徐靜靜,馬 亮,王新厚

(東華大學(xué) 紡織學(xué)院,上海 201620)

安全氣囊織物動態(tài)透氣性的數(shù)值模擬＊

徐靜靜,馬 亮,王新厚

(東華大學(xué) 紡織學(xué)院,上海 201620)

將安全氣囊織物視為多孔薄膜,基于PorousJump模型對其動態(tài)透氣性進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬,得到了測試管道中的流場分布情況,并最終得到安全氣囊織物動態(tài)透氣量.利用自行設(shè)計的安全氣囊織物動態(tài)透氣裝置對其動態(tài)透氣的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行驗證,結(jié)果表明數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果吻合.

安全氣囊;織物;動態(tài)透氣性;測試;數(shù)值模擬

氣囊是汽車安全氣囊的一個重要組成部分.氣囊的氣密性一直是人們研究的重點問題,氣囊織物織造工藝中的密度和緊度設(shè)計、組織結(jié)構(gòu)的選擇以及后整理工藝都是為了使織物達(dá)到適當(dāng)?shù)臍饷苄?織物的氣密性是由透氣量來反映的,透氣量表征了空氣透過織物的能力[1].安全氣囊從開始展開到完全展開應(yīng)在35ms之內(nèi)[2-3],在如此短的時間內(nèi)要使氣囊充滿氣體,這就要求氣囊織物透氣量小;但為減緩安全氣囊對向前飛出的人體的劇烈沖擊,又要求安全氣囊具有一定的透氣量以使其中的氣體能在設(shè)定時間(最多自汽車發(fā)生碰撞后的10ms)內(nèi)排出.因此,為了保證安全氣囊的使用安全性,就必須做到能精確控制和預(yù)測安全氣囊織物的透氣性.

對于氣囊織物動態(tài)透氣性的研究,目前主要采用實驗方法,如 KESHAVARAJ等[4]提出的準(zhǔn)定常態(tài)的氣流充脹方法;WANG等[5]提出的基于激波管實驗和理論的測試方法.針對以往測試原理和裝置的不足,文獻(xiàn)[6]設(shè)計了一種氣囊織物動態(tài)透氣性測試裝置.然而,實驗過程對試樣有破壞性,織物試樣的消耗量大.隨著計算機(jī)硬件和軟件技術(shù)的快速發(fā)展,很多流體問題都可以利用數(shù)值模擬技術(shù)進(jìn)行模擬分析,數(shù)值模擬以代價低、周期短、可重復(fù)性高的優(yōu)點被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域.

本文利用壓縮空氣充脹由夾具固定的氣囊織物來模擬氣囊的展開過程,然后利用Fluent軟件對氣囊織物動態(tài)透氣過程進(jìn)行模擬,得到測試管道中的流場分布情況,并最終得到安全氣囊織物動態(tài)透氣量.

1 安全氣囊織物動態(tài)透氣測試

文獻(xiàn)[6]設(shè)計的安全氣囊織物動態(tài)透氣測試裝置示意圖如圖1所示.其中高壓氣室長為0.7 m,低壓氣室長為0.5 m,內(nèi)徑均為50 mm,兩氣室之間由聚酯薄膜間隔,薄膜由一對孔板夾持,待測試的安全氣囊織物試樣被固定于低壓氣室的末端,與大氣相通.

圖1 安全氣囊織物動態(tài)透氣測試裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the arrangement for measuring the dynam ic permeability of airbag fabric

實驗時,打開閥門,高壓氣體緩慢進(jìn)入高壓氣室,當(dāng)氣壓達(dá)到一定值時,薄膜爆破,高壓氣室內(nèi)氣體急劇膨脹并迫使周圍空氣離開它原來占據(jù)的位置[7-8],產(chǎn)生充脹氣流進(jìn)入低壓氣室使氣囊織物迅速充脹展開.整個實驗過程中高壓氣室和低壓氣室內(nèi)壓力由壓力傳感器 G1和 G2采集,信號經(jīng)過耦合器放大,傳輸至數(shù)字存儲示波器,并存儲到計算機(jī).

對低壓氣室運用氣體狀態(tài)方程,經(jīng)推導(dǎo)可得織物透氣量的求解公式[6]:

式中:Vp為單位時間通過織物的氣體質(zhì)量所對應(yīng)的大氣壓下的氣體體積;patm為大氣壓力;A為織物試樣的測試面積;L為低壓氣室的長度;為低壓氣室內(nèi)壓力隨時間的變化情況.

從式(1)可以看出,安全氣囊織物動態(tài)透氣量Q與低壓氣室的長度L、大氣壓力 patm、低壓氣室內(nèi)壓力隨時間的變化情況有關(guān).因為 L和 patm均已知,所以只需測得,就可以計算出 Q,而可以由安裝在低壓氣室的壓力傳感器測得.

錦綸66由于具有熱焓量高、初始模量低和彈性好等優(yōu)良性能,目前仍是安全氣囊材料的首選[9].本文選用的錦綸66安全氣囊織物,其物理性能如表1所示.

