光致形變聚合物的引信微驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

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(中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原 030051)

光致形變聚合物的引信微驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

周雪麗，李世中

(中北大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，山西 太原 030051)

光致形變聚合物材料在光驅(qū)動(dòng)型微執(zhí)行器方面具有體積小、結(jié)構(gòu)簡單和易實(shí)現(xiàn)遙控等特點(diǎn)。介紹了光致形變聚合物的變形機(jī)理及其等效彎曲效應(yīng)，并將其應(yīng)用到引信安全與解除保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)上。通過計(jì)算得出具有一定尺寸薄板的等效彎曲行為，并用ANSYS仿真其變形量。根據(jù)其變形量設(shè)計(jì)相應(yīng)的安保機(jī)構(gòu)，使光致形變薄板能提供足夠的驅(qū)動(dòng)力，保證引信安全解除保險(xiǎn)，并通過仿真計(jì)算驗(yàn)證了在引信驅(qū)動(dòng)器上應(yīng)用的可行性。

光致形變聚合物;微驅(qū)動(dòng)器;安保機(jī)構(gòu)

0 引言

光致形變聚合物材料是一種新型智能材料，其可通過非接觸光照能量完成自身形狀及尺寸的改變。復(fù)旦大學(xué)的俞燕蕾和東京工業(yè)大學(xué)的Ikeda(池田富樹)等首先報(bào)道了含有偶氮苯的液晶彈性體薄膜的三維彎曲運(yùn)動(dòng)，并通過進(jìn)一步研究精確控制了膜的彎曲方向，光致伸縮的實(shí)驗(yàn)值已達(dá)20%，理論值可達(dá)400%[1-4]，因而在作為微驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用中具有重要的開發(fā)潛力。傳統(tǒng)的機(jī)械式引信主要是利用后坐力、離心力等外界環(huán)境力來完成相應(yīng)的動(dòng)作。近年來，新型引信驅(qū)動(dòng)器成為研究熱點(diǎn)，發(fā)展較迅速，基于智能材料的驅(qū)動(dòng)器趨于小型化和實(shí)用化。目前,引信驅(qū)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)方式主要有機(jī)械力驅(qū)動(dòng)、火藥驅(qū)動(dòng)、電磁驅(qū)動(dòng)、電熱驅(qū)動(dòng)、形狀記憶合金驅(qū)動(dòng)、壓電驅(qū)動(dòng)、超聲波驅(qū)動(dòng)和靜電驅(qū)動(dòng)等。光驅(qū)動(dòng)方式是依靠材料在光照時(shí)的變形量為引信安全解除保險(xiǎn)提供驅(qū)動(dòng)力。將光致形變聚合物材料應(yīng)用到引信安全與解除保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)上，具有良好的遠(yuǎn)程可控性且結(jié)構(gòu)簡單，體積小，驅(qū)動(dòng)電壓較低，不易受電磁、熱等外界干擾影響，保證了引信作用的精確性與可靠性。

1 光致形變聚合物材料變形機(jī)理

光致形變聚合物材料是一種含有偶氮苯的液晶彈性體，將偶氮苯等光致變色分子引入到液晶體系中，通過光致變色分子的光化學(xué)反應(yīng)引發(fā)液晶的相轉(zhuǎn)變。液晶分子具有各向異性排列和協(xié)同運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，在360nm的紫外光的照射下，會(huì)產(chǎn)生液晶相到各向同性相的轉(zhuǎn)變，即光化學(xué)相轉(zhuǎn)變，分子的排列也因此出現(xiàn)有序-無序的變化。經(jīng)過光異構(gòu)化反應(yīng)產(chǎn)生的順式偶氮苯是彎曲結(jié)構(gòu)，使整個(gè)液晶體系發(fā)生取向紊亂。偶氮苯單元具有吸光性，但99%左右的入射光只能被小于1μm的表面區(qū)域吸收，由于光致形變薄板的厚度遠(yuǎn)大于入射光在材料內(nèi)部的衰減距離。因此，偶氮苯的光異構(gòu)化反應(yīng)只在材料表面發(fā)生。這種由液晶分子的相變引發(fā)的液晶彈性體的宏觀收縮，表現(xiàn)為材料尺寸和形狀的改變。其變形機(jī)理如圖1所示[5]。

