一種應(yīng)用于引信環(huán)境的MEMS執(zhí)行器

金 才，郝永平，楊明海

（1.沈陽(yáng)理工大學(xué)CAD/CAM技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)中心，遼寧 沈陽(yáng) 110159；2.沈陽(yáng)理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110159）

引信是一種能夠在預(yù)定的時(shí)間、地點(diǎn)，按預(yù)定的方式使彈藥起爆（或其他作用）的裝置，引信的基本功能是保險(xiǎn)、解除保險(xiǎn)和發(fā)火。伴隨著現(xiàn)代引信技術(shù)的發(fā)展，引信的發(fā)展趨勢(shì)體現(xiàn)為微型化、智能化、高可靠性、高安全性、高穩(wěn)定性、成本低和適合大批量生產(chǎn)。傳統(tǒng)引信零件數(shù)目繁多，加工不方便，裝配復(fù)雜，體積龐大，這些缺點(diǎn)影響了引信的性能，與引信的發(fā)展潮流相悖。MEMS技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展?jié)M足了引信的發(fā)展要求，MEMS器件體積小，質(zhì)量輕，精度高，制造材料性能穩(wěn)定，集成化程度高，適合低成本大批量生產(chǎn)，MEMS技術(shù)在引信中的應(yīng)用已經(jīng)取得了很大成功，MEMS引信已經(jīng)成為引信的主要發(fā)展方向[1]。

基于引信特殊環(huán)境設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于引信的MEMS執(zhí)行器，該MEMS執(zhí)行器靠后坐力解除約束（保險(xiǎn)），然后利用離心環(huán)境運(yùn)動(dòng)到位并被限制于某一固定位置，可以作為引信的一道保險(xiǎn)，也可以作為引信電路中的開(kāi)關(guān)使用。

1 MEMS執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)及工作原理

該MEMS執(zhí)行器的結(jié)構(gòu)如圖1所示：X方向?yàn)閺椵S方向。MEMS執(zhí)行器包括掛鎖槽/頭、敏感模塊和鉤鎖頭。MEMS執(zhí)行器中包含閉鎖機(jī)構(gòu)、滑道機(jī)構(gòu)和卡鎖機(jī)構(gòu)。敏感模塊由四個(gè)折疊梁和外框質(zhì)量塊組成，捕捉彈藥的環(huán)境力。折疊梁的交叉部分和鉤鎖頭以及掛鎖槽進(jìn)行錨定，掛鎖頭兩側(cè)的錨區(qū)和掛鎖頭與敏感模塊間的滑道機(jī)構(gòu)限制其X方向的運(yùn)動(dòng)。該MEMS執(zhí)行器的尺寸為微米級(jí)別，外廓尺寸為1 020μm×1 710μm。

在彈藥發(fā)射過(guò)程中，MEMS執(zhí)行器受到X方向的后坐力，敏感模塊沿X方向運(yùn)動(dòng)。后坐力足夠大，使卡鎖機(jī)構(gòu)解除對(duì)敏感模塊Y方向的限制。彈藥在炮膛中獲得轉(zhuǎn)速，MEMS執(zhí)行器受到Y(jié)方向的離心力，敏感模塊沿Y方向運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)掛鎖頭進(jìn)入掛鎖槽，閉鎖機(jī)構(gòu)對(duì)掛鎖頭及敏感模塊進(jìn)行鎖定[2]。

圖1 MEMS執(zhí)行器結(jié)構(gòu)圖

2 MEMS執(zhí)行器的動(dòng)力學(xué)仿真

在ANSYS/LS-DYNA中對(duì)MEMS執(zhí)行器進(jìn)行建模和動(dòng)力學(xué)仿真分析[3]。

2.1 卡鎖機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)仿真

在ANSYS/LS-DYNA中建立敏感模塊和鉤鎖頭的三維模型并劃分網(wǎng)格。在錨點(diǎn)處施加全約束，在敏感模塊上施加峰值12 000 g，沿X方向的后坐加速度，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真。

如圖2所示為卡鎖機(jī)構(gòu)最大等效應(yīng)力云圖，應(yīng)力單位為Pa。

圖2 卡鎖機(jī)構(gòu)最大等效應(yīng)力云圖

圖3 敏感模塊鉤鎖部分某節(jié)點(diǎn)位移曲線(xiàn)

在敏感模塊鉤鎖部分選取節(jié)點(diǎn)觀察位移，如圖3所示為節(jié)點(diǎn)位移圖。敏感模塊鉤鎖部分位移達(dá)到25.288mm，最大應(yīng)力為0.164 6MPa，卡鎖機(jī)構(gòu)可靠動(dòng)作。

2.2 閉鎖機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)仿真

在ANSYS/LS-DYNA中建立敏感模塊、鉤鎖頭和掛鎖槽的三維模型并劃分網(wǎng)格。在錨點(diǎn)處施加全約束，在敏感模塊和掛鎖頭上施加沿Y向的離心力，轉(zhuǎn)速6 000 r/min，離心半徑0.1m，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真。

如圖4所示為閉鎖機(jī)構(gòu)最大等效應(yīng)力圖，應(yīng)力單位為Pa。

在掛鎖頭部分選取節(jié)點(diǎn)觀察位移，如圖5所示為節(jié)點(diǎn)位移圖。

掛鎖頭位移達(dá)到0.180 02 mm，最大應(yīng)力為0.862 2MPa，閉鎖機(jī)構(gòu)可靠動(dòng)作。

圖4 閉鎖機(jī)構(gòu)最大等效應(yīng)力云圖

圖5 掛鎖頭某節(jié)點(diǎn)位移曲線(xiàn)

3 結(jié)束語(yǔ)

基于引信特殊環(huán)境設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用于引信的MEMS執(zhí)行器。四個(gè)折疊梁交叉布局使其結(jié)構(gòu)緊湊，并提高了抗過(guò)載能力。通過(guò)仿真驗(yàn)證，MEMS執(zhí)行器能夠利用引信的后坐環(huán)境和離心環(huán)境執(zhí)行動(dòng)作，在后坐加速度12 000 g的后坐環(huán)境，轉(zhuǎn)速為6 000 r/min，離心半徑0.1m的離心環(huán)境下可靠動(dòng)作。

[1]劉 靖，石庚辰.微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）技術(shù)及在引信中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代引信，1997，（3）:20-26.

[2]王 偉，楊會(huì)偉，霍鵬飛，侯宏錄.微引信保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真[J].西安工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，28（3）：219-222.

[3]尚小江，蘇建宇，等.ANSYSLS-DYNA動(dòng)力學(xué)分析方法與工程實(shí)例[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2006.