高速旋轉(zhuǎn)彈載加速度計(jì)失效分析

馬喜宏 王威 秦立君 何程

摘 要： 彈載微加速度計(jì)在使用過程中會(huì)因旋轉(zhuǎn)彈丸的高速旋轉(zhuǎn)而受到高速旋轉(zhuǎn)環(huán)境應(yīng)力的影響。針對(duì)微加速度計(jì)在彈載高速旋轉(zhuǎn)環(huán)境下的失效分析缺乏理論依據(jù)等情況，提出一種通過研究離心力對(duì)微加速度計(jì)結(jié)構(gòu)影響的方法。利用ANSYS有限元分析軟件仿真模擬微加速度計(jì)封裝結(jié)構(gòu)在高速旋轉(zhuǎn)環(huán)境下的受力情況，并進(jìn)行分析。通過ANSYS有限元分析設(shè)計(jì)出的微加速度計(jì)得到，該微加速度計(jì)在彈載高速旋轉(zhuǎn)環(huán)境下的失效模式只會(huì)發(fā)生疲勞失效與磨損失效，并不會(huì)引起過度的粘附失效與斷裂失效，并且具體的失效影響受到離心應(yīng)力與結(jié)構(gòu)角度的影響。

關(guān)鍵詞： 高[g]值微加速度計(jì)； 高速旋轉(zhuǎn)彈； 有限元分析； 結(jié)構(gòu)應(yīng)力； 失效機(jī)理； 可靠性

中圖分類號(hào)： TN98?34； TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）15?0114?05

Failure analysis of high?speed rotating missile?borne micro?accelerometer

MA Xihong1， WANG Wei2， QIN Lijun2， HE Cheng2

（1. MOE Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement， North University of China， Taiyuan 030051， China；

2. School of Instrument and Electronics， North University of China， Taiyuan 030051， China）

Abstract： The missile?borne micro?accelerometer is affected by high?speed rotating environment stress due to the high?speed rotation of rotating projectile in usage process， and the failure analysis of micro?accelerometer under missile?borne high?speed rotating environment lacks of theoretical basis. Therefore， a method is proposed to study the influence of centrifugal force on the structure of micro?accelerometer. The ANSYS finite element analysis software is used to simulate the stress condition of micro?accelerometer package structure in high?speed rotating environment. The fatigue failure and wear failure of the micro?accelerometer designed by ANSYS finite element analysis occur in the missile?borne high?speed rotating environment， and the excessive adhesion failure and fracture failure are excluded. The specific failure is affected by both centrifugal stress and structural angle.

Keywords： high?g micro?accelerometer； high?speed rotating projectile； finite element analysis； structural stress； failure mechanism； reliability

高速旋轉(zhuǎn)彈在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中被大量應(yīng)用于精確打擊，在設(shè)計(jì)和試驗(yàn)精確制導(dǎo)過程中彈載傳感器的可靠性十分重要。其中彈載加速度計(jì)在使用過程中由于受到惡劣使用環(huán)境和復(fù)雜使用過程的影響，研究它的可靠性就十分必要。

1 彈載高速旋轉(zhuǎn)環(huán)境

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，精確打擊是大勢(shì)所趨。高速旋轉(zhuǎn)是常規(guī)彈藥通常使用的穩(wěn)定方式之一。例如高速旋轉(zhuǎn)榴彈，為了保持穩(wěn)定飛行，除了使尾翼保持穩(wěn)定外，還可以利用彈丸對(duì)稱軸高速旋轉(zhuǎn)的陀螺特性來穩(wěn)定[1?2]。高速旋轉(zhuǎn)彈具有兩種陀螺特性：一是定軸性；另一個(gè)是進(jìn)動(dòng)性。高速旋轉(zhuǎn)的陀螺受到外力的作用后，并不會(huì)沿力的作用方向倒去，而是沿力矩矢量的方向運(yùn)動(dòng)。高速旋轉(zhuǎn)彈丸就像高速旋轉(zhuǎn)的陀螺，在飛行中受翻轉(zhuǎn)力的作用不會(huì)翻轉(zhuǎn)，而是產(chǎn)生進(jìn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)。通過旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定彈丸的實(shí)際運(yùn)動(dòng)有：繞心運(yùn)動(dòng)和質(zhì)心運(yùn)動(dòng)[3?4]。其中，質(zhì)心運(yùn)動(dòng)形成彈道；而繞心運(yùn)動(dòng)包括自轉(zhuǎn)——繞彈軸高速旋轉(zhuǎn)，進(jìn)動(dòng)——重心做圓周形的偏航運(yùn)動(dòng)，以及率動(dòng)——率動(dòng)角的變化。然而，由于各種外界擾動(dòng)因素的存在，彈丸中軸不可能時(shí)刻保持與速度矢量重合，具有復(fù)雜的角運(yùn)動(dòng)。

