改善強(qiáng)度的MEMS隔爆機(jī)構(gòu)懸臂梁和卡頭

田中旺，趙 旭，宋永強(qiáng)，劉占恒，李曉杰

（機(jī)電動(dòng)態(tài)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065）

0 引言

隨著微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)的不斷成熟和發(fā)展，MEMS器件在引信中的應(yīng)用越來越受到重視［1－2］。目前，小口徑榴彈引信中采用了 MEMS安全系統(tǒng)［3－4］，隔爆滑塊是該安全系統(tǒng)在保險(xiǎn)狀態(tài)下的隔爆機(jī)構(gòu)以及在解除保險(xiǎn)狀態(tài)下的閉鎖機(jī)構(gòu)。然而，在以往的小口徑榴彈試驗(yàn)中，引信出現(xiàn)過瞎火現(xiàn)象，對(duì)回收的引信MEMS安全系統(tǒng)進(jìn)行解剖，發(fā)現(xiàn)部分滑塊隔爆機(jī)構(gòu)的懸臂梁和卡頭出現(xiàn)較大塑性變形，隔爆滑塊沒有運(yùn)動(dòng)到位，安全系統(tǒng)處于隔爆狀態(tài)。本文針對(duì)滑塊隔爆機(jī)構(gòu)懸臂梁和卡頭出現(xiàn)較大變形導(dǎo)致隔爆滑塊運(yùn)動(dòng)不到位的情況，提出了一種改善強(qiáng)度的滑塊隔爆機(jī)構(gòu)懸臂梁和卡頭。

1 試驗(yàn)中出現(xiàn)的問題分析

1.1 MEMS安全系統(tǒng)的組成和工作原理

MEMS安全系統(tǒng)模型如圖1所示，該機(jī)構(gòu)由基板、彈簧、后座滑塊、隔爆滑塊及前后封裝板組成，系統(tǒng)解除保險(xiǎn)激勵(lì)分別來自后坐過載和離心過載。

發(fā)射時(shí)，在后坐力的作用下，后坐滑塊克服彈簧阻力及滑塊和基板側(cè)壁之間的摩擦力向下運(yùn)動(dòng)，直到基板卡座鎖定后坐滑塊，第一道保險(xiǎn)解除；彈丸飛行過程中，電路模塊控制推銷器作用，解除保險(xiǎn)桿對(duì)隔爆滑塊的約束，第二道保險(xiǎn)解除，隔爆滑塊在離心力作用下運(yùn)動(dòng)到位，并被基板卡座鎖定。

圖1 MEMS安全系統(tǒng)模型Fig.1 The MEMS S＆A model

1.2 試驗(yàn)回收后系統(tǒng)解剖結(jié)果分析

對(duì)試驗(yàn)中回收的MEMS安全系統(tǒng)進(jìn)行解剖，圖2所示為解剖發(fā)現(xiàn)的部分瞎火引信隔爆滑塊運(yùn)動(dòng)未到位的兩種狀態(tài)。

圖2 MEMS安全系統(tǒng)解剖情況Fig.2 Dissection of t he MEMS S＆A

分析原因，圖2（a）中，隔爆滑塊左端懸臂梁在后坐力作用下彎曲產(chǎn)生了變形，形變量大于懸臂梁和基板凸臺(tái)的間距，懸臂梁被基板凸臺(tái)卡住，雖然保險(xiǎn)桿被解除，但隔爆滑塊仍無法運(yùn)動(dòng)，處于隔爆位置。圖2（b）中，基板凸臺(tái)沒卡住懸臂梁左端，保險(xiǎn)桿也被解除，隔爆滑塊在離心力作用下運(yùn)動(dòng)，但由于卡頭強(qiáng)度不足，當(dāng)卡頭沖入基板卡座后，卡頭尾部張開的雙翼發(fā)生塑性變形，導(dǎo)致卡頭無法被基板卡座鎖定，隔爆滑塊回彈，傳爆功能失效。