表1 安全氣囊織物的物理性能Table 1 Physical characteristics of the airbag fabrics

2 數(shù)值模擬

根據(jù)安全氣囊動態(tài)透氣性的測試原理,氣囊織物動態(tài)透氣模型簡化為:內(nèi)徑為50 mm、長度為0.5 m的低壓氣室內(nèi)氣體通過安全氣囊織物時的透氣量.

由于安全氣囊織物動態(tài)透氣過程中低壓氣室內(nèi)的壓力隨時間不斷變化,故該問題屬于非穩(wěn)態(tài)問題.非穩(wěn)態(tài)問題一般選用穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬的結(jié)果作為非穩(wěn)態(tài)的初始值進(jìn)行數(shù)值模擬,所以先對安全氣囊織物動態(tài)透氣過程進(jìn)行穩(wěn)態(tài)的數(shù)值模擬.

2.1 安全氣囊織物動態(tài)透氣的穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬

多孔介質(zhì)是指由固體物質(zhì)組成的骨架和由骨架分隔成大量密集成群的微小孔隙所構(gòu)成的物質(zhì).織物作為纖維集合體的常用形態(tài),是一種典型的多孔介質(zhì)材料,空氣透過織物,類似于流體流經(jīng)多孔介質(zhì)的流動.故氣囊織物在模擬中可采用多孔介質(zhì)模型,即 Fluent軟件中的 Po rous Jump模型,此模型適用于比較薄的多孔板或者多孔膜,模型需要設(shè)置滲透率、慣性系數(shù)和厚度參數(shù).本文中所用織物的多孔介質(zhì)參數(shù)值經(jīng)測試得到,如表2所示.

表2 多孔介質(zhì)的參數(shù)Table 2 Parameters of the porousmedium

2.1.1 幾何模型

由于該模型的幾何模型形狀和所承受的壓力都關(guān)于中心軸對稱,可將3D問題簡化為2D問題來求解,且簡化后的2D模型是關(guān)于x軸對稱的,取1/2建立幾何模型.采用Fluent的前處理軟件 GAMBIT 2.3進(jìn)行幾何建模,主要考慮該軟件建模方便,易于使用.GAMBIT軟件建立的幾何模型如圖2所示.

圖2 幾何模型Fig.2 Geometric model

2.1.2 網(wǎng)格劃分

采用四邊形對幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,為了對壁面函數(shù)法進(jìn)行實施,需要對近壁面附近網(wǎng)格進(jìn)行特殊處理,如圖3所示,網(wǎng)格有2 685個節(jié)點、2 464個單元、5 148個面.

圖3 網(wǎng)格劃分Fig.3 Meshing

2.1.3 求解器

求解器為耦合求解,計算方式為隱式,時間項為穩(wěn)態(tài),先求解穩(wěn)態(tài)流動.湍流模型為κ-ε兩方程模型.

2.1.4 邊界條件

邊界條件為:入口為壓力入口,其值為實驗過程中低壓氣室的初始壓力;出口為壓力出口,值為0;氣囊織物為多孔介質(zhì),輸入?yún)?shù)值:滲透率、厚度、慣性系數(shù);其他邊界條件為邊壁.

2.1.5 求解

選擇入口作為初始化條件,開始迭代計算.計算入口與出口質(zhì)量流量的誤差小于誤差限5%,說明計算結(jié)果已經(jīng)收斂.穩(wěn)態(tài)流動求解得出測試裝置內(nèi)流體的壓力場和速度場的分布.

2.2 安全氣囊織物動態(tài)透氣的非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬

基于Porous Jump模型將安全氣囊織物視為多孔薄膜,對測試管道施加動態(tài)壓力,并以穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬的結(jié)果作為非穩(wěn)態(tài)的初始值進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)的數(shù)值模擬.

氣囊織物透氣性非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬的時間項選擇非穩(wěn)態(tài),邊界條件中入口壓力值是隨時間變化的.

由于非穩(wěn)態(tài)問題與時間有關(guān),所以必須用一個控制方程來控制入口的壓力隨時間的變化,此控制方程是用一個用戶自定義函數(shù)來描述的.通過安全氣囊織物動態(tài)透氣測試裝置測得低壓氣室內(nèi)壓力隨時間的變化曲線為一指數(shù)曲線,所以設(shè)置入口截面上壓力變化曲線為一指數(shù)曲線,其控制方程為:

式中:p為進(jìn)口壓力;f和g為常數(shù);t為時間.

3 結(jié)果和討論

3.1 動態(tài)透氣的非穩(wěn)態(tài)模擬結(jié)果與討論

以織物A為例,對其動態(tài)透氣數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行具體討論,其中織物A入口壓力控制方程為 p=229.28·e-1.5879t.

3.1.1 速度場

由非穩(wěn)態(tài)的數(shù)值模擬,可以得到不同時刻測試裝置內(nèi)氣流的速度等值線圖,取時間 t=0～1.5 s,如圖4所示.

