高原空投自充氣式緩沖氣囊排氣口面積匹配方法

李建陽

(航天工程大學 士官學校， 北京 102249)

裝備空投是空降兵遂行空降作戰武器、彈藥、車輛、裝備等后繼補給的主要方式，它對空降兵實施縱深布置兵力、突破敵方防線有著關鍵性的作用，在應對西南邊境緊急情況時能夠起到極為重要的作用[1]。現有某重型裝備配套的緩沖裝置采用的是自充氣式氣囊，它是利用緩沖系統的自重實現氣囊的展開，并利用外界大氣對其充氣，與高壓充氣式氣囊相比具有結構簡單、使用方便和工作可靠的特點。然而該裝備在西南邊境高原空投時易出現沖擊過大甚至傾覆的現象，這是由于高原空投時，自充氣式氣囊受大氣密度、大氣壓強等環境因素的影響，氣囊緩沖性能劣化嚴重[2]。排氣口面積匹配問題是排氣式氣囊設計的關鍵問題之一，其設計目標是限制沖擊過載在預定的范圍之內，且要使得裝備不容易發生大反彈或翻滾[3-4]。國內外學者通過理論分析、試驗和仿真的手段研究了排氣口面積對氣囊緩沖性能的影響[5-7]。研究結果表明，排氣口面積是決定緩沖性能的主要因素之一。尹漢峰和馬常亮對緩沖氣囊的排氣口面積進行優化設計，通過仿真手段尋找氣囊排氣口面積的最優值，為氣囊設計提供指導[8-9]。基于此，本文提出通過改變氣囊排氣口面積的方法來提高自充氣式氣囊高原空投時的緩沖性能。氣囊排氣口面積的匹配可以通過高原環境下的跌落試驗進行驗證，但是不同海拔高度的跌落試驗組織難度較大，需要耗費巨大的人力和物力。隨著有限元理論和計算機技術的發展，使得有限元仿真在眾多工程領域中得到了越來越廣泛的應用，衣敬強[10]采用有限元方法成功模擬了高原空投緩沖過程。本文采用非線性有限元模擬某重型裝備高原空投緩沖過程，通過建立海拔高度、排氣口面積與著陸沖擊過載的響應面，對不同海拔高度下氣囊排氣口面積進行匹配，本文的研究可以為高原空投試驗提供指導從而減少試驗成本。

1 某重型裝備-自充氣式氣囊系統有限元模型

1.1 裝備結構模型

某重型裝備結構三維實體模型的主要結構元件有裝甲板、艙門、炮塔座圈以及車體內部的支承支座、加強筋和動力艙隔板等。裝備結構模型中還包括大量的非承載部件，這些部件對其結構變形及應力的影響很小，因此在建立裝備結構有限元模型時，需要對其結構進行適當的簡化：去除細小結構特征，如小圓倒角、小孔、臺肩和翻邊等；忽略非承載件，如門、窗和內部掛飾等；炮塔、變速箱等這類的質量較大卻又不承載的部件，可以采用質量點的形式來代替，減小結構的復雜性。

有限元前處理時一般采用殼單元模擬裝甲板，實體結構(炮塔座圈、平衡肘支座等)采用體單元進行網格劃分。根據裝備結構特征選用梁單元、三角形單元、四邊形單元、五面體單元、六面體單元等等。殼單元主要采用四邊形單元，允許過渡區域出現三角形單元。體單元中主要使用六面體單元，允許過渡區域出現五面體單元。綜合考慮模型精度和計算時間成本，確定車體模型的網格尺寸為20 mm，離散后的該裝備有限元模型如圖1所示。

1.2 自充氣式氣囊系統有限元模型

某重型裝備空投系統使用的氣囊系統結構如圖2所示，它是由8個完全相同的獨立式氣囊組成并通過支架與裝備底部連接。每個獨立的氣囊是由主氣囊和輔氣囊組成的，二者的氣囊壁上有一通氣孔以保證兩氣囊之間氣體流通。氣囊由內外兩層織物組成，內層織物不透氣或者透氣量小，通常采用熱合的方式以保證氣密性，防止氣囊受壓縮時氣體從氣囊壁流出；氣囊外層是由強度較高的織物制成，并縫有加強帶用于保證氣囊能夠承受足夠大的壓力，通常還要求氣囊外層織物具備一定的耐磨程度。

