MEMS懸臂卡鎖式后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)

李雯迪，聶偉榮，席占穩(wěn)，陳海峰

(南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

0 引言

微機(jī)電系統(tǒng)(Micro Electro-mechanical System，MEMS)是集微機(jī)械結(jié)構(gòu)和微電子于一體的微型集成化系統(tǒng)，如微傳感器、微陀螺儀、微馬達(dá)等其他執(zhí)行器，具有采集、處理和傳遞信息等功能。相比于傳統(tǒng)機(jī)電系統(tǒng)，因具有尺寸小、易集成以及大批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)得到了迅速發(fā)展，已在航空航天、汽車電子、國(guó)防事業(yè)、生物醫(yī)學(xué)和環(huán)保等人們所接觸到的幾乎所有領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景[1-4]。

近年來(lái)隨著新技術(shù)的不斷涌入，新的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的不斷拓展，對(duì)引信的要求也不斷地提高，同時(shí)，現(xiàn)代武器裝備對(duì)彈藥性能及毀傷效能要求也在不斷提高。這就要求在現(xiàn)有彈藥的固有體積中，增大裝藥量并壓縮引信的空間[5]。采用MEMS技術(shù)可有效地降低在有限空間內(nèi)設(shè)計(jì)復(fù)雜功能引信的難度并增強(qiáng)引信的功能，MEMS技術(shù)應(yīng)用于引信的一個(gè)重要方向就是MEMS安全系統(tǒng)。MEMS技術(shù)在引信安全系統(tǒng)中應(yīng)用最早始于美國(guó)海軍水面作戰(zhàn)中心(NSWC)研制的6.25 in反魚(yú)雷引信[6]，并成功對(duì)該裝置進(jìn)行了海上射擊試驗(yàn)。Charles H.Robinson團(tuán)隊(duì)對(duì)MEMS技術(shù)在引信安全系統(tǒng)中的應(yīng)用做了大量的工作，設(shè)計(jì)的MEMS安保機(jī)構(gòu)歷經(jīng)幾代，技術(shù)比較成熟，用于理想單兵戰(zhàn)斗武器系統(tǒng)中的MEMS安保機(jī)構(gòu)已經(jīng)進(jìn)行了多次實(shí)彈射擊，其主要設(shè)計(jì)思路[7]是，模塊化的MEMS安全系統(tǒng)，主要采用UV-LIGA工藝，材料選用鎳基或者銅基，采用后坐和離心雙保險(xiǎn)，同時(shí)，第二道遠(yuǎn)距離解除保險(xiǎn)都采用電火藥執(zhí)行器對(duì)其進(jìn)行動(dòng)作控制，傳爆序列采用錯(cuò)位式。文獻(xiàn)[8]提出了包含滑塊、彈簧以及閉鎖機(jī)構(gòu)MEMS后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)，通過(guò)仿真分析表明該后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)滿足某小口徑榴彈的使用要求。程玄玄等人[9]提出了一種剪斷式后坐卡銷MEMS保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)，驗(yàn)證了該后坐卡銷解除保險(xiǎn)行程較大，滿足可靠性要求。

但上述MEMS安全系統(tǒng)都是采用單片式設(shè)計(jì)思想[10]，安全系統(tǒng)平行彈軸進(jìn)行放置，使得傳爆序列與傳統(tǒng)引信相垂直，傳爆序列不在同一直線上，爆轟能量的傳遞需要改變方向，必然會(huì)帶來(lái)能量的損失。本文針對(duì)上述問(wèn)題，提出了可用于垂直于彈軸放置的MEMS安全系統(tǒng)的懸臂卡鎖式后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)。

1 MEMS安全系統(tǒng)工作原理

本文中提出的一種垂直于彈軸放置的MEMS安全系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1，該系統(tǒng)主要由基板、懸臂卡鎖式后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)、離心保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)、隔爆滑塊、指令鎖保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)[11]等組成。MEMS安全系統(tǒng)是采用MEMS技術(shù)在基板上一體化加工出后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)和離心保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是一體化加工，免裝配，易實(shí)現(xiàn)。本文提出的MEMS安全系統(tǒng)主要應(yīng)用于中大口徑榴彈等彈種之上。

