气囊展开及其与环境相互作用计算技术研究

摘要

气囊展开是一个非常复杂的过程，涉及到气体流动，柔性材料的非线性大变形、大转动，流固耦合以及气囊与外部环境间的相互作用。研究气囊展开问题，对揭示其缓冲机理，评估其作业过程中的安全性，具有非常重要的工程意义。
　　在气囊的研发过程中，与耗资大、周期长的物理实验相比，数值实验具有成本低、效率高、灵活性好等优点得到研究者的青睐。人们不断完善和开发各类气囊数值模型来提高模拟的精度。而影响计算精度的主要因素包括气体模型的表达，柔性材料大变形、大转动的处理，气囊网格初始状态的建立以及环境结构的响应等几个方面。本文针对以上因素应用任意拉格朗日欧拉方法(ALE)对各个环节进行了数值分析，具体内容包括:
　　1.在ALE方法中引入气源模型，精确定义了气体发生器出气孔的位置、面积及气体流动方向，能够详细地描述气体的流动，为气囊进一步在展开、冲击计算中的精确求解奠定了基础。目前，充气的数值模型主要分为两种。一种是从热力学方程出发，将求解的气体压力加载在气囊表面计算其展开，即均匀压力模型，这种充气模型无法模拟真实的气体流动;另一种是压力流入模型，它应用了任意拉格朗日欧拉(ALE)方法模拟气体流动，较均匀压力模型有很大提高，但它简化了气体发生器的模型，只能计算单一气体的流入，同时忽略了气体发生器排气孔的喷射特性及气体的初始流动方向。
　　2.气囊的有限元建模是提高模拟精度的一个重要环节。对于初始展平的气囊模型可以直接按照其几何构建对应的有限元模型。而初始状态复杂、褶皱的气囊，通常的做法是对模型进行简化，这种简化使计算偏离试验状态，计算准确性大大降低。本文结合气囊展开试验的初始下垂、褶皱状态，以气囊三维设计展开形状为基础，应用基于动力松弛法的计算手段反向还原了气囊在重力作用下下垂的有限元初始网格。与试验的对比表明良好的初始网格可以获得与试验高度一致的展开形状、气体压力、冲击力。在此基础上，结合试验设计法(DOE)对影响气囊展开效能的因素进行了方差分析(ANOVA)，给出了影响压力峰值及峰值时间的显著性因素。
　　3.对气囊作业过程的模拟在保证气囊高精度计算的同时还需要准确描述外部环境的状态。热塑性气囊盒在气囊展开过程中受冲击载荷作用发生破坏，其材料失效参数的确定是正确求解的关键所在。静拉伸试验无法反应材料受冲击时的复杂响应，文中通过不同加载速率的拉伸试验获得了热塑性材料应变率相关的材料属性。进一步以冲击试验数据作为样本空间，失效参数作为自变量，计算值作为响应值，二者间的均方差为目标函数，应用参数识别方法反向获取了材料的失效参数，并通过补充试验进行了验证，解决了热塑性材料断裂的求解问题。
　　4.封闭空间内，柔性材料在固壁及动边界条件下的大变形响应及边界的运动是求解的难点。通过气囊技术的引入并结合非线性动力学的计算，求解了柔性材料在气体压缩/膨胀阶段的高频动力学响应。文中就液压蓄能器隔膜破坏的算例进行了求解，通过应用控制体积法结合脉动载荷的加载计算了柔性面在交变动载作用下的力学响应。分析表明橡胶隔膜在动载下的残余应变引起了局部褶皱和应力集中，通过减小隔膜的表面积可有效改善其工作中的应力水平。此外，多级航行体的级间冷分离是利用高压气体推动前后两级使之分离，属于柔性材料在动边界条件下的展开。分离过程中涉及到前后两级的运动、柔性织物的运动及二者之间的耦合。常规分析方法仅考虑了前后级在压力作用下运动的理想模型，忽略了织物材料在分离过程中摩擦、溢出等因素的影响。文中，级间的压力腔可视为气囊模型，结合控制体积方法求解了气囊的展开及前后级的运动，得到了前后级分离过程中的运动特点。
　　5.气囊在作业环境复杂，除常见的结构环境外还有高压气体、水环境等。气囊在水环境中的缓冲变形包含了气、夜、固三相间的耦合，使得此类问题变得非常复杂。本文将气囊技术及ALE方法对大变形问题的适用性有机地结合起来，通过数值模拟对飞机水面降落气囊缓冲问题进行了分析，给出了气囊及连接部的载荷特点，为气囊及局部连接强度的设计提供了重要参考。

目录

声明

摘要

主要符号表

1 绪论

1．1 问题提出与研究意义

1．2 国内外相关研究进展

1．3 显式动力分析理论研究

1．3．1 动力学基本方程

1．3．2 非线性接触理论

1．4 本文主要研究思路与内容

2 气囊展开数值模拟的理论研究

2．1 控制体积方法

2．2 基于ALE方法的气囊计算

2．2．1 ALE方法描述

2．2．2 ALE方法的控制方程

3 无限空间气囊自由展开动力学研究

3．1 引言

3．2 气体发生器充气流动特性研究

3．3 无折叠气囊的展开研究

3．3．1 无折叠气囊展开试验研究

3．3．2 无折叠气囊展开的数值计算

3．3．3 气囊动力松弛方法的反向建模

3．3．4 无折叠气囊展开冲击计算

3．4 气囊展开的参数分析

3．5 折叠气囊的建模及计算

3．6 小结

4 有限空间内气囊展开动力学研究

4．1 引言

4．2 气囊盒撕裂线的破坏

4．2．1 应变率相关材料模型

4．2．2 带撕裂线PP试件模型研究

4．2．3 聚丙烯塑料失效的参数识别

4．2．4 计算结果验证

4．2．5 小结

4．3 塑料间熔接强度研究

4．3．1 试件加工

4．3．2 实验方法

4．3．3 实验结果分析

4．3．4 熔接强度的数值研究

4．4 气囊盒冲击试验研究

4．5 气囊与气囊盒的耦合研究

4．6 气囊的破坏及优化研究

4．6．1 材料模型

4．6．2 蓄能器气囊数值模型

4．6．3 计算结果及分析

4．6．4 小结

4．7 压力助推分离技术的气囊模拟

4．8 小结

5 气囊与外部水面相互作用研究

5．1 引言

5．2 气囊水面着陆缓冲数值研究

5．3 小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 创新点

6．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介