氣囊設有進氣口和排氣口，進氣口位于主氣囊底部，當空投系統下落時，氣囊通過自身重力張開，外界空氣通過底部進氣口充滿氣囊。氣囊排氣口位于輔氣囊外側面，系統緩沖之前排氣口是由尼龍粘扣封閉，當氣囊內外壓差超過排氣口開啟壓力時，氣囊內氣體沖開尼龍粘扣并高速排出氣囊，消耗系統的動能，起到減緩沖擊的作用。采用殼單元對氣囊進行網格劃分，網格尺寸大小為30 mm，經前處理后的自充氣式氣囊系統有限元模型如圖1所示。

圖1 裝備-自充氣式氣囊系統有限元模型

1.3 裝備-自充氣式氣囊系統有限元模型

最后將離散后的裝備有限元模型和氣囊系統有限元模型組合成裝備-自充氣式氣囊系統有限元模型，如圖1所示，模型總單元數214 099，總節點數219 036。

1.4 接觸類型的選擇

接觸問題是氣囊著陸緩沖動力學有限元分析時的重點和難點。在裝備與氣囊、氣囊與地面、氣囊自身的接觸和碰撞中，接觸界面及接觸狀態事先是不確定的且在氣囊壓縮過程中是不斷變化的，接觸力與氣囊內壓和氣囊形狀等因素有關，也就是說接觸力與氣囊是相互耦合的。在載荷與氣囊的接觸問題中同時伴隨著結構的大變形和材料的非線性行為，這就使得氣囊緩沖過程中的接觸力分析更加困難。

有限元計算接觸力的方法是將兩碰撞物體獨立出來，通過位移協調條件和動量方程求解接觸力。假設有物體A和B，它們對應的結構記為QA和QB，邊界表示為TA和TB。QC=QA+QB為A和B域的組合，TC=TA+TB表示兩個物體邊界的組合(圖2)。

圖2 接觸面示意圖

假設A和B分別為主體和從體，A與B接觸的非嵌入條件可用下式表示：

TC=TA∩TB

(1)

每一時間步，通過對比QC面上主體A和從體B對應節點的坐標來實現位移協調條件：

(2)

或者通過對比對應節點的速率來實現位移協調條件：

(3)

式中N表示接觸界面的法向。

在非線性有限元軟件中主要用動態約束法、罰函數法和分布參數法來處理接觸碰撞、滑移界面。其中罰函數法是最常用的算法。罰函數法的基本原理是：在每一時間步的計算中，首先檢查各從節點與主面的相對位置，如果從節點沒有穿透主面就不做處理，如果從節點穿透主面，則在二者之間施加一個接觸力，力的大小與穿透的深度、主面的剛度成正比。

2 高原環境對自充氣式氣囊緩沖性能的影響

我國幅員遼闊、地形多變，海拔2 000 m以上的高原地區占國土面積的1/3，數千公里的西南邊境也處在高海拔地區。研究如何提高該重型裝備在高原環境條件下的適應能力對我軍適應未來不同作戰地域、不同作戰空間和作戰環境條件具有深遠的意義。

以海拔4 500 m的高原地區為例，平均氣壓P4 500=57 715 Pa，約為標準大氣壓的0.57倍，平均空氣密度ρ4 500=0.776 95 kg/m3，約為標準大氣的0.63倍。所以，相對于平原地區，高原空投有其獨特的特點。對于以空氣作為工作介質的降落傘和自充氣式氣囊，高原條件下其減速和緩沖性能嚴重劣化。由裝備試驗部門的總結情況來看，高原條件空投表現為：開傘動載大、下降速度快，容易出現沖擊過載大甚至裝備傾覆現象，損壞空投系統和裝備。

以五道梁地區(海拔4 500 m)的高原空投為算例，采用非線性有限元模擬氣囊跌落緩沖過程，通過高原與平原環境條件下的氣囊緩沖性能對比，分析高原環境因素對自充氣式氣囊緩沖特性的影響。圖3給出了平原和高原環境跌落仿真過程的幾個瞬間。

