混合式氣體發生器用爆破膜爆破壓力分析

張印明，劉柳，姚俊

湖北航天化學技術研究所，湖北襄陽 441003

混合式氣體發生器廣泛應用于汽車安全氣囊系統、直升機安全氣囊系統、潛艇抗沉、坦克抗沉、深海打撈等［1-4］。與傳統的煙火式氣體發生器相比，具有啟動時間短、氣體溫度低、無殘渣等優點，是氣體發生器的發展方向。目前我國氣體發生器產品全部為煙火式氣體發生器，還沒有自主研發的混合式氣體發生器產品。爆破膜工藝是混合式氣體發生器的關鍵技術之一，對發生器結構、性能、一致性、可靠性有著重要影響，文中以爆破膜爆破壓力為主要研究對象，理論分析與實驗相結合研究爆破壓力的影響因素，以期為混合式氣體發生器產品研發和產業發展提供技術支持和理論指導。

1 理論推導與分析

混合式氣體發生器一般常見結構［5-8］由電爆管、產氣藥、壓力罐體、爆破膜、接頭等零部件組成。其工作原理為信號電流點燃電爆管，產生的熱量點燃產氣藥劑，燃燒產生高溫高壓氣體與罐體原有高壓氣體混合，罐體內壓力急劇升高，超過爆破膜的破裂壓力，爆破膜破裂，高壓氣體通過排氣孔沖出壓力罐，進入氣囊。圖1為混合式氣體發生器結構和原理示意圖。

圖1 混合式氣體發生器結構與原理示意圖

針對混合式氣體發生器的關鍵技術之一:爆破膜破裂壓力的一致性，設計了如圖2(a)所示的實驗結構，來模擬爆破膜的工作過程，圖中序號1為爆破膜，序號2為接頭。對爆破膜施加均勻壓力P，受力如圖2(b)所示。受力前，爆破膜各處的厚度均為原始厚度S0，呈球形的膜片厚度由原先的S0減薄為S，球冠高H，半徑為R，壓力釋放口直徑為D。

圖2 爆破膜受力圖

推導前作幾點假設［9］:1)爆破膜變形后呈球形;2)爆破膜厚度均勻減薄，膜片中各點應力相等;3)爆破膜變形后體積不變。

變形前爆破膜體積:

變形后爆破膜體積:

根據假設3)爆破膜變形后體積不變，有V0=V，化簡后得

而由旋轉薄殼的應力計算式有

式中:ρ1為第一曲率半徑，mm;ρ2為第二曲率半徑，mm;σm為徑向應力，MPa;σq為環向應力，MPa。對于球殼ρ1=ρ2=R，σm=σq=σ，故可得

設爆破膜的爆破壓力為Pb，爆破膜的抗拉強度為σb，代入得

圖3所示為三維尺寸分別是a、b、L的矩形受力單元。

圖3 爆破膜三維受力單元

受單軸向拉力N的作用直至斷裂，在斷裂瞬間的長度由L增至L1，即L1=L(1+δ)，在另外a和b的方向2個尺寸的相對減少率是相同的，均等于μ。根據假設3)有

式(9)表明，爆破膜破裂壓力與材料的抗拉強度成正比，與爆破膜原始厚度成正比，與釋放口直徑成反比，而與破裂時的延伸率成非線性關系，見圖4。

圖4 延伸率δ與K值關系示意

應用SolidWorks COSMOSXpress軟件對爆破膜進行應力分析和位移分析。分析結果見圖5，從SolidWorks COSMOSXpress分析圖中可以看出，應力最大位置和位移最大位置同時出現的部位位于爆破膜中心頂部直徑方向1/3的球冠區域，是斷裂破裂首先發生區域。

圖5 SolidWorks COSMOSXpress分析

表1 實驗數據

2 實驗

方案:序號1爆破膜厚度為0.30 mm，材料為inconel600，形狀為直徑21.5 mm的平面圓片狀;序號2接頭材料為20#鋼。將兩件用激光焊接為如圖6所示結構，進行油壓實驗。

圖6 爆破膜實驗

根據圖6所示結構焊接所需試驗樣件，焊接工藝參數［10-12］如下:激光焊接設備型號:HG5000;激光功率:1100 W;焊接速度:16～17 r/min;保護氣體:氬氣0.1 MPa;實驗溫度:10～20℃;壓力表:量程60 MPa，精度 0.5 MPa，已標定;焊縫內圓直徑均為17～18 mm。油壓實驗數據如表1所示，破裂狀態如圖7所示。

圖7 爆破膜實驗

爆破膜破裂壓力均值44.25 MPa，實驗獲得了較好的一致性。爆破膜在承受壓力載荷后，膜片中產生拉伸應力，因其膜片為非均勻減薄，在中心拱頂部位水平最高，故此最終爆破膜在頂部中間位置首先破裂。爆破膜油壓試驗證明了這一點，同時也驗證了SolidWorks COSMOSXpress分析的正確性。

理論分析推導是在三點假設條件的前提下做出的。在實驗中，受材料的抗拉強度和延伸率穩定性影響，實驗數據與理論公式有一定的差異，理論公式:Pb=8S0σbK/D經過一定的修正系數，還是可以與實驗完全一致的。

3 結束語

本文對混合式氣體發生器用爆破膜爆破壓力進行了深入分析和研究，取得了一定的成果:1)理論推導了混合式氣體發生器用爆破膜爆破壓力的力學模型;2)理論分析了爆破膜的破裂位置并實驗驗證了理論分析的正確性;3)分析了混合式氣體發生器用爆破膜爆破壓力的影響因素。然而還有進一步的研究工作:例如進行大量實驗研究確定修正系數等。本文的研究工作對提高我國混合式氣體發生器技術水平有一定的參考借鑒價值。

［1］ROSE J M.Airbag inflator with adaptive valve:USA，US7878535［P］.2011-02-01.

［2］SMITH B W.Hybrid inflator with extended filling capability:USA，US7533900［P］.2009-05-19.

［3］QUIMPER L C.Hybrid type gas generator containing a metal charge:USA，US7735861［P］.2010-06-15.

［4］DIGANGI J S.Pressure wave gas generator:USA，US7393008［P］.2008-07-01.

［5］KOBRI Y.Safety device for vehicle passengers:USA，US3450414［P］.1966-10-21.

［6］YANO K.Inflator and airbag apparatus:USA，US7360788［P］.2008-04-22.

［7］JOMURA H.Inflator:USA，US7246818［P］.2007-7-24.

［8］KITAYAMA K.Hybrid inflator:USA，US7942990［P］.2011-5-17.

［9］沈宏，李育敏，沈紹傳.防爆材料的塑性對爆破壓力精度影響［J］.石油化工設備，2004，33(1):405-409.

［10］陳祝年.焊接工程師手冊［M］.北京:機械工業出版社，2004:85-120.

［11］李亞江.特種焊接技術及應用［M］.北京:化工工業出版社，2009:16-42.

［12］姚俊，羅運強，張銀銀.安全氣囊氣體發生器激光焊接工藝研究［C］//四院民品論文集.西安，2012:249-254.