MEMS安全系統(tǒng)的工作原理為：平時(shí)狀態(tài)下，隔爆滑塊被后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)和離心保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)卡住，該系統(tǒng)處于安全狀態(tài)；發(fā)射后，懸臂卡鎖式后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)感受后坐環(huán)境力向下運(yùn)動(dòng)脫離隔爆滑塊，解除對(duì)隔爆滑塊的第一道保險(xiǎn)；隔爆滑塊在離心力的作用下向右運(yùn)動(dòng)解除對(duì)離心保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的鎖定，之后在離心力的作用下離心彈性梁帶動(dòng)離心卡鎖向外側(cè)運(yùn)動(dòng)，解除對(duì)隔爆滑塊的第二道保險(xiǎn)；當(dāng)彈丸飛行至炮口安全距離之外，指令鎖保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)開(kāi)始作用，通過(guò)彈道實(shí)時(shí)信息控制，推動(dòng)柔性鎖臂，解除對(duì)隔爆滑塊的最后一道保險(xiǎn)，隔爆滑塊在離心力的作用下運(yùn)動(dòng)到位并鎖定，此時(shí)該系統(tǒng)處于解除保險(xiǎn)狀態(tài)，傳爆序列對(duì)正，引信處于待發(fā)狀態(tài)。

2 模型簡(jiǎn)化與理論分析

本文中提出的垂直于彈軸的MEMS安全系統(tǒng)的懸臂卡鎖式后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)，其基本模型可以看成是一個(gè)彈簧支撐的懸空質(zhì)量塊，即彈簧質(zhì)量阻尼系統(tǒng)，簡(jiǎn)化后的物理模型如圖2所示，由于質(zhì)量塊的質(zhì)量往往遠(yuǎn)大于彈簧的質(zhì)量，在這種情況下忽略彈簧的質(zhì)量引起的誤差微乎其微，因此該模型由質(zhì)量為m的質(zhì)量塊與一個(gè)無(wú)質(zhì)量的、彈性系數(shù)為k的彈簧組成，阻尼系數(shù)為c，用于識(shí)別兩種典型的加速度環(huán)境，即意外跌落環(huán)境和正常發(fā)射環(huán)境。為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)計(jì)算，設(shè)計(jì)時(shí)將采用最常見(jiàn)的沖擊加速度形式——半正弦沖擊[12]來(lái)模擬兩種加速度環(huán)境，簡(jiǎn)化后如圖3所示。

由于阻尼力遠(yuǎn)小于工作時(shí)的慣性力，為簡(jiǎn)化分析過(guò)程，忽略阻尼c對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的影響，加速度環(huán)境下的后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)可等效為一個(gè)無(wú)阻尼單自由度受迫振動(dòng)系統(tǒng)，即彈簧質(zhì)量系統(tǒng)，m為系統(tǒng)質(zhì)量塊質(zhì)量，k為彈簧剛度系數(shù)，x(t)為質(zhì)量塊的位移，a(t)為施加在系統(tǒng)上的激勵(lì)。根據(jù)牛頓第二定律可得系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程為：

(1)

式(1)中，半正弦沖擊加速度a(t)的表達(dá)式為：

a(t)=a0sinω0t(t

(2)

式(2)中，a0是幅值，t0是脈寬，t0=π/ω0，ω0是半正弦加速度的本征頻率，因此式(1)可以改寫(xiě)成

(3)

(4)

將x(t)對(duì)t求導(dǎo)可得

(5)

當(dāng)ωn<ω0時(shí)，t=2nπ/(ωn+ω0)>t0，x(t)在區(qū)間[0，t0]上是個(gè)增函數(shù)，沒(méi)有極值點(diǎn)，所以質(zhì)量塊在t0處取得最大位移

(6)

當(dāng)ωn>ω0時(shí)，x(t)在t=2nπ/(ωn+ω0)處取得極大值，此時(shí)質(zhì)量塊的最大位移為

(7)