圖1 液晶相至各向同性相的轉(zhuǎn)變

2 光致形變聚合物的變形能分析

光致形變聚合物材料在紫外光照下的彎曲效果可等效為無光照條件下，在光致彎曲薄板兩端加載光致彎矩Tm和光致力Nm時(shí)材料的彎曲行為[6-10]，如圖2所示。

(1)

(2)

(3)

h為材料厚度；k為比例常數(shù)；τct為特征時(shí)間；d為衰減距離；t為光照時(shí)間；I0為光照強(qiáng)度；η0為吸收常數(shù),通常取k=0.11，τct=50，d=0.11μm，I0=150mW/cm2,η0=0.15。

在不考慮光照的時(shí)間，即趨于無窮大時(shí)，則

(4)

將式(4)分別帶入式(1)和式(2)，即可求出光致彎矩Tm和光致力Nm。

圖2 光致形變材料的等效受力

3 光驅(qū)動(dòng)引信滑塊隔爆機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

引信隔爆機(jī)構(gòu)是引信安全與解除保險(xiǎn)裝置中最重要的機(jī)構(gòu)，起到在平時(shí)及勤務(wù)處理時(shí)隔爆及發(fā)射時(shí)安全解除保險(xiǎn)的作用。典型的引信隔爆機(jī)構(gòu)有滑塊隔爆機(jī)構(gòu)和球轉(zhuǎn)子隔爆機(jī)構(gòu)。球轉(zhuǎn)子隔爆機(jī)構(gòu)是利用球轉(zhuǎn)子在離心力作用下沿導(dǎo)向槽轉(zhuǎn)動(dòng)，達(dá)到球轉(zhuǎn)子主軸與引信軸線對正，從而使引信解除保險(xiǎn)。以下主要研究滑塊隔爆機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

引信MEMS安全與解除保險(xiǎn)裝置的隔爆機(jī)構(gòu)主要由滑塊、滑塊彈簧、鎖銷、鎖銷彈簧、隔爆板及驅(qū)動(dòng)器組成。驅(qū)動(dòng)器的作用是在彈丸發(fā)射后，通過自身產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力帶動(dòng)鎖銷退出保險(xiǎn)卡槽，從而達(dá)到安全解除保險(xiǎn)的目的。目前，引信滑塊隔爆機(jī)構(gòu)常用的驅(qū)動(dòng)方式有電磁驅(qū)動(dòng)和電熱驅(qū)動(dòng)。電磁驅(qū)動(dòng)利用磁體間產(chǎn)生的電磁力來解除保險(xiǎn)，電熱驅(qū)動(dòng)是利用微結(jié)構(gòu)通電發(fā)熱產(chǎn)生的熱應(yīng)力而工作的。主要研究將光驅(qū)動(dòng)方式應(yīng)用到引信MEMS安全與解除保險(xiǎn)裝置中[11-12]。其隔爆機(jī)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 引信滑塊隔爆機(jī)構(gòu)

為保證有效解除保險(xiǎn)，將鎖銷末端加工成閉鎖機(jī)構(gòu)。光驅(qū)動(dòng)器是由光致形變聚合物材料薄板及外圍電路組成，考慮到光致彎曲薄板在彈丸發(fā)射過程中可能會(huì)發(fā)生移位，所以需將其固定到鎖銷的末端的端面上。但是，為了不約束薄板彎曲，只能將薄板的中間部位與鎖銷固定。光驅(qū)動(dòng)器的作用過程為：彈丸發(fā)射后，傳感器檢測到解除保險(xiǎn)信號(hào)，并傳給光驅(qū)動(dòng)器，光驅(qū)動(dòng)器通電。光致彎曲薄板受到一定波長紫外光照射發(fā)生彎曲，當(dāng)薄板的兩側(cè)因彎曲而碰觸到保險(xiǎn)卡槽時(shí)，變形受到約束，而發(fā)生鎖銷運(yùn)動(dòng)方向的位移，從而帶動(dòng)鎖銷退出保險(xiǎn)卡槽，使鎖銷末端的鎖頭卡入閉鎖機(jī)構(gòu)，完成解除保險(xiǎn)的動(dòng)作。

