某型气囊充气展开过程研究

黄恩光，彭辉，毛龙，杨威，郑强，姚俊，余维维

某型气囊充气展开过程研究

黄恩光1,2，彭辉3，毛龙1,2，杨威1,2，郑强4，姚俊1,2，余维维1,2

（1.湖北航天化学技术研究所，湖北 襄阳 441003；2.应急救生与安全防护湖北省重点实验室，湖北 襄阳 441003；3.湖北三沃力源航天科技有限公司，湖北 襄阳 441003；4.湖北航鹏动力技术有限公司，湖北 襄阳 441003）

为了研究气囊充气展开过程体积和压力的变化特性，优化气囊设计方法及理论。文中采用3种方法，分别从理论分析、实验研究和数值模拟的角度出发，得到气囊充气展开过程气囊体积和囊内压力随时间的变化曲线，并将3种方法得到的结果进行对比。实验结果与数值模拟所得气囊平衡压力最大误差不到8%，气囊体积的相对误差为7%。理论分析、数值模拟与实验结果较一致，说明了该方法的有效性和正确性；气囊充气体积可分为快速展开、体积缓慢增长和状态稳定3个过程。囊内压力同样可分为初始阶段、突升阶段和平衡阶段。文中提出的方法对一般气囊均具有普适性，具备一定的工程价值。

气囊；充气参数；理论分析；实验研究；数值模拟

气囊[1-2]作为应急救生与安全防护领域的重要载体，已被广泛运用于包括汽车被动安全、各类空投物的缓冲装置、水下助浮装置、物品运输包装等领域中。它具有质量轻、体积小、成本低、可靠性高等特点，近年来已成为应急救生与安全防护领域中的研究热点。

气囊在工作的过程中，不可避免地会出现充气不稳定现象，导致充气结束后其相关状态参数如压力、体积等不正常，最终影响气囊的性能，因此对气囊充气展开过程的研究至关重要。气囊的充气展开过程具有动态、非线性、大变形等特征[3]，早期通常采用理论分析和实验测试方法对气囊展开过程进行研究。Esgar和Morgan[4]将气体假定为理想气体，并结合热力学方程等对气囊充气展开过程进行了理论计算，得到气囊展开体积及囊内压力等气囊状态的理论解。Waye D等[5]采用探路者号的缩比模型开展气囊缓冲特性的研究，分别进行Cayote Canyon实验和高纬度舱气囊实验，对气囊缓冲系统的可行性进行了验证。王帅等[6]研究含织物增强内衬复合材料气囊的静态变形过程，并针对该气囊的材料特性设计了静态实验平台，获得了气囊膨胀高度、囊内容积和压力随时间的变化关系。李建阳等[7]设计2种排气控制式气囊，建立载荷-气囊跌落实验平台，研究了排气口开启控制方式对气囊缓冲特性的影响。一般采用实验方法需要耗费较长时间，且花费较大，实验结果容易受到外界环境制约。

随着计算机性能的飞速发展以及在气囊控制算法上的成熟，仿真计算[8-12]在气囊产品的研发中扮演着重要角色。控制体积法（CV法）是气囊仿真计算的常用方法，主要基于Wang和Nefske[13-14]的工作。廖航等[15]对某航天器着陆缓冲过程进行了仿真及试验研究，验证了气囊缓冲系统能够满足工作要求。李建阳等[16]研究了某高原空投着陆气囊在不同海拔高度工况下的缓冲性能，重点分析排气口面积对气囊缓冲性能的影响，得到不同海拔高度下排气口面积的最佳值。卫剑征等[17]针对气囊着陆缓冲与反弹问题，对某双气囊有无排气孔的着陆缓冲过程进行了仿真，表明有排气孔气囊能实现软着陆。李博等[18]针对骨架式充气结构充气压力对气囊缓冲性能的影响进行了仿真分析，结果表明，骨架式充气结构的充气压力为10 kPa时，可以改善自充式缓冲气囊的性能。余莉等[19]使用CV法和ALE法对气囊充气过程进行了数值模拟，获得充气过程中，气囊外形和流场之间的动态关系，分析了囊内流场的动态变化情况。张纪平[20]采用LS-DYNA软件对冲压式空投气囊的着陆缓冲过程进行了仿真计算，对缓冲过程中气囊体积和压力的变化情况进行了分析，验证了气囊能满足过载要求。

