汽车安全气囊爆炸威力的确定方法_陈武争.pdf

 振动与冲击 第 39 卷第 2 期JOURNAL OF VIBRATION AND SHOCKVol． 39 No． 2 2020 基金项目上港集团科技创新项目 17KZ- 03B- 13Z ; 国家优秀青年科学 基金 51622812 ; 复杂作用下钢管超高性能混凝土力学性能及设计 计算理论研究 51738011 收稿日期2018 －08 －07修改稿收到日期2018 －09 －29 第一作者 陈武争 男， 工程师， 1986 年生 通信作者 陈大鹏 男， 讲师， 1988 年生 汽车安全气囊爆炸威力的确定方法 陈武争1， 2，陈大鹏2，陈力2，方秦2 1． 上海中交水运设计研究有限公司，上海200092; 2． 陆军工程大学爆炸冲击防灾减灾国家重点实验室，南京 210014 摘要安全气囊是一种汽车被动安全性保护系统， 其中充填的化学物质能在车辆撞击事故中瞬间引爆并释放大 量气体。安全气囊在制造、 集中运输、 集中存储、 使用过程中经常发生意外爆炸事故， 造成人员伤亡和设施破坏。为了准 确计算汽车安全气囊的爆炸威力， 基于典型气囊气体发生器的化学组成和爆热能量相似理论， 提出了汽车安全气囊爆炸 等效 TNT 当量的一种理论确定方法。结合安全气囊的三种爆炸反应方程式， 确定了三种小型汽车典型安全气囊的等效 TNT 当量分别为 32． 6 g， 37． 3 g 和31． 6 g， 平均 TNT 当量为33． 8 g。基于计算结果， 建立了等效的安全气囊爆炸有限元模 型， 通过将有限元计算结果与已有安全气囊爆炸试验结果进行对比分析， 验证了该计算方法的可靠性和计算结果的准 确性。 关键词安全气囊; 叠氮化钠; 爆热; 等效 TNT 当量 中图分类号U463． 99文献标志码ADOI 10． 13465/j． cnki． jvs． 2020． 02． 023 to determine the explosion power of an automobile airbag CHEN Wuzheng1， 2，CHEN Dapeng2，CHEN Li2，FANG Qin2 1． Shanghai Communications Water Transportation Design and Research Co． ，Ltd． ，Shanghai 200092， China; 2． State Key Laboratory of Disaster Prevention ＆ Mitigation of Explosion ＆ Impact，Army Engineering University of PLA，Nanjing 210014， China Abstract An airbag is a passive protection system for automobiles，in which chemical substance was filled． It can be detonated when the vehicle collision accident takes place，and a large amount of gas would be released simultaneously． However，unexpected accidental explosions often take place in the process of manufacturing，transporting，storing，and using of airbags， resulting in casualties and destruction of facilities． To calculate the explosion power of automobile airbags accurately，a theoretical calculation was proposed to determine the TNT equivalence of a typical vehicle airbag， on the basis of the chemical composition of a typical gas generator and the similarity theory of the explosion heat energy． By virtue of the three explosion reaction equations of airbags，the TNT equivalence of typical airbags were determined to be 33． 