為保證鎖頭能順利進(jìn)入閉鎖，需考慮鎖頭卡入閉鎖中所需的最大驅(qū)動(dòng)力，該驅(qū)動(dòng)力可表示為[11-12]：

(5)

鎖頭及閉鎖的參數(shù)如圖4所示。其中，r為鎖頭及閉鎖的圓弧半徑；K1為閉鎖機(jī)構(gòu)的剛度系數(shù)；θ為鎖頭和閉鎖2圓心連線與水平線間的距離；l為完成閉鎖動(dòng)作需移動(dòng)的最小位移；u為鎖頭與鎖銷之間的摩擦系數(shù)。

圖4 閉鎖機(jī)構(gòu)參數(shù)

4 引信微驅(qū)動(dòng)器有限元分析

按照引信MEMS安全與解除保險(xiǎn)裝置的尺寸要求，將光致彎曲薄板的邊長設(shè)為5mm，厚度為60μm。將式(4)分別帶入式(1)和式(2)，可得在紫外線光照波長為365nm，光照強(qiáng)度為150mW/cm2時(shí)的等效光致力Nm為1.1N,等效彎矩Tm為6.6×10-6N·m。通過ANSYS對光致彎曲薄板在無任何約束時(shí)建模仿真，其仿真結(jié)果如圖5所示。根據(jù)分析結(jié)果，薄板在等效光致力和等效彎矩作用下的最大變形量為4.5mm。

根據(jù)光致彎曲薄板的最大變形量，取閉鎖桿的長度為6mm，寬和高都是為0.2mm，鎖頭和閉鎖半徑為0.3mm，d取0.26mm，θ為45°。鎖銷、鎖頭及閉鎖選用鎳加工，其彈性模量為2.06×1011，泊松比為0.3，密度為8900kg/m3。在ANSYS中對閉鎖機(jī)構(gòu)建模仿真，在閉鎖上施加5N的集中力載荷，得到其在Y軸方向的位移為0.013m，如圖6所示。

圖5 光致彎曲薄板在無約束時(shí)的最大變形

圖6 閉鎖的變形

由于閉鎖的剛度系數(shù)K不隨施加載荷的大小而改變，則

將r，d，θ及K的值帶入式(5)計(jì)算得到最大驅(qū)動(dòng)力N的大小為39 mN。同樣在ANSYS中對光致形變薄板只加39 mN集中力載荷，可得薄板的最大變形量為3.9 mm。由于薄板在等效光致力和等效彎矩作用下的最大變形量為4.5mm。因此,L和薄板至保險(xiǎn)卡槽的距離之和應(yīng)設(shè)計(jì)為0.6mm左右,閉鎖和鎖頭半徑為0.3mm，由此可知，設(shè)計(jì)是合理的，即光驅(qū)動(dòng)器能夠提供足夠的驅(qū)動(dòng)力使滑塊隔爆機(jī)構(gòu)完成解除保險(xiǎn)動(dòng)作。

