MEMS后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)在高沖擊環(huán)境下的失效模式

劉加凱，李 娜

(1.武警工程大學(xué)裝備工程學(xué)院，陜西 西安 710086；2.武警工程大學(xué)理學(xué)院，陜西 西安 710086)

MEMS后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)在高沖擊環(huán)境下的失效模式

劉加凱1，李 娜2

(1.武警工程大學(xué)裝備工程學(xué)院，陜西 西安 710086；2.武警工程大學(xué)理學(xué)院，陜西 西安 710086)

針對(duì)金屬基MEMS后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)在高沖擊環(huán)境下的作用可靠性問(wèn)題，采用瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)方法對(duì)MEMS后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)在發(fā)射和跌落環(huán)境下的失效模式進(jìn)行了仿真及馬希特錘沖擊試驗(yàn)。仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明，在發(fā)射環(huán)境下，當(dāng)MEMS后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的卡頭進(jìn)入卡槽時(shí)，在卡頭翼片的轉(zhuǎn)彎處會(huì)產(chǎn)生較大的塑性變形，易造成卡頭不能被可靠鎖定的失效模式；在跌落環(huán)境下，由于彈簧上端拐角處發(fā)生了較大的塑性變形，使后坐滑塊不能在彈簧回復(fù)力的作用下恢復(fù)原位，導(dǎo)致后坐滑塊已實(shí)際解除對(duì)離心滑塊的約束。最后，對(duì)MEMS后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)中易產(chǎn)生塑性變形的原因進(jìn)行了分析。

MEMS引信；后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)；高沖擊環(huán)境；失效模式

0 引言

作為引信MEMS保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的核心部件，后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)是其第一道保險(xiǎn)，確保引信在感受發(fā)射后坐過(guò)載時(shí)解除保險(xiǎn)，而在感受勤務(wù)處理跌落過(guò)載時(shí)不解除保險(xiǎn)[1-2]。相對(duì)于硅類材料而言，金屬基MEMS機(jī)構(gòu)具有較好的抗沖擊、抗過(guò)載能力，非常適合于加工引信中的后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)等[3]。當(dāng)前，在金屬基MEMS后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制造方面已開展了大量的研究工作[4-5]，但這些MEMS機(jī)構(gòu)能否抵抗高沖擊等惡劣的環(huán)境條件，是其能否應(yīng)用于引信系統(tǒng)的關(guān)鍵。為考核金屬基MEMS后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)在高沖擊環(huán)境下的作用可靠性，本文提出了MEMS后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)在高沖擊環(huán)境下的失效模式。

1 后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性

1.1 后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)模型

圖1中所示的MEMS后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)就是由鎳材料采用LIGA工藝加工而成的，由框架、彈簧、滑塊、齒形曲折槽、閉鎖機(jī)構(gòu)組成[2]。其作用原理為：當(dāng)受到發(fā)射后坐過(guò)載作用時(shí)，后坐滑塊克服彈簧拉力和側(cè)壁摩擦阻力向下運(yùn)動(dòng)，由于發(fā)射過(guò)載作用時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)，后坐滑塊能夠通過(guò)齒形曲折槽并運(yùn)動(dòng)到位，閉鎖機(jī)構(gòu)閉合，解除對(duì)離心滑塊的約束；而當(dāng)受到跌落產(chǎn)生的沖擊過(guò)載時(shí)，由于作用時(shí)間相對(duì)較短以及齒形曲折槽的延時(shí)作用，后坐滑塊不能運(yùn)動(dòng)到位，并在彈簧的回復(fù)力作用下恢復(fù)至原位，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)可逆。

圖1 帶有齒形曲折槽的后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)Fig.1 Setback arming device withdentiform groove

為描述后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，選取后坐滑塊作為研究對(duì)象，在與齒形曲折槽接觸過(guò)程中，后坐滑塊的動(dòng)力學(xué)方程為[6]：

N1(sinα+fcosα)-fN2

(1)

式(1)中，m為后坐滑塊質(zhì)量，y為后坐滑塊下降的距離，a(t)為引信后坐加速度，k為彈簧剛度，λ0為彈簧的預(yù)拉伸長(zhǎng)度，N1為兩接觸齒間的正壓力，α為半齒形角，f為動(dòng)摩擦系數(shù)，N2為滑塊上下端的觸點(diǎn)與框架側(cè)壁的正壓力。