6 g， 37． 3 g and 31． 6 g respectively，and the average TNT equivalence was 33． 8 g． An equivalent FE model for airbag explosion was also developed in the LS- DYNA． The reliability and accuracy of the proposed theoretical calculation was verified by comparing the results of FE model with the existing test results of airbag explosion． Key wordsairbag;NaN3;explosion heat; TNT equivalence 安全气囊是一种配合安全带使用的辅助乘客安全 的保护设备， 主要由气囊袋， 传感器、 气体发生器和点 火器等组成。传感器接到冲击信号后会引燃气体发生 剂， 产生大量气体， 经过滤并冷却后进入气囊， 使气囊 在极短的时间内突破衬垫迅速展开， 在驾驶员或乘员 的前部形成弹性气垫， 并及时泄漏、 收缩， 吸收冲击能 量， 从而有效地保护人体头部和胸部， 使之免于伤害或 减轻伤害程度 ［1 ］。迄今为止， 安全气囊已经将汽车正面 相撞致死的风险降低了30， 成为了汽车被动安全系统 的重要组成部分。然而， 安全气囊内包含产药剂、 无烟火 药、 电子信号装置等， 属于 1 类危险品 ［ 2 ］， 在制造、 运输、 存储、 使用过程中经常发生意外爆炸事故， 造成人员伤亡 和设施破坏。在集中堆放的危险化学品仓库或堆场， 安 全气囊通常也被防爆墙单独隔离存储。因此， 为了进行 汽车安全气囊的性能评估， 也为了方便气囊爆炸防护设 计， 准确标定安全气囊的爆炸威力十分必要。 国内外已有一些学者开展了相关研究工作。王艳 军 ［3 ］研制出一套测试气囊气体发生器产气性能的装 置， 并将气体发生器置于装置内进行静态起爆试验， 通 ChaoXing 过分析装置内压力等参数来检测气体发生器的爆炸威 力。葛如海等 ［4 ］基于 MADYMO 软件的 Gas Flow 流体 计算方法， 分析了不同参数对人体模型各部位损伤的 影响及灵敏度。结果表明， 对乘员伤害影响比较敏感 的参数依次为气体发生器峰值压力、 气袋体积等。屈 丰等 ［5 ］通过密闭爆炸容器内的爆炸试验， 测试分析了 不同气压和爆炸反应物下， 气体发生器的燃烧速度和 气体生成时的性能变化， 为气体发生器性能的改进与 提升提供了理论依据。白中浩等 ［6 ］分析了不同气体发 生器作用下气囊的展开性能， 提出了一种基于压缩空 气的气囊起爆模拟试验装置， 并通过两种气体发生器 试验与气囊起爆的模拟试验进行了试验装置的验证。 Seo 等 ［7 ］介绍了气体发生器的发展过程， 对不同成分的 新型气体发生器进行了密闭空间内的爆炸试验与有限 元分析对比， 通过压力曲线等测试分析了不同成分的 气体发生器的性能变化。Schmitt 等 ［8 ］针对一种不含叠 氮化物的新型气体发生器开展了理论和数值模拟研 究。该气体发生器主要由偶氮二甲酰胺 azodic ar- bonamide 、 高氯酸钾 potassium perchlorate 和氧化铜 cupric oxide 等组成。通过模拟气囊的压力、 温度等， 对气体发生器的性能作出了预测。 通过以上分析可以看出， 现有的研究成果主要通 过具体的爆炸试验来对安全气囊进行规律性分析和后 果评价， 或者通过安全气囊内压力、 温度等参数对气体 发生器的性能进行预测。总体而言， 通过试验研究的 方式虽能通过试验结果较好的反映气体发生器的爆炸 威力， 但也存在着周期长、 费用高、 试验结果随机性大 等问题。目前尚缺少一种简单可靠的安全气囊爆炸威 力的理论计算方法。 