1.3 仿真分析

為了使問題再現(xiàn)，對(duì)發(fā)現(xiàn)的兩種情況進(jìn)行對(duì)應(yīng)的仿真，參照文獻(xiàn)［5］，設(shè)置仿真參數(shù)如下：材料彈性模量（鎳）217 GPa，屈服極限為317 MPa，泊松比為0.31，密度為8 900 kg／m3。

按照結(jié)構(gòu)參數(shù)，建立實(shí)體模型，導(dǎo)入ANSYS／LS-DYNA，首先對(duì)隔爆滑塊施加后坐過載［6］。在圖3（a）所示的應(yīng)力云圖上，最大應(yīng)力達(dá)到470 MPa，超過了鎳本身的屈服應(yīng)力，懸臂梁發(fā)生塑性變形。截取懸臂梁尾端一節(jié)點(diǎn)，觀察其位移曲線，在0.025 ms時(shí)，懸臂梁左端彎頭發(fā)生的位移量大于彎頭到基板凸臺(tái)的間距0.15 mm，在0.045 ms時(shí)，懸臂梁碰到了基板凸臺(tái)，之后反彈，并一直在上下擺動(dòng)，隔爆滑塊在離心力方向的運(yùn)動(dòng)受到了限制。

圖3 隔爆滑塊施加后坐過載的仿真結(jié)果Fig.3 The si mulation results of the stress distribution of explosion interrupter under backlash

在對(duì)隔爆滑塊進(jìn)行離心過載下的仿真時(shí)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)彈丸在較大轉(zhuǎn)速（＞24 000 r／min）旋轉(zhuǎn)時(shí)，卡頭尾部張開的雙翼發(fā)生了較大的塑性變形，如圖4（b）所示，導(dǎo)致基板卡座無法可靠鎖定卡頭（圖4（c））。

圖4 隔爆滑塊卡頭運(yùn)動(dòng)情況Fig.4 The movement of the lock of the explosion interrupter

結(jié)合試驗(yàn)回收后對(duì)MEMS安全系統(tǒng)的解剖情況，以及對(duì)隔爆滑塊在兩個(gè)方向的仿真情況，發(fā)現(xiàn)隔爆滑塊在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在瑕疵，要解決隔爆滑塊運(yùn)動(dòng)不到位的問題，須對(duì)隔爆滑塊進(jìn)行結(jié)構(gòu)改善。

2 懸臂梁和卡頭結(jié)構(gòu)改善

通過1.2和1.3可知，隔爆滑塊出現(xiàn)問題的主要原因是懸臂梁以及卡頭雙翼的強(qiáng)度不足，導(dǎo)致在過載作用下產(chǎn)生了塑性變形，下文分別提出了針對(duì)懸臂梁和卡頭的改善方案。

2.1 懸臂梁改善方案

在后坐過載的作用下，懸臂梁的變形不可避免，本次改善要做的是盡可能地減小懸臂梁的塑性變形，避免懸臂梁左端尾部被基板凸臺(tái)卡住，見圖5。

圖5 懸臂梁改進(jìn)結(jié)構(gòu)Fig.5 The i mproved str ucture of t he cantilever

從圖5所示C處開始降低懸臂梁的高度，減少懸臂梁和基板凸臺(tái)的間距，在A處依舊保留對(duì)后坐滑塊的鎖定結(jié)構(gòu)。將原結(jié)構(gòu)圖1中的“直鉤”型懸臂梁改成圖5所示的“彎鉤”型結(jié)構(gòu)，在圖示B處形成一個(gè)止擋機(jī)構(gòu)，起過載保護(hù)作用。在后坐力作用下，懸臂梁B處與基板凸臺(tái)形成支撐，左端A處的運(yùn)動(dòng)受到限制，變形量得到了控制，不會(huì)被卡在基板凸臺(tái)處，解決了懸臂梁與基板凸臺(tái)相互干涉的問題。