5 結(jié)束語

目前，光致形變聚合物材料作為新型智能材料，已在流體控制系統(tǒng)及微馬達(dá)上得到一定應(yīng)用，但是，其在引信微驅(qū)動(dòng)器中的應(yīng)用研究尚處于初級階段，有很多問題需要解決。如引信惡劣工作環(huán)境下，光驅(qū)動(dòng)器能否提供引信解除保險(xiǎn)所需要的足夠的驅(qū)動(dòng)力 ；閉鎖機(jī)構(gòu)在彈丸發(fā)射后的高沖擊下可能會(huì)提前發(fā)生變形，造成引信提前解除保險(xiǎn)或無法解除保險(xiǎn)；光致形變薄板的變形時(shí)間能否達(dá)到與解除保險(xiǎn)時(shí)間的一致等。重點(diǎn)研究了光致形變聚合物材料作為MEMS微驅(qū)動(dòng)器的技術(shù)途徑，通過對引信隔爆機(jī)構(gòu)及其光驅(qū)動(dòng)微執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和建模仿真，驗(yàn)證了光致形變聚合物材料在引信微驅(qū)動(dòng)器上應(yīng)用的可行性，對MEMS引信的發(fā)展具有參考意義。

[1] 楊衛(wèi)祥，朱玉田，符星球,等.光致彎曲驅(qū)動(dòng)曲梁的撓曲線方程求解[J].現(xiàn)代制造工程,2010,32(4):115-115.

[2] Yu Y L，Nakano M，Ikeda T．Directed bending of a polymer film by light[J].Nature,2003，425：145-145.

[3] Finkelmann H，Nishikawa E，Pereira G G，et al．A new opto-mechanical effect in solids[J].Phys Rev Lett，200l，87，015501.

[4] Ikeda T,Nakano M,Yu Y L,et al.Anisotropic bending and unbending behavior of azobenzene liquid-crystalline gels by light exposure[J].Advanced Materials,2003(15):201-204.

[5] 俞燕蕾，劉玉云.光致形變液晶彈性體的研究進(jìn)展[J].自然雜志,2012,35(2):127-128.

[6] 劉釗，胡成云，陳茂林，等.一種新型光致彎曲聚合物材料機(jī)械特性的研究[J].材料開發(fā)與應(yīng)用,2008,23(6)：44-45.

[7] 陳茂林，劉釗，岳濤，等.光致形變聚合物材料馬達(dá)光驅(qū)動(dòng)的變性能分析[J].材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào),2010,28(2)：172-174.

[8] 陳茂林，許溱，朱玉田，等.光致彎曲聚合物的材料特性測試[J].材料熱處理學(xué)報(bào),2012,32(3)：12-15.

[9] 胡成云.光致彎曲聚合物材料特性的試驗(yàn)研究[D].上海:同濟(jì)大學(xué),2009.

[10] Yu Y L,Ikeda T.Alignment modulation of azobenzene-containing liquid crystal systems by photochemical reactions[J].Journal of Photochemistry and Photobiology C:Photochemistry Reviews,2004(5):247-265.

[11] 李啟磊.MEMS引信安全與解除保險(xiǎn)裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[D].南京：南京理工大學(xué),2009.

[12] 李志超.微機(jī)電安全與解除保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)[D].南京：南京理工大學(xué),2010.

Design of Fuze Micro Drives Based on the Light-induced Deforming Polymer

ZHOUXueli,LIShizhong

(Mechanical and Electrical Engineering College of Zhongbei University,Taiyuan 030051,China)

Light-induced deforming polymer materials in light type micro actuator has the advantage of small volume, simple structure,easy to realize remote control,etc.Introduces the deformation mechanism of the light-induced deforming polymer and its equivalent bending effect,and its application to the fuze,safety and arminy mechanism.Calculated equivalent bending behavior of a certain size sheet,and its deformation simulation with ANSYS.According to its deformation design corresponding security organization,make light deformation plate can provide enough driving force,to ensure the safety of fuze remove insurance,and through the simulation calculation to verify the feasibility of application in fuze drives.

light-induced deforming polymer;micro drives;safety and arminy mechanism

2014-03-31

TJ430.33

A

1001-2257(2014)08-0011-03

周雪麗(1989-)，女，山東菏澤人，碩士研究生，研究方向?yàn)楣怛?qū)動(dòng)型微執(zhí)行器的設(shè)計(jì)；李世中(1969-)，男，河北欒城人，教授，研究方向?yàn)槟繕?biāo)探測識(shí)別、系統(tǒng)仿真。