典型小型汽车安全气囊气体发生器的产药剂是叠 氮化钠 NaN3 类化学品［9 ］。因此， 本研究选择通过等 效 TNT 当量来描述叠氮化钠 NaN3 类化学品的爆炸 威力。即基于爆热和能量相似理论［10 ］， 提出汽车安全 气囊爆炸等效 TNT 当量的一种确定方法。以期通过对 三种典型小型汽车安全气囊采用的叠氮化钠类 NaN3 产药剂的爆热进行计算， 确定不同安全气囊相对应的 等效 TNT 当量， 并通过有限元分析和已有爆炸试验验 证本文方法和计算结果的准确性。 1等效 TNT 当量基本计算理论 目前， 现有文献中已有众多学者通过基于能量相 似理论的等效 TNT 当量法来计算炸药或爆炸物的威 力 ［11 －13 ］。TNT 当量是一种常见的表征爆炸威力的指 标。对于非 TNT 炸药爆炸的情况， 如果爆炸能量释放 速率相近， 通常也可以用等效 TNT 当量来表征爆炸威 力。叠氮化钠类气囊产药剂爆速快， 气囊从接到信号 到气囊充气、 泄露、 收缩， 整个过程仅需30 ms 左右。因 此， 使用等效 TNT 当量来表征安全气囊的爆炸威力精 度较好。相反地， 用等效 TNT 当量来表征普通燃气爆 炸的威力则精度较低［14 ］。 美国 UFC 规范推荐使用等效爆热的方法计算等效 TNT 当量， 其公式可以表达为 ［15 ］ We Wexp Hd exp Hd TNT 1 式中 We为等效 TNT 当量， kg; Wexp为爆炸物的质量， kg; Hd TNT为 TNT 的爆热， MJ/kg; H d exp为爆炸物的爆热， MJ/kg。 单位质量的爆炸物爆炸时放出的热量称为爆热， 单位为 kJ/mol 或 kJ/kg， 可分为定压爆热 QP与定容爆 热 QV。由于爆炸反应过程十分迅速， 可将该瞬间反应 视为等容过程， 采用定容爆热来表示反应物的爆炸热 效应。计算模型如下 爆炸物的爆炸反应方程式， 通常可采用 B- W Brinkley- Wilson 法来确定 ［16 ］。爆炸反应方程式的通 式可写为 aA bB φΦ xX yY ψΨ， 假设 爆炸反应物的药量为 nreactantsmol， 则反应物的质量为 mreactants nreactants a b φ aMA φMΦ g 2 式中 MI为反应物 I 的摩尔质量， g/mol。 利用爆炸反应物和爆炸产物在 298 K 下的生成 热， 根据盖斯定律进行计算为 Q2， 3 Q1， 3－ Q1， 2 3 式中 Q2， 3为炸药的爆热， 此处为定压爆热 QP; Q1， 3为爆 炸产物的生成热; Q1， 2为爆炸物的生成热。 根据定容爆热与定压爆热的关系， 计算定容爆 热为 QV QP nRT 4 式中 n 为生成气体的物质的量， mol; R 为理想气体常 数， 通常取为 8． 317 10 －3 kJ/ molk ; T 为开尔文温 度，k。 根据能量相似理论可知， 炸药能量等于炸药质量 与爆热的乘积。在求得爆炸物的定容爆热后， 可根据 TNT 炸药在相同条件下的定容爆热， 求得爆炸物的等 效 TNT 当量转化系数为 λ QV QV， TNT 5 由此， 可知反应物的等效 TNT 当量为 mequivalence λ mreactants 6 不同种类与型号的安全气囊产生的爆炸效果存在 着差异， 为便于应用和推广， 列出安全气囊中产药剂的 461振 动 与 冲 击2020 年第 39 卷 ChaoXing 等效 TNT 当量计算框图， 可供参考。 图 1计算流程框图 Fig． 1 Flow chart of calculation process 2典型安全气囊的爆炸威力 从 20 世纪 90 年代开始， 叠氮化钠用作汽车安全 气囊的气源， 当汽车发生碰撞时， 在传感器的作用下迅 速产生大量气体。不同安全气囊的化学反应过程通常 可分为三种， 其对应的化学反应方程式分别为 反应 1 2NaN3 CuO→Na2O 3N2 Cu 反应 2 16NaN33MoS32S→8Na2S3Mo 24N2 反应 3 10NaN32KNO35SiO2→5Na2SiO3 K2O 16N2 方程式各反应物及生成物的性质见表 1［17 ］。 表 1反应物及生成物性质 Tab． 1 Properties of reactants and products 物质分子式 相对分子 质量 生成热/ kJmol －1 叠氮化钠 NaN36521． 