根據(jù)外彈道理論建立地面直角坐標(biāo)系質(zhì)點(diǎn)外彈道模型，表示如下[5]：

式中：[x，y]分別為彈丸離開炮口后[t]時(shí)刻的坐標(biāo)[（x，y）]的水平分量和豎直分量；[c]為彈道系數(shù)；[u，ω]分別為水平方向分速度和豎直方向分速度；[g]為重力加速度；[τ]為虛溫；[v]為彈丸的初速度；[vτ]為虛溫下的彈丸速度；[Hτ]為氣重函數(shù)。

以某105 mm榴彈為例進(jìn)行說明，其數(shù)據(jù)如表1及圖1～圖3所示。

以某105 mm榴彈彈丸為例，以及9ts破甲彈的初始炮口轉(zhuǎn)速[ω0]≈2 496 r/min，可以大致了解到高速旋轉(zhuǎn)彈丸的初始炮口轉(zhuǎn)速一般在2 000～2 500 r/min，且隨著阻力的作用逐漸衰減。由此得到在高速旋轉(zhuǎn)彈丸上的高速旋轉(zhuǎn)環(huán)境[6]。

2 彈載微加速度計(jì)結(jié)構(gòu)

2.1 微加速度計(jì)工作原理

本文設(shè)計(jì)的彈載微加速度計(jì)采用四端全固支的梁?島式結(jié)構(gòu)作為高[g]值加速度計(jì)敏感元件的結(jié)構(gòu)，質(zhì)量塊的長(zhǎng)、寬與梁的寬度一致，壓阻對(duì)稱放置于四梁根部，很好地抑制了非對(duì)稱性結(jié)構(gòu)引起的沿梁長(zhǎng)度方向橫向加速度的影響，具有良好的抗沖擊載荷能力。典型的壓阻式硅微加速度計(jì)的結(jié)構(gòu)圖如圖4所示[7?8]。

在這種結(jié)構(gòu)的加速度計(jì)中，質(zhì)量塊由4根對(duì)稱分布的懸臂梁支撐，在每根懸臂的兩端都放置有壓阻型應(yīng)變?cè)?，連接組成電橋。在量值[a]的加速度作用下，慣性力使得檢驗(yàn)質(zhì)量塊上下運(yùn)動(dòng)，使懸臂梁產(chǎn)生與加速度[a]成正比的形變，電阻阻值產(chǎn)生相應(yīng)的變化，通過電橋輸出電壓的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)加速度的測(cè)量[9]。微加速度計(jì)內(nèi)部連線圖及電橋連線如圖5所示。

2.2 彈載微加速度計(jì)

通過多次實(shí)驗(yàn)分析和具體仿真[10?11]，設(shè)計(jì)封裝的彈載四梁微加速度計(jì)如圖6所示。在實(shí)物中，微加速度計(jì)中心的質(zhì)量塊距離封裝底面僅有5 μm，微加速度計(jì)上部空白部分全部填加封裝膠，這對(duì)加速度計(jì)的固定能夠產(chǎn)生一定的作用[12?16]。微加速度計(jì)具體性能指標(biāo)為：量程為2×105[g]；固有頻率為200 kHz；靈敏度為0.5。

其模型參數(shù)及結(jié)構(gòu)如表2，表3及圖7所示。

3 仿真分析高速旋轉(zhuǎn)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響

在高速旋轉(zhuǎn)環(huán)境中產(chǎn)生的巨大離心力與旋轉(zhuǎn)方向以及微加速度計(jì)與離心力的角度有很大關(guān)系，下面分別對(duì)微加速度計(jì)封裝結(jié)構(gòu)（見圖8）模擬仿真不同角度的幾種情況進(jìn)行綜合分析。