圖4 不同時刻的速度分布圖Fig.4 Velocity profile at different time

從圖4可以看出,t=0 s時速度主流核心部分較長;t=1.5 s時速度主流核心部分最短.這是由于入口的速度較大,隨著入口的壓力和速度減小,主流核心部分逐漸變短.所以在臺階高度固定的情況下,速度主流核心部分長度和入口氣流的速度正相關(guān),入口氣體的速度大,則速度主流核心部分長度長.

管臺階處的回流區(qū)隨時間逐漸向臺階處移動,并且回流區(qū)的部分也在逐漸縮小,這主要是入口氣流速度逐漸減小的緣故;同時,速度場中的邊界層也在逐漸向管臺階處移動,氣流經(jīng)過比較短的距離就能調(diào)整至充分發(fā)展階段,這也是入口氣流速度逐漸減小造成的.

3.1.2 壓力場

t=0,0.5,1.0,1.5,2.0 s時對稱軸處的壓力分布如圖5所示.從圖5可以看出,隨著時間的增加,對稱軸處的壓力在不斷減少,5個不同時刻從入口到測試織物之間,壓力均為恒定的值,通過織物時壓力下降,直到和大氣壓力相等.主要是因為入口和測試織物間形成一個相對封閉的空間,這個空間里面的壓力保持穩(wěn)定的值,通過織物時受到織物對氣流的摩擦阻力,氣流的壓力下降,通過織物后壓力與大氣壓相等.

圖5 不同時刻對稱軸處的壓力分布圖Fig.5 Pressure prof ilesat different time

3.1.3 透氣量

各時刻壓力對應(yīng)的織物處的氣流速度,其值相當(dāng)于氣囊織物的動態(tài)透氣量,織物A的模擬動態(tài)透氣量結(jié)果如圖6所示.同理,可以得到織物B和C的動態(tài)透氣量的模擬值.

圖6 安全氣囊織物A的動態(tài)透氣量的模擬值Fig.6 The dynam ic permeability of airbag fabric A resulted from the simulation

3.2 動態(tài)透氣數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果的對比

為了驗證安全氣囊織物動態(tài)透氣數(shù)值模擬結(jié)果的正確性,將3種安全氣囊織物動態(tài)透氣量的實驗值與數(shù)值模擬結(jié)果作圖進(jìn)行對比,如圖7所示.

同等壓力下氣囊織物動態(tài)透氣量的實驗值與模擬值存在誤差,這是因為壓力的作用使織物產(chǎn)生變形,經(jīng)緯紗膨脹拉伸,在織物內(nèi)形成一些具有一定大小的空隙,空隙的大小與壓力的大小、織物的變形情況有關(guān),而模擬過程中多孔介質(zhì)的滲透率是保持不變的.但其誤差在5%以內(nèi),可以利用安全氣囊織物動態(tài)透氣的模擬值來表示安全氣囊織物動態(tài)透氣的實驗值.

4 結(jié)論

圖7 3種安全氣囊織物動態(tài)透氣實驗值與模擬值的對比Fig.7 The comparison between experimental valueand simulated value of threeairbag fabrics dynam ic permeability

本文將安全氣囊織物作為多孔介質(zhì)模型,對其動態(tài)透氣進(jìn)行穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬,再將穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬的結(jié)果作為初始值進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬,最終得到氣囊織物的動態(tài)透氣量.使用安全氣囊動態(tài)透氣裝置對安全氣囊織物動態(tài)透氣的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了驗證,結(jié)果表明數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果吻合.

通過非穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬得到速度場和壓力場隨時間變化的分布.速度場分布:測試管道內(nèi)臺階處的分離渦隨時間逐漸縮小并向臺階處移動,同時邊界層也在逐漸向管臺階處移動,氣流經(jīng)過比較短的距離就能調(diào)整至充分發(fā)展階段.壓力場分布:隨著時間的增加,測試管道內(nèi)的壓力在不斷減小,入口與織物間的壓力保持恒定的值,通過織物后壓力迅速下降直到與大氣壓相等.

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Numerical Simulation of the Dynamic Permeability of Airbag Fabric s

XU J ing-j ing , MA L iang , WA N G Xin-hou
( College of Textiles , Donghua University , Shanghai 201620 , China)

The airbag fabric was regarded as porous medium. Based o n the porous jump model , the fluid field dist ribution in the testing pipe was simulated , and the dynamic permeability of airbag fabric was obtained by unsteady numerical simulation. The result s of numerical simulation of dynamic permeability were verified by dynamic permeability test using the tester designed by the aut hor s. It was fo und t hat the dynamic permeability of airbag fabric resulted f rom the simulation agreed well wit h the experiment data.

airbag ; fabric ; dynamic permeability ; test ; numerical simulation

TS106.6

A

2009-11-04

霍英東教育基金會第十屆高等院校青年教師基金資助項目(1010740)

徐靜靜(1984—),女,河北張家口人,碩士,研究方向為安全氣囊測試技術(shù).E-mail:jjxu@mail.dhu.edu.cn

王新厚(聯(lián)系人),男,教授,E-mail:xhwang@dhu.edu.cn

1671-0444(2010)03-0229-04