缓冲气囊的特征内压.pdf

1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 缓冲气囊的特征内压 1997 10 12收到第1稿 1998 05 11收到修改稿 万志敏 王 莉 谢志民 杜星文 哈尔滨工业大学 哈尔滨 150001 摘要 通过对缓冲气囊的刚度特性与初始内压之间关 系的实验研究 发现能表明气囊刚度在工作行程内由 非稳态转变成稳态的初始内压 将这一有特殊意义的 初始内压命名为 特征内压 本文研究了特征内压的 意义 特征内压与气囊的结构 尺寸以及缓冲特性之间 的关系 关键词 气囊 特征内压 缓冲 1 引 言 气囊是由织物涂胶材料制成的一种可展式充气结 构 充气囊在承受载荷时囊内气体被压缩产生变形 气囊的这种可压缩性被用来吸收运动物体的冲击能 量 同时利用排气装置排除气囊内的气体 使吸收的能 量及时释放 由此使用气囊可以实现缓冲冲击载荷的 目的 由于气囊重量轻 充气前体积小 容易实现小的 减速过载 作为能量衰减系统被广泛用于航空航天回 收工程 1 3 物质设备的空投保护 4 人员应急保护 等领域中 5 气囊缓冲的目的是将由于突然碰撞产生的冲击力 限制在容许的范围内 防止损伤发生 因此 气囊的缓 冲特性是设计和使用者最关注的问题 由于缓冲特性 与结构在载荷作用下的变形有关 所以它主要取决于 气囊的结构刚度 因此在气囊缓冲技术中研究气囊的 刚度特性 无论是对气囊的设计还是使用都是非常重 要的 气囊的刚度主要取决于它内部的气体压力 同 时也与其形状 结构形式 几何尺寸 材料特性相关 以往研究中 气囊初始内压的选择主要依靠经验公式 或通过动态模拟实验 本文研究了气囊的刚度特性与 初始充气压力之间的关系 由实验结果发现 对于某 一特定气囊总是存在一对应的初始内压 该内压可以 用来表征气囊的某一特殊刚度特性 将此命名为 特征 内压 本文中 作者通过实验研究 分析了特征内压 与气囊结构 几何尺寸以及缓冲特性之间的关系 实 验证明 选择特征内压作为气囊的初始内压可得到较 好的缓冲效果 2 实验方法 用于该研究的缓冲气囊分别为矩形和环形 具体 尺寸如表1所示 对应的回收物体模型是由钢板加工 而成的圆柱和圆台形重物 表1 气囊尺寸 mm 环形囊I环形囊II环形囊III矩形囊 囊 高H320280200300 外 径D160014001000 内 径d320280200 全 长L1500 囊 宽B600 将气囊和重物作为一个系统分别进行了静态和动 态实验研究 静态实验主要是研究在静压缩载荷作用 下气囊变形的一般规律及影响因素 压缩刚度的表征 方法 建立气囊的刚度特性与初始压力之间的关系 动态实验以投放实验为主 即系统的自由落体实 验 模拟回收物体的实际着陆过程 分析特征内压与缓 冲特性之间的关系 为进行实验研究 自行建立了气 囊的静态压缩和动态投放实验装置和测试系统 采用 自行研制的可变电阻 电压变形测量系统解决了气囊 大变形测量的难题 实现了气囊静压缩变形的全程测 量 动态实验装置主要由刚性支架和一套由光控开 关 电磁离合 机械脱构装置组成的光 电 机控制系 统组成 可实现将重物和气囊提升至预定高度然后快 速释放 以实现不同的着陆速度 实验装置示意图如 图1所示 静态测试系统和动态信号采集和存储系统 框图分别如图2 图3所示 图1 动态实验装置示意图 81力 学 与 实 践 1998年 第20卷 1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 图2 静态测试系统框图 图3 动态数据采集系统工作框图 3 实验结果及分析 3 1 气囊的载荷 位移曲线和气囊刚度 图4给出了矩形和环形气囊在静压缩载荷下不同 初始内压时的载荷 位移曲线 实验结果表明 对应不 同的初始内压 气囊的载荷 位移曲线不同 图4 气囊在不同初始内压时的载荷 位移曲线 曲线旁注数字单位为MPa 当初始内压较低时 曲线偏向位移轴 初始阶段斜 率较小而后以较高的速率增加 随内压增加曲线偏向 载荷轴 斜率变化趋于常值 也就是说气囊的载荷 位移关系当初始内压小于某值时是非线性的 当初始 内压等于或大于某值时它们则是线性的 为建立气囊 刚度与初始内压之间的联系 用载荷 位移曲线的切 线模量表征气囊刚度 则刚度定义为K dF dx 式中的 F x分别为近似平均载荷和近似平均位移 若将位 移x取为定值 则为定位移刚度k dF dx x x 3 我们 将气囊的刚度用定位移刚度表示 它反映了在给定变 形范围内气囊的平均受力情况 3 2气囊的特征内压 由气囊的刚度定义可得到位移x 3 5 cm时 气 囊刚度随初始内压的变化曲线 如图5所示 图5 气囊刚度随初始内压变化的曲线 由图可见 在不同气囊的刚度 初始内压曲线上 都存在一极值点C 该点C将刚度变化分为两个阶 段 在C点左边气囊刚度随初始内压增大而减小 C 点右边则随初始内压增大而增大 进一步分析表明 C点左边刚度对应于气囊非线性的载荷 位移关系 