圖3(a)、圖3(c)、圖3(e)、圖3(g)為平原環境下4個時刻的跌落仿真瞬間，圖3(b)、圖3 (d)、圖3 (f)、圖3 (h)為高原環境下4個時刻的跌落仿真瞬間。其中0 ms是跌落仿真開始時刻；83 ms是平原環境下裝備沖擊加速度達到第1個峰值時刻；108 ms是高原環境下裝備沖擊加速度達到峰值的時刻，即裝備觸地時刻；166 ms是平原環境下裝備沖擊加速度達到第2個峰值的時刻，即裝備觸地時刻。圖4給出了平原和高原環境跌落仿真結果。

從圖3、圖4的仿真結果對比可以看出：氣囊緩沖過程可以分為氣囊緩沖、裝備觸地和反彈3個階段：氣囊緩沖階段，裝備下落壓縮氣囊，氣囊內氣體排出速度小于裝備壓縮氣囊的速度，裝備的沖擊加速度逐漸變大，達到第1個峰值(5.6g)；裝備觸地階段，如圖3(f)、圖3(g)所示，此時平原環境下裝備繼續壓縮氣囊，但是氣囊排氣速度大于裝備壓縮氣囊的速度，沖擊加速度先出現下降，當裝備接近地面最終于地面碰撞時，沖擊加速度達到第2個峰值(7.4g)。高原環境下由于第1階段氣囊的緩沖不足，此時裝備速度仍然較大，所以高原環境下仿真試驗的觸地沖擊提前到來，且峰值高達39g；反彈階段，即裝備觸地后速度迅速降為零而后出現反彈。從圖中可以看出，高原環境著陸時裝備反彈速度更大。

從有限元仿真的分析可以得出，在高原環境下自充氣式氣囊由于空氣密度和大氣壓力的差異，導致氣囊緩沖性能劣化，沖擊過載峰值變大，反彈更明顯。

圖3 平原和高原環境跌落仿真過程

圖4 平原和高原環境跌落試驗仿真結果

3 排氣口面積的匹配方法

研究表明：為使自充氣式氣囊系統適應于不同海拔高度環境下的空投著陸，可采用調整氣囊排氣口面積的方法，使得高原環境下氣囊排氣速度減慢，提高氣囊緩沖效能的目的。

以海拔高度和氣囊排氣口面積系數為設計變量，海拔高度分成4個水平(0 m、1 500 m、3 000 m、4 500 m)，排氣口面積系數是指改變后的氣囊排氣口面積與原始排氣口面積的比值，該系數分成6個水平，采用全因子試驗設計的方法確定試驗方案。以著陸緩沖過程裝備質心的最大著陸過載為目標函數，利用非線性有限元方法模擬空投著陸緩沖過程，計算出試驗設計方案對應的目標響應，如表1所示。

表1 試驗方案及其目標響應

采用移動最小二乘法構建海拔高度、排氣口面積系數與目標響應的響應面，如圖5所示。圖6給出了不同海拔高度的最大著陸過載曲線。

圖5 海拔高度、排氣口面積系數與目標響應的響應面

圖6 最大著陸過載與排氣口面積系數的關系

從表1、圖5、圖6可以得出：

1) 為減小最大著陸過載，海拔0 m、1 500 m、3 000 m和4 500 m時，需調整排氣口面積分別為0.93倍、0.81倍、0.68倍和0.53倍。

2) 在調整排氣口面積的同時會在一定程度上提高緩沖氣囊的最大內壓，高原空投時需確保氣囊織物材料的強度滿足要求，以免出現氣囊由于壓力過大造成破壞。

除了可以利用上述響應面進行優選排氣口面積外，該響應面還可用于預測設計變量空間內任意一個海拔高度、排氣口面積系數對應的最大著陸過載，而無需利用有限元程序進行重新計算，從而節約了計算成本。

4 結論

本文建立了裝備-自充氣式氣囊系統有限元模型，通過有限元計算不同海拔高度條件下的緩沖性能，提出了通過調整排氣口大小的方式來適應高原空投，通過計算建立了沖擊過載與海拔高度、排氣口面積系數的響應面模型，利用該模型可預測出不同海拔高度、排氣口面積對應的最大沖擊過載。提出的方法思路簡單，易于通過計算機實現，具有一般性。排氣口面積匹配設計結果可以為高原空投試驗及緩沖氣囊的改進提供指導。