引言
气体发生器是一种利用内部物质发生化学反应燃烧进而产生气体的装置，一般由气体发生剂、点火系统、发生器壳体及金属滤网等部分组成，可分为民用和军用两大类。在民用领域，目前较为熟知的包括汽车安全气囊用发生器、救生手环用发生器等;在军用领域，则主要有弹用发生器、增压发生器、缓冲气囊发生器、卫星微推力系统发生器等。气体发生器在工作期间将持续产生高温高压气体，这种工作环境可能对发生器壳体造成很大损伤，严重时还会引起壳体破裂，危害人员及系统设备的安全。文献研究表明，除了压强造成的应力外，温度场引起的应力场对材料损伤有较大影响，降低产品的生命周期，但此问题很容易被设计人员所忽略，因此有必要对处于高温高压下气体发生器壳体的温度场及应力状态进行研究，为发生器的结构设计以及人员和设备的安全提供保障和依据。目前，国内外对于气体发生器的研究多集中于气体发生剂性能 、点火孔和排气孔面积 、降温剂性能、点火器参数 、过滤网 等对发生器输出性能的影响。就作者所查阅的相关文献来看，虽然关于热力耦合的基础和应用研究较多，但关注发生器处于高温高压非稳态下的壳体温度场以及在此温度场下引起的热应力的研究则较少，因此研究此状态下的气体发生器非常有意义。
本文使用有限元分析软件 ANSYS 对发生器壳体处于高温高压环境下的温度场和应力场进行非稳态数值模拟，并分析仿真结果，所得结论可为发生器结构设计提供必要参考。
1 模型
1．1 物理模型
气体发生器的外部是由金属壳体所组成，在计算模型中，气体发生器的总高度 H = 226．997 mm，直径 D = 123 mm，壁厚W=4 mm。为节省计算资源和时间，只取模型的 1/2进行仿真计算。
1．2 数学模型
本文有关的分析可分为两个部分，即导热分析和应力分析，并使用了 ANSYS 有限元分析软件来完成仿真计算。由于温度场的分布很大程度上影响计算模型应力场的分布，所以本文采用 ANSYS 的间接法来求热应力耦合场，即先求出温度分布，继而将温度场作为“体载荷”施加到应力场中来求解壳体的应力分布。
1．2．1 热分析
边界条件.为了更加真实地反映气体发生器的实际工作状况，模拟前对其内部的燃气温度和压强进行实验测量，以便给出完整、可靠、真实的边界条件。发生器内部的燃气温度随时间的变化经试验测量。由于发生器内部空间狭小，气体与内壁面之间的对流换热效果强等特点，直接测量发生器壳
体内壁面的温度比较困难，所以结合实测的燃气温度，假定内壁面温度是一个定值 500 ℃以简化计算。发生器外壁面温度则由布置于外壁面的表面热电偶经实测得出，其温度随时间的变化关系由图 3 给出。利用origin强大的曲线拟合功能，对实验数据进行了分段拟合处理。
1．2．2 应力分析
(1)控制方程
材料在壳体工作过程中会对外界温度作出响应，并表现出不同的热性能。热应力的产生通常是由物体内部物质的不均匀膨胀或收缩变形不一致所产生的;或者由物体内部之间相互制约或物体膨胀受外部约束所产生。
2 物性参数及网格划分
2．1 物性参数
对于壳体材料，选择了 TC11 钛合金。TC11 钛合金 是一种综合性能良好的 α-β 型热强钛合金。该合金还具有良好的热加工工艺性(包括常规工艺性能和超塑性)，可进行焊接和各种方式的机加工。其密度 ρ = 4．48 g/cm 3，弹性模量 E=110 GPa，泊松比 μ =0．3。2．2 网格划分由于发生器壳体的外轮廓是不规则的，出现了部分小凸台，所以使用了非结构网格对模型整体进行划分。鉴于发生器壳体比较狭长，对模型的局部结构进行了尺寸放大，具体的计算模型网格划分。
3 结果与讨论
（1）内壁面只施加温度载荷，在温度载荷作用下，发生器内部应力最大的位置(对应节点编号 18)处于发生器上端面的外沿，最大应力为374 MPa。此处的热应力随时间增加先增长迅速，继而保持平稳后略有下降，在发生器工作前期(70 s 之前)，应力值增加迅速;随着时间的继续增加，应力值保持平稳后略有下降。
（2）在压强载荷作用下，发生器内部应力最大的位置(对应节点编号 102)处于发生器颈部圆弧与上部凸台的倒角处，最大应力为 948 MPa，此处最易遭受应力破坏。该位置的热应力随时间增加先增加后减小，在时间为 35 s 处达到最大值，这与所施加的压强载荷在35 s处达到最大值保持一致。
（3）压强载荷作用下，发生器内部应力最大的位置(对应节点编号 102)同样处于发生器颈部圆弧与上部凸台的倒角处。此处的热应力随时间增加出现先增加后减小的趋势，在时间为35 s处达到最大值，最大应力为 986 MPa。在发生器工作前期，总应力主要由压强载荷引起的，温度载荷所占的比例较低可以忽略不计;在发生器工作后期，压强载荷急剧下降，由此引起的应力也有一定下降，而热应力则保持平稳。在 600 s 时，温度载荷引起的热应力与压强载荷造成的应力比值为 4 ∶ 6，此时温度载荷的作用需要重点考虑。
4 结论
本文从数值模拟的角度对处于高温高压非稳态工况下某气体发生器的温度与应力进行了分析，得出如下结论:
(1)在发生器工作前期，总应力主要由压强载荷引起的，温度载荷所占的比例较低可以忽略不计;在发生器工作后期，压强载荷急剧下降，由此引起的应力也有一定下降，而热应力则保持平稳。在 600 s 时，温度载荷引起的热应力与压强载荷造成的应力比值为4 ∶ 6，此时温度载荷的作用需要重点考虑。
(2)发生器壳体的最大应力值出现的时间与所施加的压强载荷达到最大值的时间是一致的，均为 35 s，这表明应力对载荷的响应在时间上呈现出高度的相关性。
(3)气体发生器在温度和压强共同作用下的最大应力值处于发生器颈部圆弧与凸台的倒角处，此处最易遭到破坏。未来在设计相关气体发生器时需要特别注意应力集中位置，提高发生器的安全与可靠性。
