柔性防撞气囊准静态压缩响应的各向异性超弹性建模与数值研究

《Polymers》：Anisotropic Hyperelastic Modelling and Numerical Investigation of the Quasi-Static Compression Response of a Flexible Anti-Collision Airbag

　　

柔性防撞气囊具有轻量化与高变形能力，可用于缓解船桥碰撞载荷，而可靠分析需准确描述气囊材料的力学行为。研究人员针对一种三层单腔气囊展开研究，该气囊由内层热塑性聚氨酯(TPU)织物与两层外层编织超高分子量聚乙烯(UHMWPE)增强层构成，并通过聚酰胺织带局部缝合。研究人员对TPU与UHMWPE在经向与纬向进行单轴拉伸试验，建立各向异性超弹性模型。基于模型对比与参数识别，TPU采用三参数Yeoh基函数叠加弱正交各向异性修正，UHMWPE采用neo-Hookean基函数叠加强正交各向异性修正。数值与试验结果的对比显示，在最大压缩比λmax处力与压力的R2分别超过0.9854与0.9995，相对差异分别为4.183%与0.348%。试验结果表明，初始压力由0.12 MPa升至0.14 MPa时，力与压力增量分别提高51.1%与19.7%。数值分析指出，规定加载速率至10 m/min时在压缩比ξ=0.7处准静态响应偏差小于约1%；在ξ=0.7处轴向加载长度比αL由0.2增至0.6时力提高208.7%，而单位长度力仅变化7.56%；较大气囊长径比AR在恒定αL下提高总力但降低单位长度力与压力增量；轴向偏心ea达0.20时力与压力增量分别上升45.5%与31.3%。所建模型为各向异性多层气囊局部压缩分析提供可靠基础。

研究背景方面，充气气囊作为被动防护装置广泛应用于汽车乘员约束、航天器着陆、应急救援、船舶下水及船桥防撞等场景。柔性气囊兼具轻量化、可折叠与大变形行程优点，其缓冲响应随充气条件与几何构型变化。现有分析多基于理想化几何的解析模型、有限元大变形模拟或准静态试验，但多层柔性气囊的准确分析还需刻画TPU与UHMWPE等材料在大变形下的非线性与方向相关性。TPU呈显著非线性拉伸，UHMWPE经纬向差异明显，因此需建立基于张量不变量的各向异性超弹性模型。该研究由研究人员发表于《Polymers》，旨在为三层TPU/UHMWPE柔性防撞气囊建立材料本构并验证局部准静态压缩响应。

关键技术方法上，研究人员首先按气囊制造商提供的尺寸制备TPU（有效宽25±0.5 mm、总长200±1 mm、自由长100±1 mm、厚0.30 mm）与UHMWPE（宽50±0.5 mm、总长300±1 mm、自由长200±1 mm、厚0.38 mm）条状试样，分别在经向（材料方向1）与纬向（材料方向2）各测5个重复，使用Instron 5967试验机以50 mm/min（TPU）与100 mm/min（UHMWPE）获取标距轴向力与伸长；进而在不可压超弹性框架下将应变能分解为各向同性基与正交各向异性修正，TPU取三参数Yeoh(Y3)基加弱正交修正，UHMWPE取neo-Hookean(NH)基加强正交修正，采用模拟退火结合梯度下降混合识别经纬双向联合参数；后在Abaqus/Explicit 2020通过VUANISOHYPER_INV子程序实现，用S4R壳单元（网格2 mm）重建试样拉伸模型并做网格收敛性检查；再构建长960 mm、圆柱段φ300×900 mm的三层气囊有限元模型，层间用面接触、织带处用tie约束，气腔设初始绝对压0.12 MPa与293.15 K，通过fluid-exchange模拟0.000219 m²等效排气面积，刚性压板位移加载，与WDW-300试验机干态局部压缩（压板250×250 mm、ξ=u/D、止於ξ=0.7）结果比对验证，随后以验证模型做加载速率、轴向加载长度比α_L、长径比AR、轴向偏心e_a参数分析。

研究结果部分，第2节单轴拉伸与各向异性超弹性建模中，经试验发现TPU经纬峰值名义应力差0.4%但纬向峰值应变高约35%，UHMWPE经纬向低刚度段、峰值应变（纬向约为经向1/3.8）与曲率演化差异显著；据此选Y3+弱正交描述TPU、NH+强正交（指数形式方向函数）描述UHMWPE，识别后TPU平均R²与Y3-MR9几乎重合（差0.0002）且目标函数0.7381 MPa²，UHMWPE六类各向同基目标函数极差仅0.4120 MPa²、平均R²>0.99，证明强正交项主导；Abaqus实现与1/2/4 mm网格收敛（应力差<0.2%）吻合试验曲线。第3节准静态压缩试验与数值验证中，0.12/0.13/0.14 MPa初压与5 mm/min下力随ξ单调增，初压0.12→0.14 MPa在ξ=0.7处力5.921→8.948 kN（增51.1%）、压力增量0.03630→0.04344 MPa（增19.7%）；5→50 mm/min力仅变2.81%、压力变0.58%；FEA在0.12 MPa与5 mm/min下ξ=0.7力偏3.61%（R²=0.9906）、压力偏0.228%（R²=0.9995），全部工况力R²0.9854~0.9932、压力R²0.9995~0.9999。第4节参数分析显示：规定加载速率v_L≤10 m/min时ξ=0.7力相对0.005 m/min参考偏<1%、Δp偏<1%，20 m/min偏3.00%，40/80 m/min力增10.89%/14.34%而Δp仍稳于36.53~36.96 kPa，故10 m/min可作数值准静态上限；α_L由0.2→0.6时总力4.584→14.152 kN（增208.7%）但单位长度力仅24.36~25.47 kN/m（变7.56%），Δp由30.825→62.596 kPa（增103.1%）；恒α_L=0.4时AR由2.0→3.6总力7.798→9.746 kN（增25.0%）而单位长度力32.49→22.56 kN/m（降30.6%）、Δp 58.157→43.185 kPa（降25.74%）；e_a由0→0.20时力8.851→12.882 kN（增45.5%，0→0.05段占20.67%）且Δp 46.125→60.563 kPa（增31.3%，0.15→0.20仅增0.61%）。

讨论与结论翻译部分，研究人员指出：该文针对内层TPU+双层外UHMWPE三层柔性防撞气囊，由单轴拉伸建立各向异性超弹性模型，TPU取Y3+弱正交、UHMWPE取NH+强正交；选型模型双向复现拉伸并准确预测压缩，ξ=0.7处力与压力R²>0.985、最大相对差4.183%与0.348%；压缩试验示初压0.12→0.14 MPa在ξ=0.7处力与内压增约51.1%与19.7%，5→50 mm/min仅变2.81%与0.58%，数值上v_L≤10 m/min近准静态；参数分析示α_L增主要靠扩大受压轴向区提力而单位长度力近常，恒α_L下AR增致总力升但单位长度力与Δp降，e_a增使力与Δp双升且偏离中心初期效应最强。研究限定干态与ξ≤0.7无损伤，参数源于单轴试验，UHMWPE双轴/剪切独立性及涉水、损伤、应变率依赖与织带缝合力学待拓展。该研究为船桥防撞柔性气囊的各向异性多层局部压缩提供了可复用本构—校验—参数化分析链路。