针对某型号气囊建立计算模型，从理论分析、实验研究和数值模拟角度出发，分析了充气气体质量和温度对气囊充气展开过程及展开后关键参数的影响，为工程化应用提供参考。

1 模型介绍及理论分析

1.1 物理模型

文中研究的某型号气囊模型具体见图1。气囊采用单层材质，经过上下2片材料热合而成。气囊的材料参数见表1[21]。

图1 某气囊尺寸

表1 气囊的材料参数

Tab.1 Material parameters of airbag

1.2 理论分析

气囊的充气展开涉及大变形、大位移，是一个动态过程。在气源充气的过程中，气囊内的气体满足气体状态方程。

=(1)

式中：为绝对压力（Pa）；为气囊的体积（m3）；为充入气源物质的量（mol）；为热力学常数，=8.314 J/(mol·K)；为热力学温度（K）。

由于气囊在展开的过程中体积是不断变化的，可以取气囊完全展开后的体积计算气囊内部最终状态的参数。文中气囊完全展开后的体积实测约为8.5 L，充入气源为CO2。根据充入气囊内的气体质量和充入气体的温度可计算得到最终状态的气囊囊内压力见图2。

2 实验研究

为了保持产品的一致性，气囊在实际使用过程中充气气源由压缩CO2气瓶提供。将气囊、充气气源、压力传感器以及数据采集系统按如图3所示原理图连接，进行气囊充气实验。实验实物见图4。压阻式压力变送器的量程为1 MPa，精度等级为0.25。在实验过程中，使用数据采集系统可实时监测气囊内部气体压力。

图2 气囊内部平衡压力随充气质量和温度的变化关系

图3 气囊压力测试原理

图4 实验装置

CO2气瓶内部气量为25 g，气体温度20 ℃。实验测得的压力时间曲线见图5。由图5可知，气囊内压力由初始阶段的0突升至550 kPa，后出现降低到30 kPa左右，然后缓慢升高达到平衡状态，平衡状态压力为50.14 kPa。在初始阶段气囊内压出现突升的原因为充气模块中的电爆管在点火的瞬间会产生爆压，由此击穿压缩CO2气瓶瓶口的封片，而后才开始后一阶段的气囊充气过程。由于气囊本身没有开设排气孔，因此气囊内平衡压力维持在稳定的50.14 kPa左右。

3 数值模拟

根据现有气囊模型及边界条件，使用LS-dyna有限元分析软件以及LS-Prepost前后处理软件对气囊的充气展开过程进行数值模拟。气囊采用SHELL163膜单元，材料选用LS-DYNA中的34号织物材料（MAT_FABRIC），厚度选择0.2 mm。气囊的关键字选用*AIRBAG_WANG_NEFSKE，自身接触设置为单面接触（AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE），模型单元总数共4174，有限元模型见图6。充入气体温度为20 ℃，CO2质量为25 g，充气时间为100 ms。

图5 气囊内部压力-时间曲线

气囊在充气过程中为10、30、60、90、120 ms时，压力分布云图见图7。气囊体积随时间的变化关系见图8。通过分析气囊展开过程中形状变化，并结合气囊充气过程中体积随时间的变化曲线，将未折叠状态下气囊体积变化分为3个阶段。第1阶段是气囊快速展开过程，对应体积变化曲线中0～60 ms时段，气囊体积膨胀在这一阶段基本完成，在此阶段气囊体积与时间为线性增长关系。分析原因可得，在气囊刚开始充气时，气囊处于松弛状态，对气体运动的阻力较小，充入的气体迅速扩散，使得气囊体积较快增长。第2阶段是气囊体积缓慢增长过程，对应体积变化曲线中60～90 ms时段，这一阶段气囊体积的增幅相对较小。分析原因可得，气囊完成第一阶段充气时，气囊处于紧绷状态，气体运动所受阻力较大，气囊体积增长缓慢。第3阶段是气囊状态稳定过程，对应体积变化曲线中90 ms之后，此时充气已接近尾声，此过程中气囊逐步达到饱和，气囊的体积也接近稳定状态8.3 L，不再有明显增加。仿真与实验测得实际气囊体积8.9 L相比，体积误差为7%。

