囊结构具有较好的着陆缓冲效果，同时有效防止气囊发生内陷，避免载荷设备触地；双气室气囊结构内气囊在缓冲过程产生的超压量较小，因此为了减小缓冲系统质量，内气囊可以选用厚度较薄、强度较弱的囊体材料；采用基于有限元的数值方法可以较好反映整个缓冲过程的各项参数变化，为缓冲系统设计提供依据。

【关键词】双气室气囊；LS—DYNA；着陆缓冲；过载

中图分类号： V445.4 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）34-0081-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.34.032

Landing buffering performance analysis of a Double air chamber airbag buffer system

ZHOU Qiang TAN Bai-he

（The 38th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Hefei Anhui 230088，China）

【Abstract】A double air chamber airbag buffer system has the dual function of landing buffer and equipment protection. In order to study the landing buffering performance of a double air chamber airbag buffer system， a finite element model of a airbag buffer system is built in this paper， the parameters of the buffer system landing buffer are calculated. The following conclusions are draw： the double air chamber airbag structure has a good effect of landing buffer， at the same time prevent the airbag from insinuation effectively， and avoid load equipment touching the ground. The overpressure of inner airbag during the buffer process is small， so in order to reduce the weight of the buffer system， the inner airbag can be used to choose the thin and weak capsule material. A numerical method based on the finite element method can be used to study the parameter changes of the whole buffer system， the numerical method can provide basis for the design of buffer system.

【Key words】Double air chamber airbag； LS—DYNA； Landing buffer； Over load

0 引言

气囊缓冲系统具有结构简单、工作性能稳定、成本低廉、生产加工便捷等优点，且易于折叠，便于安装，广泛应用于各个行业。缓冲气囊结构形式多样，从缓冲机理上可以分为： 封闭式气囊、排气型气囊和组合型气囊。封闭式气垫在缓冲过程中不排气，依靠多次的弹跳逐步耗散冲击能量，如深空探测中探测器的着陆缓冲[1-2]。排气式气囊在缓冲过程中向外排气，缓冲过程中囊内压力升到设定值后泄去能量并抑制反弹[3]。组合型气囊由密闭型气囊和排气型气囊组合而成，通常为双气室气囊。目前通常采用内外囊组成的排气式结构，外囊带有排气孔，内囊没有排气孔为密闭型气囊，在触地缓冲的过程中，当外囊气压超过压力门限后，排气孔破裂，向外排气，降低着陆过载；内气囊一直保持密闭状态，在外气囊排气结束后起到弹性支撑的作用，起到保护作用，如图1所示。

国内外对于应急气囊的着陆缓冲特性研究主要有试验研究和数值仿真[2-5]。文献[1]采用LS-DYNA软件仿真计算了内外双气室气囊结构的缓冲特性，并采用全比例模型验证了数值仿真的准确性，结果表明数值方法可以较准确的反映试验模型着陆缓冲特性。牛四波等[5]研究了并联式双气室气囊结构缓冲特性，研究表明初始压强、主辅气囊排气口面积以及气囊体积比对气囊缓冲特性有显著的影响。以上文献分析表明，采用LS-DYNA软件数值仿真缓冲气囊的着陆过程，具有较高可行度且有效提高了设计效率，降低试验风险。对于某些特殊装备着陆要求，缓冲过程需保证装备离地距离大于一定高度，以避免关键设备如外露天线等触地，因此采用双气室气囊结构可满足以上着陆缓冲要求。因此本文采用数值方法研究双气室气囊缓冲特性，分析外气室开口面积对缓冲特性的影响，定量分析双气室气囊的缓冲特性。

1 有限元建模

图2所示的模型为本文的研究对象，着陆模型简化为尺寸3m×3m×0.2m的平板，且平板底部挂有0.6m×0.6m×0.2m大小的设备，平板和设备总质量为100kg，平板底部两侧绑扎两个并排的圆柱气囊，外气囊直径为1m，长度为3m，内气囊直径为0.5m，长度为2m，内外气囊内部均充满空气。有限元建模中气囊建模采用shell单元，厚度为0.2mm，材料为纺织物材料，密度为780kg/m3，三个方向的弹性模量均为0.1GPa，剪切模量均為0.013GPa，泊松比为0.2。气囊定义为LS-DYNA中的HYBRID_ID气囊模型，气囊内充入标况下的干燥空气，初始内压与外界大气压力相同，为101325Pa。

2 仿真结果及分析

气囊缓冲基于气体压缩或排放来吸收能量，气囊着陆时内部气体快速排出从而将设备的冲击动能转换为气体动能，降低着陆时的过载。触地缓冲的过程中，当外囊气压超过压力门限后，排气孔破裂，向外排气，本文外气囊的压力门限为0Pa，即气囊触地后气囊内压大于0pa外气囊向外排气。外气囊的排气口面积为0.1m2。

图3为着陆缓冲过程中载荷的速度变化，载荷在着陆后速度方向急速从最大下降速度-8.7m/s變化为2m/s，载荷的着陆速度经过双气室气囊的缓冲作用，很快达到平稳状态。载荷的着陆过载经过缓冲气囊的缓冲作用减小到108m/s2，如图4所示，载荷着陆后加速度经数次震荡后变为0m/s2。

图5为缓冲过程中内外气囊的气体内压变化，在刚着陆瞬间外气囊内压急剧增大，超压约2700Pa，而内气囊内压超压较小。外气囊第二次触地后，由于外气囊超压导致外气囊内部气体排出，外气囊超压在第二次触地时很快减小，同时外气囊空气排出导致内气囊触地，内气囊密封起到弹性支撑作用，因此内气囊内压开始增大并发生震荡。图6为着陆缓冲过程中内外气囊的空气质量变化，由于内气囊密封设计可以看出内气囊内部空气质量不变，而外气囊为超压排气设计，因此外气囊内部空气质量不断减小，随着设备着陆达到稳定后外气囊空气质量达到稳定，停止排气。

3 结论

本文建立了双气室气囊缓冲系统的有限元模型。通过计算得到缓冲系统着陆缓冲过程的内外气囊内压变化、气囊变形、内部空气质量以及载荷速度、过载等变化量。数值结果分析表明：

（1）双气室气囊结构具有较好的着陆缓冲效果，且同时可以有效地防止气囊发生内陷，避免载荷设备直接触地。

（2）双气室气囊结构内气囊在缓冲过程产生的超压量较小，因此为了减小缓冲系统质量内气囊可以选用厚度较薄、强度较弱的囊体材料。

（3）采用基于有限元方法数值分析方法可以较好反映整个缓冲过程的各项参数变化，为缓冲系统设计提供依据。

【参考文献】

[1]Michelle cooper，Robert Sinclair et.la.Design and testing of an airbag landing attenuator system for a generic crew return vehicle[C]//18th AIAA aerodynamic decelerator systems technology conference and seminar，2005，AIAA2015-1616.

[2]Ben Tutt，Susannah Gill，et.al.A summary of the development of a nominal land landing airbag impact attenuation system for the orion crew module[C]//20th AIAA Aerodynamic decelerator systems technology conference and seminar，AIAA 2009-2922， Seattle，Washington，4-7 May 2009.

[3]周强，谭百贺. 可控排气式气囊着陆缓冲特性研究[J]，浮空器研究，2017，11（4）：26-29.

[4]李建阳，王红岩，等. 自充气式气囊缓冲特性试验研究[J]， 振动与冲击，2014，33（4）：119-123.

[5]牛四波，王红岩，等. 重装回收系统双气室气囊缓冲特性分析[J]，振动与冲击，2012，31（10）：74-78.