針對(duì)本文的設(shè)計(jì)需求，需要區(qū)分意外跌落和正常發(fā)射兩種不同的激勵(lì)，模擬意外跌落載荷的峰值相對(duì)較大，脈寬相對(duì)較小，結(jié)合應(yīng)用背景，幅值a01=15 000g，脈寬t01=0.1～0.15 ms，正常發(fā)射情況下，幅值a02=12 000g，脈寬t02=4～6 ms，通過(guò)數(shù)值仿真得到兩種加速度情況下不同脈寬對(duì)其最大位移的影響如圖4所示。

從圖4中可以看出，模擬意外跌落時(shí)，脈寬越大，系統(tǒng)最大相應(yīng)位移越大；正常發(fā)射時(shí)，脈寬越小，位移越大。因此，選取意外跌落位移最大時(shí)，即幅值a01=15 000g，脈寬t01=0.15 ms與正常發(fā)射位移最小值，即幅值a02=12 000g，脈寬t02=6 ms進(jìn)行比較，得到圖5。

從圖5中可以看出，在正常發(fā)射環(huán)境下系統(tǒng)的最大響應(yīng)位移隨著固有角頻率的增加而急劇減小，而在意外跌落環(huán)境下，固有角頻率的變化對(duì)系統(tǒng)最大響應(yīng)位移的影響不明顯，從圖中可知，在系統(tǒng)的固有角頻率小于7 300 rad/s時(shí)，正常發(fā)射時(shí)的最大位移響應(yīng)總是大于意外跌落時(shí)的位移響應(yīng)，因此理論證明，彈簧質(zhì)量系統(tǒng)可以識(shí)別這兩種環(huán)境，只要確保在意外跌落時(shí)，彈簧質(zhì)量系統(tǒng)的位移總是小于解除保險(xiǎn)需要的位移，在正常發(fā)射時(shí)，彈簧質(zhì)量系統(tǒng)的位移總是大于解除保險(xiǎn)需要的位移，就能保證意外跌落時(shí)引信處于安全狀態(tài)，正常發(fā)射時(shí)引信能夠可靠解除保險(xiǎn)。

3 仿真分析

有限元仿真分析是處理動(dòng)力學(xué)問(wèn)題的有效方法，使用ABAQUS建立懸臂卡鎖式后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)實(shí)體模型，考慮到高韌性的要求，懸臂卡鎖利用微電鑄工藝用鎳材料制作，由于其機(jī)械性能與電鑄過(guò)程中的電流密度、電鑄時(shí)間、電鑄面積、加工高度等因素有密切關(guān)系，加工過(guò)程不同，材料參數(shù)會(huì)有一定的差異，其屈服強(qiáng)度處于0.5～1.1 GPa[13-14]，為便于分析，電鑄鎳材料的參考參數(shù)如表1。

表1 電鑄鎳材料參數(shù)

根據(jù)理論分析滿足要求的固有頻率，建立懸臂卡鎖式后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的實(shí)體模型，初步選定懸臂卡鎖梁長(zhǎng)4 mm，寬0.3 mm，厚0.1 mm，懸臂卡鎖質(zhì)量塊為半徑為1 mm 空心圓柱，厚為0.1 mm，隔爆滑塊厚度為0.8 mm，如圖6所示。隔爆滑塊的厚度即為后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)能否解除保險(xiǎn)參照的位移，在隔爆滑塊下面，為懸臂卡鎖式后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)置有運(yùn)動(dòng)空間。仿真過(guò)程中采用的單位為kg-mm-ms-GPa。