2.2 卡頭改善方案

隔爆滑塊卡頭的形狀及強(qiáng)度決定其能否順利進(jìn)入基板卡座并鎖定。針對(duì)試驗(yàn)中出現(xiàn)的問題，將卡頭改進(jìn)為圖6（b）所示的結(jié)構(gòu)，加大卡頭側(cè)壁厚度，增加卡頭尾部雙翼的張開角度。

圖6 卡頭改進(jìn)結(jié)構(gòu)Fig.6 The i mproved str uct ure of the lock

3 仿真驗(yàn)證

3.1 改善后的懸臂梁仿真

按照1.3中設(shè)置的仿真參數(shù)，建立實(shí)體模型，導(dǎo)入ANSYS／LS-DYNA，對(duì)隔爆滑塊施加發(fā)射后坐過載，仿真結(jié)果如圖7所示。

在圖7（a）所示的應(yīng)力云圖上，最大應(yīng)力達(dá)到373 MPa，小于原來結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果，懸臂梁發(fā)生的塑性變形也較小。圖7（b）為懸臂梁節(jié)點(diǎn)15787在Y方向的位移，其最大值為0.13 mm，小于懸臂梁左端與基板凸臺(tái)的間距0.15 mm，兩者不會(huì)接觸，因此不會(huì)發(fā)生懸臂梁卡在基板凸臺(tái)上的情況，隔爆滑塊在離心力方向的運(yùn)動(dòng)不會(huì)受到限制。

圖7 改善后的隔爆滑塊施加后坐過載的仿真結(jié)果Fig.7 The simulation results of the i mproved explosion interrupter under backlash

3.2 改善后的卡頭仿真

將模型參數(shù)導(dǎo)入ANSYS／LS-DYNA，對(duì)隔爆滑塊施加徑向的持續(xù)離心過載，得到的結(jié)果如下所述。

圖8為隔爆滑塊卡頭進(jìn)入基板卡座的三個(gè)連續(xù)過程，卡頭的整個(gè)位移過程都順利完成，卡頭雙翼發(fā)生的塑性變形小于原結(jié)構(gòu)的變形量，兩翼張開的角度可以保證基板卡座鎖定隔爆滑塊的卡頭。

圖8 改善后的隔爆滑塊卡頭運(yùn)動(dòng)情況Fig.8 The movement of the i mproved lock of the explosion interr upter

圖9 為截取卡頭尾部雙翼上下兩節(jié)點(diǎn)的位移情況。在0.03 ms時(shí)，Y方向位移量最大，卡頭處在圖8（a）所示的位置，之后兩翼順利張開，在0.05 ms后復(fù)位。在X方向，在0.03 ms后兩節(jié)點(diǎn)的位移量都不超過0.1 mm，卡頭一直處在卡座內(nèi)，基板卡座鎖住了隔爆滑塊。

圖9 隔爆滑塊卡頭位移曲線Fig.9 The displacement of the i mproved lock of the explosion interr upter

4 結(jié)論

本文提出了一種改善強(qiáng)度的小口徑榴彈引信用MEMS滑塊隔爆機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)改善了懸臂梁尾端形狀，將懸臂梁結(jié)構(gòu)由原來的“直鉤”型改為“彎鉤”型，加大了卡頭雙翼的厚度以及張開角度。利用ANSYS／LS-DYNA對(duì)其進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真，優(yōu)化設(shè)計(jì)的仿真結(jié)果表明：改善后的懸臂梁尾部不會(huì)被基板凸臺(tái)卡住，卡頭能順利進(jìn)入卡座，隔爆滑塊在離心過載的作用下運(yùn)動(dòng)到位，被鎖定在基板卡座內(nèi)。該隔爆機(jī)構(gòu)的應(yīng)用對(duì)降低小口徑榴彈引信在試驗(yàn)中的瞎火率具有一定的價(jià)值。

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