图6 整体的有限元模型

气囊囊内压力随时间的变化关系见图9。由图9可见，压力变化曲线同样可分为3个阶段。第1阶段为初始阶段（0～30 ms），气囊囊内相对压力基本为0。第2阶段为突升（30～100 ms），此时囊内压力从接近0急剧升高至最高压力58.37 kPa。第3阶段为平衡阶段（100 ms以后），压力表现为轻微下降直至平衡压力54.7 kPa左右。进一步分析可得，开始时气囊处于松弛状态，充入的气体在气囊内自由运动，囊内压力维持在大气压时可使气囊展开，第1阶段结束。随着气囊体积的增大，气囊表面张力逐渐增大，此时充入气囊的气体需要克服不断增大的张力维持气囊的展开，囊内压力也随之增大，直到100 ms充气结束时，囊内压力达到峰值58.37 kPa。结合气囊应力云图可知，气囊展开过程中存在应力集中区域，造成小范围的震荡现象，第2阶段充气结束。第3阶段为结束充入气体，气囊保持一定形状阶段。在这一阶段，气囊囊内压力基本维持于稳定，平衡压力为54.74 kPa。

理论计算、实验-曲线与仿真-曲线的压力对比见图10。其中，实验-曲线为图5气囊内部压力-时间曲线截取所得。理论计算得到的囊内平衡压力为54.5 kPa，实验测试得到的囊内平衡压力为50.14 kPa，仿真计算得到的平衡压力为54.74 kPa。实验得到的结果偏低，原因在于在实验的过程中可能存在轻微泄露或测试系统有一定误差。与理论计算的囊内平衡压力相比，实验测试数据的误差为8%，仿真计算数据的误差为0.44%。误差均在可接受的范围内，证明文中的计算方法和模型是真实可靠的。

图7 气囊在展开过程中不同时刻的应力分布云图（色标轴代表应力，单位是103MPa）

图8 气囊体积随时间的变化关系

图9 气囊囊内压力随时间的变化关系

图10 气囊囊内压力结果的对比

4 结语

根据现有某气囊的实际尺寸、材料属性、充气温度、充气气量等参数，完整建立气囊充气过程的理论分析、实验研究和数值模拟模型。由结果可得出如下结论。

理论分析、实验结果和数值模拟得到的气囊囊内平衡压力和体积数值比较接近。其中平衡压力最大误差不到8%，实测的气囊体积和仿真得到的气囊充气体积分别为8.9 L和8.3 L，相对误差为7%，说明文中的计算方法是真实可靠的。

气囊充气体积可分为3个过程，分别为快速展开、体积缓慢增长和状态稳定过程。气囊囊内压力同样可分为3个阶段，分别为初始阶段、突升阶段和平衡阶段。

通过文中分析，仿真手段可以减少未来气囊在充气方面的试验工作量，为工程应用中气囊的充气性能评估提供一种有效途径。

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Deployment Process of Certain Type of Airbag

HUANG En-guang1,2, PENG Hui3, MAO Long1,2, YANG Wei1,2, ZHENG Qiang4,YAO Jun1,2, YU Wei-wei1,2

(1.Hubei Institute of Aerospace Chemical Technology, Xiangyang 441003, China; 2.Key Laboratory of Emergency Lifesaving andSafety Protection of Hubei Province, Xiangyang 441003, China; 3.Hubei Sunvalor Power Source Aerospace Tech Co., Ltd., Xiangyang 441003, China; 4.Hubei Hangpeng Chemical Power Technology Co., Ltd., Xiangyang 441003, China)

The work aims to study the change characteristics of volume and pressure of airbag during deployment and optimize the design method and theory of airbag.Three methods were proposed to obtain the curve of airbag volume and pressure varying with the time during inflation and deployment from the perspective of theoretical analysis, experimental research and numerical simulation and the results acquired by the three methods were compared. The maximum error of balance pressure obtained from experiment and numerical simulation was less than 8%, and the relative error of airbag volume was 7%. Theoretical analysis and numerical simulation were consistent with experimental results, indicating the validity and correctness of the method. The inflation volume of airbag was divided into three processes: rapid deployment, slow volume growth and stable state. The pressure in the airbag was divided into initial stage, surge stage and equilibrium stage. The methods proposed are universal for general airbags and have certain engineering value.

airbag; inflation parameters; theoretical analysis; experimental research; numerical simulation

TB485.1；TB485.2

A

1001-3563(2022)03-0169-06

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.03.021

2021-08-05

黄恩光（1995—），男，硕士，助理工程师，主要研究方向为主动防护技术。

姚俊（1973—），男，硕士，研究员，主要研究方向为汽车安全气囊气体发生器及主动防护技术。