3 氧化铜CuO80－156． 1 氧化钠 Na2O62－418． 0 氮气 N2280 铜Cu640 二硫化钼 MoS2160－276． 1 硫S320 硫化钠 Na2S78－366． 1 钼Mo960 硝酸钾 KNO3101－494． 6 二氧化硅 SiO260－910． 9 偏硅酸钠 Na2SiO31221328． 9 氧化钾 K2O96－361． 5 典型的汽车主驾安全气囊信息见表 2。 表 2典型主驾安全气囊信息 Tab． 2 The ination of typical driving airbag 气囊总质量/g含药量/mol 气囊展开后体积/L 2601． 350 根据 “ 1” 节中计算理论， 计算反应 1 所对应的气囊 气体发生器的等效 TNT 当量值， 其化学方程式为 2NaN3 CuO→Na2O 3N2 Cu。 对于该主驾气囊， 由式 2 可得反应物的质量为 mreactants， 191 g。由式 3 可得该反应在 298 k， 101 kPa 时的定压爆热为 QP， 1 304． 5 kJ/mol。该反应产生气 体的物质的量为 n13 mol， 因此， 由式 4 可得反应物 的定容爆热为 QV， 1311． 9 kJ/mol。反应物的总摩尔 质量为 Mreactants， 1210 g/mol， 将定容爆热的单位换算为 kJ/kg， 可得 QV， 1 311．9 kJ/mol 210 10 －3 kg/mol 1 485． 4 kJ/kg。 TNT 炸药在 298 k， 101 kPa 下的定容爆热为 QV， TNT 4 150． 2 kJ/kg， 故由式 5 可得反应 1 中反应物的等效 TNT 当量转化系数为 λ1 0． 358， 反应物的等效 TNT 当量为 mequivalence， 132． 6 g。 采用与前述过程相同的方法， 分别计算反应方程 式 2， 3 对应的安全气囊内爆炸物的等效 TNT 当量， 得 表 3。 表 3安全气囊内爆炸物等效 TNT 当量计算 Tab． 3 The calculation of TNT equivalent for airbag explosive 反应 反应物 质量/g 定容爆热/ kJkg －1 TNT 当量 转化系数 等效 TNT 当量/g 191． 01 485． 40． 3632． 6 298． 11 578． 80． 3837． 3 388． 11 488． 50． 3631． 6 平均92． 41 517． 60． 3733． 8 由表 3 可以看出， 三种反应对应的反应物质量、 TNT 当量转化系数及等效 TNT 当量的差别并不大。由 计算结果可知， 气体发生器内爆炸物对应的平均等效 TNT 当量值为 33． 8 g。 3试验和数值模拟验证 近年来， 为完善国内安全气囊性能测试方面的空 缺， 不少学者做了关于安全气囊气体发生器的爆炸试 验 ［18 －19 ］。为验算上文中气体发生器等效 TNT 当量计 算的准确性， 本文结合吉林大学王艳军等关于安全气 囊性能的测试试验， 通过数值模拟的方式， 对 33． 8 g TNT 的数值模拟结果与试验中气体发生器的爆炸结果 进行对比。 3． 1试验介绍 1 试验原理 561第 2 期陈武争等汽车安全气囊爆炸威力的确定方法 ChaoXing 试验利用钢罐从一定高度沿滑轨自由下落后碰撞 底座上的弹性缓冲物来模拟汽车碰撞 5 ～ 10 ms ， 从 而引发钢罐内的气体发生器。气体发生器在钢罐内发 生爆炸， 通过信号采集和数据处理测得压力、 加速度等 多组参数， 完成对气体发生器产品的检测。根据测试 条件要求， 气体发生器触发的加速度峰值在 90 10 g 范围内， 碰撞作用时间在 10 5 ms 内。通过反复的试 验， 最终发现当钢罐的提升高度约为 280 mm 时， 能够 达到加速度峰值和碰撞作用时间的指定范围。 2 试验装置 爆炸容器壳体为圆柱体， 容积为 28． 32 L， 外径 296 mm， 内径 286 mm， 壁厚 5 mm， 高 441 mm。材料选 为具有较高强度和良好的塑形、 韧性、 冷弯性能的 45 号优质碳素钢， 其成分及力学性能见表4。导轨的截面 形式采用双矩形导轨， 摩擦因数比三角形导轨低， 且 加工维修比较方便。