意外跌落時(shí)，分別選取0.1 ms，15 000g以及0.15 ms，15 000g進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)仿真，得到懸臂卡鎖的質(zhì)量塊與梁交叉點(diǎn)A處的位移隨時(shí)間的變化趨勢(shì)如圖7所示，懸臂卡鎖在0.1 ms，15 000g的位移小于在0.15 ms，15 000g的位移，驗(yàn)證了理論分析結(jié)論：意外跌落時(shí)，脈寬越大，懸臂卡鎖響應(yīng)位移越大。在0.15 ms，15 000g加速度作用下，懸臂卡鎖應(yīng)力云圖和位移云圖如圖8(a)、(b)所示，懸臂卡鎖的質(zhì)量塊與梁交叉點(diǎn)A處的最大位移為0.71 mm，小于隔爆滑塊的厚度0.8 mm，隔爆滑塊依然被卡住，此時(shí)最大應(yīng)力出現(xiàn)在懸臂卡鎖的固定端，為0.55 GPa，小于電鑄鎳材料的屈服強(qiáng)度0.75 GPa，在意外跌落加速度消失之后，懸臂卡鎖在彈性力作用下回復(fù)到初始位置，卡住隔爆滑塊。因此，懸臂卡鎖式后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)在意外跌落時(shí)能夠保證引信第一道保險(xiǎn)處于安全狀態(tài)。

正常發(fā)射時(shí)，分別選取4 ms，12 000g以及6 ms，12 000g兩種加速度進(jìn)行仿真，仿真時(shí)間設(shè)置為8 ms，便于觀察加速度消失后的位移情況，得到懸臂卡鎖的質(zhì)量塊與梁交叉點(diǎn)A處的位移隨時(shí)間變化趨勢(shì)如圖9所示，懸臂卡鎖在運(yùn)動(dòng)到觸碰底板時(shí)達(dá)到其最大位移，在達(dá)到其最大位移之前，懸臂卡鎖在6 ms，12 000g的位移小于4 ms，12 000g的位移，驗(yàn)證了理論分析結(jié)論：正常發(fā)射時(shí)，脈寬越大，懸臂卡鎖位移越小。開(kāi)始運(yùn)動(dòng)時(shí)，懸臂卡鎖隨著位移的增大應(yīng)力也逐漸增大，在達(dá)到其屈服強(qiáng)度后，懸臂卡鎖進(jìn)入塑性變形階段。在4 ms，12 000g加速度條件下，懸臂卡鎖靠近固定端處B點(diǎn)的等效塑性應(yīng)變隨時(shí)間的變化趨勢(shì)如圖10所示，從圖中看出，懸臂卡鎖在0.4 ms后進(jìn)入塑性變形階段，在加速度消失后，懸臂卡鎖不能回復(fù)到初始位置，其在8 ms時(shí)的位移云圖如圖11所示。在6 ms，12 000g加速度條件下，懸臂卡鎖靠近固定端處B點(diǎn)的等效塑性應(yīng)變隨時(shí)間的變化趨勢(shì)如圖12所示，從圖中看出，懸臂卡鎖在0.6 ms后進(jìn)入塑性變形階段，在加速度消失后，懸臂卡鎖不能回復(fù)到初始位置，其在8 ms時(shí)的位移云圖如圖13所示。從圖10、圖12中可以看出，正常發(fā)射時(shí)，無(wú)論在4 ms，12 000g加速度條件下還是6 ms，12 000g加速度條件下，懸臂卡鎖等效塑性應(yīng)變?cè)?.6 ms后總是大于零，懸臂卡鎖發(fā)生塑性變形，從圖9、圖11、圖13可以看出，在載荷消失后，懸臂卡鎖的位移均大于1 mm，且無(wú)法回復(fù)到初始位置，故可以保證正常發(fā)射時(shí)，引信第一道保險(xiǎn)的可靠解除。

4 結(jié)論

本文提出了可用于垂直于彈軸放置的MEMS安全系統(tǒng)的懸臂卡鎖式后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)通過(guò)模型簡(jiǎn)化、理論分析得出其滿足要求的固有角頻率范圍，根據(jù)滿足要求的固有角頻率建立仿真模型，通過(guò)仿真驗(yàn)證其可行性。仿真結(jié)果表明，懸臂卡鎖式后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)兩種加速度環(huán)境的區(qū)分，意外跌落時(shí)，懸臂卡鎖無(wú)法脫離隔爆滑塊；正常發(fā)射時(shí)，懸臂卡鎖脫離隔爆滑塊并且通過(guò)其塑性變形達(dá)到定位的作用，從而保證安全系統(tǒng)在正常發(fā)射時(shí)第一道保險(xiǎn)的可靠解除。

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