而当初始内压增加到某一特定值 即曲线上C点对应 的初始内压时 载荷 位移关系变成线性的 显然 C 点对应的气囊内压Pc是气囊的载荷 位移关系从非线 性转化成线性的特殊内压 它表明气囊的刚度由非稳 态变成稳态 将这具有特殊意义的初始内压定义并命 91第6期 万志敏等 缓冲气囊的特征内压 1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 名为 特征内压 用Pc表示 特征内压是在大量实验 基础上发现和定义的 是缓冲气囊特有的参数 可用来 表征气囊的刚度特性 它的定义可为缓冲气囊的设 计 参数选择 结构优化提供基本理论依据 特征内压 Pc值的大小主要取决于气囊的尺寸 气囊尺寸越大 特 征内压值越小 同时它也与气囊的结构形式有关 可 由静压缩实验确定 3 3 特征内压与气囊缓冲特性 气囊缓冲的基本原理是依靠气囊在压缩载荷下的 变形吸收冲击能量 因此缓冲特性主要取决于气囊的 变形特性 即气囊的刚度 刚度过小 将造成气囊高度 增加或剩余高度不足 刚度过大 回收物体易出现反 弹和不允许的二次冲击 由上述分析可知 当气囊的结 构确定后 气囊刚度的大小完全由囊内气体的压力亦 称初始内压决定 可见气囊的初始内压与缓冲特性密 切相关 是气囊缓冲时的关键参数 为研究初始内压与缓冲特性关系 本文对不同初 始内压的气囊和回收物体进行动态投放试验 并测量 用以表征缓冲特性的最大过载值 或峰值负速度 以及 着陆状态 图6给出了同一着陆速度下气囊初始内压 与重物峰值负加速度的关系 由图可见 峰值负加速度 随初始内压增加呈减小的趋势 当初始内压达到特征 内压Pc后 加速度的变化趋于平缓 但初始内压大于 特征内压后 回收物体易出现反弹和二次冲击 如图7 所示 这是缓冲时应避免出现的现象 由此可知 选择 特征内压作为气囊的初始内压 即能较好地控制冲击 过载 同时又可避免出现不允许的二次冲击 图6 不同初压的负加速度 时间曲线 图7 具有二次冲击的减加速度曲线 4 结 论 通过对气囊的初始内压与刚度之间关系的研究 发现了能表征气囊刚度由非稳态过渡到稳态的重要特 征参量 将其命名为 特征内压 特征内压是气囊结 构设计和参数确定的重要依据 是其结构的重要特征 值 改变气囊的几何尺寸 结构形式 特征内压的大小 随之改变 由静态实验得到气囊的特征内压Pc作为气 囊在缓冲冲击载荷时的初始内压 可得到较好的缓冲 效果 参 考 文 献 1 Hamrick BR Childers GC Final test report for the MQM 34D air bag ground drop impact test Teledyne Ryon Aeronau2 tical Report No 29242 1 October 1973 2 Macha JM Johnson DW Mcbrige DD Critical soft landing technology issues for U S space missions NASA Report CR 185673 January 1992 3 Stimler FJ A loading prediction technique for designing impact bag systems with predictable performance AIAA paper No 75 1378 November 1975 4 Patterson TF Design fabrication and testing of an airdrop platform utilizing airbag as shock absorbers AD Report No A199593 September 1987 5 McMullen TH Evolution of B 1 crew escape system AIAA paper presented at AIAA Aerodynamic Deceleration Systems Conference Palm Springs CA A73 31426 May 1973 CHARACTERISTIC PRESSURE OF AIRBAG WAN Zhimin WANGLi XIE Zhimin DU Xingwen Harbin Institute of Technology Harbin 150001 China Abstract In this paper a special pressure level named characteristic pressure at which the stiffnessof the airbag is changed from linear to non linear one was found through experiment investigation on the relationship be2 tween the initial pressu