具体试验装置示意图如图 2 所示。 表 4 45 号优质碳素钢性质 Tab． 4 Properties of quality carbon steel no． 45 化学成分/ CSiMn 材料性能 密度/ gcm －3 弹性模量/ GPa 泊松比 0．42 ～0．50 0．17 ～0．37 0．50 ～0．807． 852100． 31 1 － 底座; 2 － 导轨; 3 － 钢罐提升架; 4 － 电磁机构;5 － 压力 传感器;6 － 钢罐;7 － 气体发生器传感器;8 － 产气药剂; 9 － 弹性缓冲垫 图 2试验装置示意图 Fig． 2 Schematic diagram of test equipment 3． 2数值模拟验证 1 有限元模型和边界条件 本文基于 LS- DYNA 建立了钢罐内气囊爆炸的有 限元模型。虽然模型具有较好的对称性， 但由于需要 考虑冲击波在钢罐中的反射作用， 仍采用完整的钢罐 模型进行数值模拟， 钢罐的具体几何尺寸与试验装置 相同。根据前文计算， 将模型中气体发生器替换为圆 柱型 TNT 炸药， 炸药当量分别取为三种化学反应对应 的 TNT 当量值及平均值， 具体见表 5。 表 5 TNT 当量及几何尺寸 Tab． 5 TNT equivalent and geometric dimensions 工况TNT 当量/g半径/mm高度/mm 132． 62025． 9 237． 32029． 7 331． 62025． 1 433． 82026． 9 分别建立炸药、 空气和钢罐的计算域， 空气与炸药 采用 Euler 算法， 而钢罐模型采用 Lagrange 算法。试验 中， 气体发生器在封闭空间内发生爆炸， 因此钢罐内表面 采用反射边界， 空气表面采用不可回流的透射边界。整 个模型中， 使用 ALE 算法 ［ 20 ］解决流固耦合问题， 输入数 据的单位采用 m- kg- s。几何模型和有限元模型分别如图 3、 图4 所示。在不影响计算精度的前提下 ［ 21 ］， 网格尺寸 确定为5 mm， 整个有限元模型共划分了203 075 个单元。 图 3几何模型 Fig． 3 The geometric model 图 4有限元模型 Fig． 4 The finite element model 2 材料模型和参数确定 采用 MAT_PLASTIC_KINEMATIC 材料模型来模拟 钢罐， 材料参数同原试验相同， 具体表 4。 TNT 炸药采用 JWL 状态方程来描述， 公式为 P A 1 － ω R1 V e －R1V B 1 － ω R2 V e －R2V ω V E0 7 式中 A， B， R1， R2， ω 为常数; P 为压力; V 为相对体积; E0 为初始内能; D 为起爆速度。具体材料参数见表6 ［ 22 －23 ］。 空气采用理想状态方程来合理的预测场地超压， 具体 参数见表7。 661振 动 与 冲 击2020 年第 39 卷 ChaoXing 表 6 TNT 炸药材料参数 Tab． 6 Material parameters of TNT ρ/ kgm －3 D/ ms －1 PC- J/PaA/PaB/PaR1R2 ωE0/ Jm －3 1 6306 9302． 7 10103． 737 7 10113． 747 1 1094． 150． 90． 357． 0 109 表 7空气材料参数 Tab． 7 Material parameters of air 空气密度 ρ/ kgm －3 定容质量热容 cE/ Jkg －1K－1 初始压力 p0/Pa 绝热指数 γ 初始内能 E0/ Jm －3 1．225717．601．42．586 105 3． 3结果对比与分析 将 TNT 当量取为平均值 33． 8 g 时， 有限元模拟得 到的钢罐压力分布随时间的变化如图 5 所示。可以看 出， 钢管内压强随时间呈现先增大后减小的趋势。由 于钢罐是密闭的， 受爆炸波多次反射和爆炸产物的共 同影响， 罐内爆炸荷载下降较慢， 两底面边缘处压力最 大。另外三种工况下压力分布图与之类似。 在常温条件下共进行 7 发气体发生器的爆炸试 验， 钢罐内压力传感器测得的压力峰值见表 8。 图 5钢罐压力分布 Fig． 