1.2 發(fā)射環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)特性

利用ANSYS/LS-DYNA軟件建立后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的彈塑性非線性三維仿真模型，電鑄鎳材料的基本參數(shù)如表1所列[7-8]。本節(jié)以一個(gè)持續(xù)時(shí)間為1 ms，在0.5 ms時(shí)達(dá)到18 000g峰值的半正弦沖擊脈沖，模擬引信發(fā)射過(guò)程中的后坐過(guò)載，并采用瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析方法對(duì)后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)在發(fā)射環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行仿真分析。

通過(guò)仿真分析，得出后坐滑塊在半正弦脈沖作用下的運(yùn)動(dòng)特性曲線如圖2所示。由圖2(a)后坐滑塊的時(shí)間-位移曲線可知，后坐滑塊在沖擊載荷作用下迅速向下運(yùn)動(dòng)，并在0.4 ms處達(dá)到最大位移1 200 μm，此時(shí)卡頭進(jìn)入卡槽中，閉鎖機(jī)構(gòu)閉合。圖2(b)為后坐滑塊從開始運(yùn)動(dòng)到閉鎖機(jī)構(gòu)閉合之前(即前0.4 ms)的時(shí)間-速度曲線，由圖可知，滑塊在通過(guò)曲折槽時(shí)速度呈震蕩性，這說(shuō)明齒形曲折槽對(duì)后坐滑塊的運(yùn)動(dòng)起到了延滯的作用。通過(guò)曲折槽后速度迅速增大，當(dāng)閉鎖機(jī)構(gòu)閉合后，滑塊速度迅速降低至零值。

表1 仿真模型基本參數(shù)Tab.1 Basic parameter of simulation modal

圖2 后坐滑塊的運(yùn)動(dòng)特性曲線Fig.2 Motion curve of setback slipper

圖3為4 ms處后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到位后的塑性應(yīng)變狀態(tài)。由圖可知，后坐滑塊在沖擊載荷作用下向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，特別是彈簧的上端幾節(jié)，由于轉(zhuǎn)彎處的應(yīng)力大于材料的屈服強(qiáng)度，引起了較大的塑性變形，最大塑形應(yīng)變率達(dá)10.3%。在卡頭與卡槽側(cè)壁碰撞接觸過(guò)程中，卡槽側(cè)壁對(duì)卡頭兩側(cè)的翼片產(chǎn)生壓力作用，使翼片轉(zhuǎn)彎處的應(yīng)力大于材料的屈服強(qiáng)度，從而使轉(zhuǎn)彎處發(fā)生較大的塑性變形，最大塑形應(yīng)變率達(dá)18.5%，兩側(cè)翼片上端的張度變小，變?yōu)殚]鎖前的67%，進(jìn)入卡槽后卡頭翼片的張度僅為卡槽槽口寬度的1.15倍。

圖3 后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)閉鎖后的塑性變形情況Fig.3 The displace and plastic deformation of setback arming device after close down

在后坐沖擊過(guò)載作用下，彈簧的上端會(huì)引起較大的塑性變形，這是由于彈簧上端不僅承受了滑塊的重量，而且還承受了整個(gè)彈簧的重量。雖然彈簧的重量?jī)H為滑塊的15.6%，但在高沖擊作用下，由彈簧自重引起的慣性力不容忽視。以加速度18 000g為例，彈簧最下端承受2.82 N的慣性力(由滑塊的質(zhì)量引起)，而在最上端則承受3.27 N的慣性力(由滑塊和整個(gè)彈簧的質(zhì)量引起)，在彈簧各段剛度相同的條件下，其變形量從下端到上端逐漸變大。此外，由于沖擊載荷的有效作用時(shí)間很短，加載速率很高，導(dǎo)致沖擊塑性波的傳播速率很低，且隨其向前傳播而迅速衰減，導(dǎo)致材料的應(yīng)力應(yīng)變不均勻性很大，使塑性變形主要集中在應(yīng)力較大的位置[9]。

當(dāng)卡頭進(jìn)入卡槽時(shí)，在卡頭翼片的轉(zhuǎn)彎處同樣會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，產(chǎn)生較大的塑性變形，導(dǎo)致卡頭翼片的張度幾乎與槽口寬度相同，易造成卡頭不能被可靠鎖定的故障，引發(fā)可靠性問(wèn)題。