3.1 旋轉(zhuǎn)平面與敏感方向垂直時(shí)的受力分析

通過圖9可以看出，微加速度計(jì)在水平放置時(shí)的高速旋轉(zhuǎn)下，會(huì)受到與加速度計(jì)梁平行的離心力作用。主要會(huì)使靠近旋轉(zhuǎn)軸心的梁拉伸變形和遠(yuǎn)離旋轉(zhuǎn)軸心的梁擠壓受力。但是在這種情況下質(zhì)量塊與底面直接不會(huì)產(chǎn)生接觸，所以肯定不會(huì)有粘附的可能。

3.2 旋轉(zhuǎn)平面與敏感方向平行時(shí)的受力分析

由圖10可知，改變微加速度計(jì)放置的角度到旋轉(zhuǎn)平面與敏感方向平行時(shí)，可以看出這時(shí)微加速度計(jì)最大位移產(chǎn)生在質(zhì)量塊中心處。在這種情況下，如果受到的離心力作用足夠大，質(zhì)量塊必然會(huì)與襯底發(fā)生接觸、摩擦進(jìn)而產(chǎn)生粘附，微加速度計(jì)肯定會(huì)產(chǎn)生粘附失效。

3.3 旋轉(zhuǎn)平面與敏感方向成45°角時(shí)的受力分析

由圖11可以看出，微加速度計(jì)在旋轉(zhuǎn)平面與敏感方向成45°角時(shí)，同旋轉(zhuǎn)平面與敏感方向垂直時(shí)一樣，最大應(yīng)力產(chǎn)生在靠近旋轉(zhuǎn)軸心的梁上。并且同旋轉(zhuǎn)平面與敏感方向平行時(shí)的位移情況相同，最大變化位移也是在質(zhì)量塊上，且質(zhì)量塊能夠接觸到襯底發(fā)生接觸、摩擦甚至粘附失效。并且在這種情況下，由于質(zhì)量塊在接觸襯底時(shí)是存在一定角度的，所以由仿真應(yīng)力圖也能看到，質(zhì)量塊與襯底接觸不均勻，導(dǎo)致在這種情況下產(chǎn)生的磨損失效最為嚴(yán)重。

3.4 模型仿真

由之前的旋轉(zhuǎn)彈丸的軌跡模型可以了解到在高速旋轉(zhuǎn)彈載環(huán)境下的旋轉(zhuǎn)速度大致在2 000～2 500 r/min，而旋轉(zhuǎn)半徑最大不超過彈體本身半徑，即[r≤]0.05 m。于是得到由模型在彈載環(huán)境下的仿真結(jié)果，如圖12～圖14所示。

由圖13可看出，在角加速度2 000 r/min的高速旋轉(zhuǎn)下結(jié)構(gòu)位移較大處分布在質(zhì)量塊中心地帶，最大位移為0.008 3 μm。基于硅和玻璃間的間隙（即阻尼空隙）為5 μm，可見傳感器可以在封裝設(shè)計(jì)預(yù)留的間隙內(nèi)正常工作。此時(shí)，質(zhì)量塊與襯底基本不會(huì)接觸，也就是說沒有發(fā)生粘附失效的可能；且結(jié)構(gòu)受到的最大應(yīng)力為1.49 MPa，遠(yuǎn)小于硅的許用應(yīng)力340 MPa，所以基本不會(huì)發(fā)生斷裂失效。

4 結(jié) 論

本文結(jié)合高速旋轉(zhuǎn)彈丸的發(fā)射彈道軌跡參數(shù)和彈載加速度計(jì)真實(shí)使用環(huán)境下的條件，利用ANSYS有限元仿真軟件模擬所設(shè)計(jì)的微加速度計(jì)在高速旋轉(zhuǎn)彈丸上的使用情況。由最終的仿真結(jié)果分析得出：所設(shè)計(jì)出的微加速度計(jì)結(jié)構(gòu)在高速旋轉(zhuǎn)彈丸上可能由高速旋轉(zhuǎn)所導(dǎo)致的失效形式主要是疲勞失效和磨損失效，基本不會(huì)發(fā)生預(yù)想到的粘附失效和斷裂失效。綜上所述，在正式使用高速旋轉(zhuǎn)彈載加速度計(jì)前，通過多次多種情況的可靠性實(shí)驗(yàn)可以有效避免在使用過程中發(fā)生失效的情況。

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