5 Pressure distribution of steel tank 表 8压力传感器测得的压力峰值 Tab． 8 Pressure peak measured by pressure sensors 试验1234567平均 压力峰值/MPa0． 2720． 271 0． 2690． 2760． 2820． 3010． 3170． 284 与均值偏差/－4． 2－4． 5 －5． 3－2． 80． 76． 011． 60 由表 8 可以看出 7 次试验中传感器测得的最大压 力与均值的偏差均在 12 以内， 可以认为在误差允许 的范围内， 试验测试结果是有效收敛的。四种工况下 压力传感器处压力峰值有限元计算结果见表 9。 表 9各测试处点压力峰值 Tab． 9 Peak pressure at each test point 工况1234 TNT 当量/g32． 637． 331． 633． 8 压力峰值/MPa0． 2680． 3130． 257 0． 275 对比表 8 和表 9 可以看出， 有限元计算出的测试 点处压力峰值与试验结果吻合较好， 验证了计算结果 的正确性、 证明通过本文方法确定的三种化学反应对 应的安全气囊等效 TNT 当量分别为 32． 6 g， 37． 3 g 和 31． 6 g 是可靠的。 4结论 本文针对叠氮化钠类气体发生器的等效 TNT 当量 开展研究， 通过爆热计算理论得到了该类气体发生器 的等效 TNT 当量， 并通过有限元分析与试验进行对比 的方式， 验证了计算结果的可靠性， 主要结论有 1 结合三种类型叠氮化钠类气体发生器的化学 反应方程式， 计算出各气体发生器药剂的等效 TNT 当 量转化系数分别为 0． 36， 0． 38， 0． 36， 得到其平均等效 TNT 当量为 32． 6 g， 37． 3 g 和 31． 6 g。 2 基于理论计算结果， 建立了四种不同当量 TNT 炸药在钢罐内爆炸的有限元模型并进行分析， 得到测 量点的压力峰值与气囊爆炸试验结果吻合较好， 验证 了等效 TNT 当量计算结果的正确性。在工程计算中， 如未明确安全气囊的种类和具体化学反应， 可近似取 等效 TNT 当量平均值为 33． 8 g。由于叠氮化钠化学药 剂爆炸化学反应速度相较于 TNT 爆炸化学反应速度稍 慢， 在与 TNT 相同爆热的情况下， 叠氮化钠类化学药剂 爆炸威力略低， 由此造成的 TNT 当量误差可作为抗爆 防护设计的安全冗余。 761第 2 期陈武争等汽车安全气囊爆炸威力的确定方法 ChaoXing 参 考 文 献 ［1］ 张金换， 杜汇良， 马春生， 等． 汽车碰撞安全性设计［M］ ． 北京 清华大学出版社， 2010． ［2］ 危险货物分类和品名编号 GB 69442012 ［S］ ．［ S． l． ］ ［ s． n． ］ ， 2012。 ［3］ 王艳军． 安全气囊气体发生器起爆装置的性能研究与设 计［ D］ ． 吉林 吉林大学， 2007． ［4］ 葛如海， 蓝善斌， 陈晓东， 等． 安全气囊对离位乘员损伤影 响的仿真研究［ J］ ． 汽车工程， 2007 9 766 －770． GE Ruhai， LAN Shanbin， CHEN Xiaodong， et al．A simulation study on the effect of airbag on the injury of out of position occupant ［J］ ． Automotive Engineering，2007 9 766 －770． ［5］ 屈丰， 胡敏． 汽车安全气囊气体发生器的性能测试分析 ［ J］ ． 现代电子技术， 2014， 37 21 159 －162． QU Feng，HU Min． Perance test for gas generator of automobile safety airbag［ J］ ． Modern Electronics Technique， 2014， 37 21 159 －162． ［6］ 白中浩， 龙瑶， 王玉龙， 等． 安全气囊起爆模拟试验研究 ［ J］ ． 汽车工程， 2014， 36 12 1483 －1487． BAI 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