1.3 跌落環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)特性

保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)是保證引信安全性的核心部件，根據(jù)GJB573A-1998《引信環(huán)境與性能試驗(yàn)方法》的規(guī)定，引信要能夠抵抗從12 m高度自由跌落到鋼板上的沖擊脈沖，并保證引信的安全性[9]。本節(jié)以一個(gè)持續(xù)時(shí)間為300 μs，在150 μs時(shí)達(dá)到峰值12 000g的半正弦脈沖來(lái)模擬該跌落環(huán)境，對(duì)后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)在跌落環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行仿真分析[10]。

通過(guò)仿真分析，后坐滑塊在半正弦脈沖作用下的運(yùn)動(dòng)特性曲線如圖4所示。由圖4可知，后坐滑塊的位移在初始階段迅速增大，在0.4 ms時(shí)達(dá)到最大值682 μm，隨后在彈簧回復(fù)力作用下，向上運(yùn)動(dòng)約120 μm，之后滑塊位移基本穩(wěn)定在560 μm左右，超出了后坐滑塊對(duì)離心滑塊的約束距離(300 μm)。此時(shí)，雖然后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)中的閉鎖機(jī)構(gòu)并未閉合，但后坐滑塊已實(shí)際解除了對(duì)離心滑塊的約束，從而使后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)在跌落環(huán)境中存在安全隱患，如圖5所示。由圖5可知，彈簧的上端幾節(jié)在沖擊脈沖作用下發(fā)生了較大的塑性變形，最大塑性應(yīng)變率達(dá)14.6%。利用Matlab軟件對(duì)彈簧上各節(jié)點(diǎn)由塑性應(yīng)變引起的縱向位移進(jìn)行積分，可得此時(shí)彈簧由塑性應(yīng)變引起的縱向伸長(zhǎng)量為546 μm。加之滑塊和彈簧自重以及曲折槽阻力的作用，使得滑塊的位移最終穩(wěn)定在560 μm左右，這是導(dǎo)致后坐滑塊不能在彈簧回復(fù)力的作用下恢復(fù)至原位的根本原因所在。

該后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)在引信發(fā)射周期之前的跌落環(huán)境下能夠?qū)嶋H解除對(duì)離心滑塊約束，雖然經(jīng)歷12 m跌落試驗(yàn)后引信不再使用，但仍使引信在轉(zhuǎn)移和處理過(guò)程中存在一定的安全隱患。

圖4 后坐滑塊的時(shí)間-位移曲線Fig.4 Time-displace curve of setback slipper

圖5 后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)解除對(duì)離心滑塊的約束Fig.5 The displace and plastic deformationstate of setback arming device

2 后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的機(jī)械沖擊試驗(yàn)

為模擬MEMS后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)在發(fā)射和跌落環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)特性，進(jìn)行了馬希特錘機(jī)械沖擊試驗(yàn)。由于利用馬希特錘進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，每次沖擊的加速度值的重復(fù)性較差，不能嚴(yán)格按照試驗(yàn)設(shè)計(jì)值開展試驗(yàn)，所以采用與仿真數(shù)據(jù)的相接近的數(shù)值開展試驗(yàn)研究。在沖擊試驗(yàn)中，各樣本的試驗(yàn)情況如表2所列。

表2 后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)在沖擊試驗(yàn)中的試驗(yàn)情況Tab.2 The testing status of setback arming devices in mechanical shock test

由表2可知，后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)解除保險(xiǎn)的沖擊脈沖不僅要有足夠的g值，還要有一定的脈寬，這是齒形曲折槽起到延時(shí)作用的結(jié)果。從表中可以看出，解除保險(xiǎn)的g值至少要大于3 400g，脈寬也要大于600 μs。

在沖擊試驗(yàn)中，后座保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)出現(xiàn)的主要失效模式如下：

1)在試驗(yàn)過(guò)程中，第2發(fā)和第4發(fā)保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)由于卡頭翼片發(fā)生較大的塑性變形而從卡槽中脫出，導(dǎo)致閉鎖機(jī)構(gòu)不能可靠閉合，如圖6所示。

