緩沖氣囊
關注創建者：周旋 創建時間：2018-08-17
緩沖氣囊的實例教程
摘 要: 通過建立車-氣囊非線性有限元模型，選擇緩沖氣囊的排氣孔面積以及排氣孔開啟壓力作為優化變量，將車體沖擊加速度峰值最小作為優化目標，建立二階響應面模型。然后利用遺傳算法進行優化求解。優化前后氣囊緩沖特性的對比結果表明，優化后車體沖擊加速度峰值減小了23.8%，氣囊的緩沖性能有顯著提高。
關鍵詞: 緩沖氣囊 參數優化 有限元模型 響應面 HyperStudy
1 引言
氣囊緩沖技術是裝備空投的著陸緩沖技術之一。相比其他著陸緩沖技術，如可壓縮蜂窩材料和制動火箭等[1]，緩沖氣囊具有結構簡單、使用方便、緩沖效果好以及成本低等優點。緩沖氣囊作為現今空投車輛空投系統的重要組成部分之一，能在空投車輛著陸時吸收大部分沖擊能量，減輕空投車輛在著陸瞬間所受到的沖擊，保護車載儀器和設備。
在傘降系統保證空投車輛著陸速度的前提下，緩沖氣囊需要保證車輛著陸末速度在一定的數值以下，車輛結構上承受的沖擊加速度要小于規定的指標，這就需要通過研究對緩沖氣囊進行緩沖性能的驗證與優化。空投試驗成本高、重復性差、安全性低而且試驗周期長，采用試驗方法作為主要研究手段不切實際。而計算機仿真方法具備其經濟性、靈活性和可重復性的特點，國內外建立了很多緩沖氣囊仿真模型[2,3]，運用仿真技術對緩沖氣囊進行緩沖性能的驗證及優化是可行的。本文以熱力學理論和有限元法為基礎，利用HyperMesh建立車—氣囊系統有限元模型，然后在HyperStudy中通過構建響應面模型對氣囊的參數進行了優化。
2 有限元模型的建立
車-氣囊有限元模型主要由鋁合金車體和氣囊緩沖系統組成，如圖1所示。
車體模型包括裝甲板、炮塔座圈、動力艙隔板、立柱、支座和加強筋等[4]。
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基于現有雙圓柱文獻進行緩沖氣囊的仿真驗證，主要使用的氣囊關鍵字為*AIRBAG_WANG_NEFSKE。復現后的部分結果如下圖所示，擬合曲線接近。
安全氣囊，側氣簾，緩沖氣囊？
幾篇ANSYS和LS-DYNA仿真期刊文章
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我國首次完成這一試驗，未來航天返回器或將不需防熱大底、降落傘
返回器充氣前狀態
基于IRDT技術的返回器，能夠實現承載、減速、防熱一體化設計，可實現自主離軌、返回、著陸，甚至不再需要傳統返回器必需的防熱大底、降落傘、緩沖氣囊及其必需的附屬設備，設計大大簡化。
該技術可應用于空間站及科學試驗衛星試驗品和貨物的快速下行、返回，也能為深空探測器安全著陸提供幫助。
4、氣囊緩沖著陸技術
除了再入減速，氣囊緩沖著陸也是充氣式結構在航天領域應用的一個重要方向。氣囊緩沖著陸技術是通過壓縮氣囊內氣體做功的方式將著陸的動能轉化為勢能，分為封閉式和開口式氣囊技術。封閉式氣囊不會對外漏氣，勢能在彈跳過程中會還原為動能，能量通過內部氣孔方式耗散。這種情況適用于對著陸表面地形了解不清楚、著陸速度具有很大水平分量（風速）的情況，例如火星探路者（MPF）和火星漫游者（MER）。
開口式氣囊在第一次壓縮時就開口釋放氣體，允許一部分能量耗散到周邊大氣中。其特點是氣囊總尺寸小，只需要覆蓋著陸體的一個面，適用于著陸表面地形明確、著陸器不易發生翻滾的情況，例如地球和月球表面。
美國的“獵戶座”載人再入運載工具，采用了開放式充氣緩沖結構：
第一代獵戶座充氣緩沖系統采用對稱8離散嵌套氣囊設計，通過主動冷氣系統充氣。排氣孔采用主動控制開口釋放能量，使著陸器一次性釘在地面。
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緩沖氣囊的最新內容
安全氣囊，側氣簾，緩沖氣囊？
基于現有雙圓柱文獻進行緩沖氣囊的仿真驗證，主要使用的氣囊關鍵字為*AIRBAG_WANG_NEFSKE。
完成5 t級回收體大型群傘+緩沖氣囊空投飛行試驗（圖5）、傘降回收全尺寸箭體尾段結構疲勞試驗，突破“柵格舵+群傘+氣囊”回收總體設計、子級回收大型群傘設計、自吸氣型大型緩沖氣囊、智能掛取系統設計等關鍵技術。
大型群傘+氣囊陸上回收空投試驗驗證
綜上，由于發動機節流深度與國外大推力發動機相比仍存在差距，這制約了中國基于傳統構型的重復使用運載火箭的研發，整體尚處于跟跑 狀態。
3D氣囊的設計，可以按摩頭皮穴位，打造空氣感的梳發體驗。
4、氣囊緩沖著陸技術
除了再入減速，氣囊緩沖著陸也是充氣式結構在航天領域應用的一個重要方向。氣囊緩沖著陸技術是通過壓縮氣囊內氣體做功的方式將著陸的動能轉化為勢能，分為封閉式和開口式氣囊技術。封閉式氣囊不會對外漏氣，勢能在彈跳過程中會還原為動能，能量通過內部氣孔方式耗散。
記者了解到，神舟飛船的著陸反推發動機只能一次性使用，而氣囊緩沖系統經過結構檢查后可以重復使用。此外，為實現返回艙垂掛轉換功能，給氣囊著陸緩沖創造條件，科研團隊采用新型材料研制了耐高溫、耐磨損的高強度垂掛吊索，強度達到神舟飛船垂掛吊索的4倍，但重量只有其60%左右。
研究表明，緩沖氣囊的排氣孔面積和排氣孔開啟壓力是影響氣囊緩沖性能的兩個主要參數。因此本文選取緩沖氣囊的排氣孔面積以及排氣孔開啟壓力作為優化變量進行參數優化。緩沖氣囊參數優化研究旨在通過對緩沖氣囊參數的優化實現氣囊緩沖性能的提升，減小車體在著陸緩沖過程中的沖擊。因此，緩沖氣囊參數的優化目標為使車體的沖擊加速度最大值最小。
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PAMCRASH和RADIOSS是顯式高度非線性分析軟件的代表；LS-DYNA在結構分析方面見長，是汽車碰撞房子（CRASH）和安全性分析（SAFETY）的首選工具；而MS.DYTRAN則在流固耦合分析方面見長，在汽車緩沖氣囊和國防領域應用廣泛。