2)為了考核后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)在勤務(wù)處理時(shí)的安全性，進(jìn)行了馬希特錘剛對(duì)剛的錘擊試驗(yàn)(表2中第7、8、9、10發(fā)保險(xiǎn)機(jī)構(gòu))，模擬勤務(wù)處理中跌落時(shí)的狀態(tài)。雖然在跌落試驗(yàn)中，后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)未閉鎖，但是由于彈簧在上端幾節(jié)的拐角處發(fā)生了較大的塑性變形，使后坐滑塊不能在彈簧回復(fù)力的作用下恢復(fù)至原位，從而導(dǎo)致后坐滑塊實(shí)際解除了對(duì)離心滑塊的約束，使引信存在一定安全隱患，如圖7所示。

圖7 沖擊試驗(yàn)中后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的位移情況Fig.7 Impact pulse and displacement of setback arming device

通過(guò)對(duì)MEMS后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析可知，在馬希特錘擊試驗(yàn)中所出現(xiàn)的失效模式與仿真結(jié)果具有較好的一致性。

3 后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的失效原因分析

通過(guò)對(duì)后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)在發(fā)射和跌落兩類高沖擊環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行仿真和試驗(yàn)分析可知，后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)在承受高沖擊環(huán)境作用下，其主要失效模式包括：閉鎖機(jī)構(gòu)不能可靠閉合、后坐滑塊在跌落環(huán)境中解除對(duì)離心滑塊的約束等。這些失效模式都是由于機(jī)構(gòu)在高沖擊作用下發(fā)生較大變形，進(jìn)而導(dǎo)致塑性變形所引起的。

之所以在后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)中易產(chǎn)生塑性變形，與MEMS機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形態(tài)關(guān)系很大。利用(準(zhǔn))LIGA工藝加工MEMS機(jī)構(gòu)時(shí)，由于工藝特點(diǎn)的限制，MEMS機(jī)構(gòu)多為平面結(jié)構(gòu)，機(jī)構(gòu)之間通過(guò)平面運(yùn)動(dòng)相互約束，這就造成了平面MEMS機(jī)構(gòu)中必然存在較多的拐角、轉(zhuǎn)彎等易引起應(yīng)力集中的位置，在外力的作用下易于引發(fā)塑性變形。因此應(yīng)通過(guò)對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)予以避免。

4 結(jié)論

本文采用瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)方法對(duì)MEMS后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)在發(fā)射和跌落環(huán)境下的失效模式進(jìn)行了仿真及馬希特錘沖擊試驗(yàn)。仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明，在發(fā)射環(huán)境條件下，當(dāng)MEMS后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的卡頭進(jìn)入卡槽時(shí)，卡頭翼片的轉(zhuǎn)彎處會(huì)產(chǎn)生較大的塑性變形，易造成卡頭不能被可靠鎖定的故障。在跌落環(huán)境下，由于彈簧上端拐角處發(fā)生了較大的塑性變形，使后坐滑塊不能在彈簧回復(fù)力的作用下恢復(fù)至原位，從而導(dǎo)致后坐滑塊實(shí)際解除了對(duì)離心滑塊的約束，使引信存在一定的安全隱患。

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Failure Models of MEMS Setback Arming Device under High Impact Environment

LIU Jiakai1, LI Na2

(1. Engineering & Equipment Engineering College, University of Armed Police, Xi’an 710086, China;2. Engineering & Equipment Engineering College, University of Armed Police, Xi’An, 710086, China)

In order to examine the action reliability of metal MEMS setback arming device under high impact environment, the instantaneous-dynamics was utilized to simulate the motion specific of setback arming device in launching environment and falling off environment, and MEMS setback arming devices was undertaken Maxite impact test. The research results showed that the blocking head could not be locked reliably because of large plastic deformation in launching environment. The corners of spring occur big plastic deformation under falling off environment, which led to the spring stretch, made the slipper unable to comeback original state and centrifugal slipper unfreezing. Finally, the reason of failure models of the MEMS setback arming device was analyzed.

MEMS fuze; setback arming device; high impact environment; failure model

2016-05-14

劉加凱(1985—)，男，河南輝縣人，博士，講師，研究方向：MEMS可靠性。E-mail: liujiakai1129@163.com。

TJ43

A

1008-1194(2016)06-0015-05