含Z型閉鎖梁的微接電開關閉鎖機構

張星星，聶偉榮，席占穩，唐志成

（南京理工大學機械工程學院，江蘇南京210094）

含Z型閉鎖梁的微接電開關閉鎖機構

張星星，聶偉榮，席占穩，唐志成

（南京理工大學機械工程學院，江蘇南京210094）

針對引信MEMS接電開關L型梁閉鎖機構存在的閉鎖不穩定被彈開的問題，提出了改進后的微接電開關閉鎖機構。該機構用Z型梁代替了L型閉鎖梁，能夠實現快速、穩定閉鎖的功能。仿真驗證表明：在選取了合適的傾斜角之后，該閉鎖機構在3 600 g的后坐載荷下能完成預期的閉鎖動作并能保證閉鎖穩定性，在過載環境下也能確保結構不被破壞。

引信；微接電開關；閉鎖機構；Z型梁

0 引言

微機電系統（MEMS）技術具有微型化、集成化、可大批量生產、成本低廉的特點。MEMS結構的微型化對引信機構的改進起著巨大的推動作用，為引信的發展提供了更多的空間［1］。基于MEMS技術設計的接電開關可以用于中大口徑彈藥引信，閉合后可以接通引信電源并確保電源在復雜的彈道環境中都能夠一直處于接通狀態［2］。因此接電開關的閉鎖可靠性直接關系到引信電源系統對供給電路供電的控制。

在之前的微接電開關發射模擬試驗中，發現同一批加工的成品中有部分開關在沖擊臺進行沖擊之后沒有實現閉鎖［3］。對開關的接電電路特性分析，發現整個電路在后坐加載過程中產生過電壓信號又消失。分析原因可知接電開關在閉鎖之后由于L型閉鎖梁被彈開導致開關失效。

本文針對此問題，提出了含Z型閉鎖梁的微接電開關閉鎖機構。

1 接電開關閉鎖機構的基本分析

接電開關主要由環境識別機構與閉鎖機構組成，圖1為一種典型的接電開關模型。圖中將環境識別機構簡化為彈簧-質量系統，閉鎖機構由L型閉鎖梁、鎖頭、柔性止擋梁及固定電極組成。

發射時，質量塊在后坐力的作用下，克服彈簧阻力后撞擊閉鎖機構中的鎖頭，使L型閉鎖梁發生彈性形變。緊接著鎖頭與彈性觸頭接觸，同時L型閉鎖梁形變恢復，開關完成閉鎖動作。

圖1 典型接電開關模型Fig.1 Typical inertial switch

對圖1的L型閉鎖梁進行受力分析，如圖2。圖（a）中，L型梁A在剛體梁B的反作用力F1作用下產生以O點為中心的逆時針力矩M1，所以產生彈性形變，接電開關閉鎖［4］。圖（b）中，L型梁A與原狀態相比受到擠壓產生向下的彈簧拉力F4，與梁B對它的作用力F3相平衡，產生以O點為中心的逆時針力矩M2，所以L型梁A閉鎖之后很容易在力矩M2的作用下導致被梁B彈開，開關失效。

圖2 L型閉鎖梁的受力分析Fig.2 Force analysis of L- shaped latching beam

為了更清楚地分析可能存在的問題，利用ANSYS/Workbench有限元分析軟件對圖1所示結構進行仿真分析。建立幾何模型，對整體結構施加發射環境下的后坐模擬載荷。從圖3可以看出，在后坐載荷減小后L型閉鎖梁由于兩側彈簧的彈力作用確實存在閉鎖被彈開的問題。

圖3 L型梁被彈開的仿真截圖Fig.3 Simulation screenshot of the bounced L-shaped beam

2 含Z型閉鎖梁的閉鎖機構

針對上文描述的L型梁閉鎖后又被彈開的問題，結合設計要求提出了含Z型閉鎖梁的微接電開關閉鎖機構，如圖4所示。

圖4 Z型梁閉鎖機構Fig.4 Latchingmechanism of Z- shaped beam

與圖1相比，該閉鎖機構同樣采用對稱結構，鎖頭基部與原先結構相比質量略微變大，但質心位置仍保持不變，更利于撞擊閉鎖；由原來的L型梁變為Z型梁，增強了閉鎖的穩定性。

微接電開關的閉鎖機構與彈藥彈頭方向一致，在彈藥飛出炮膛的后效期內可快速實現閉鎖，閉鎖后接通引信電源。在彈丸的飛行過程中，若遇到驟變的高載荷沖擊，通過柔性止擋梁的緩沖作用，鎖頭與柔性止擋梁仍保持緊密接觸，同時Z型梁下端抵在固定端上，受到向上的作用力使之不容易被閉鎖彈簧彈開，引信電源處于接通狀態；若受到彈丸拐彎時橫向載荷沖擊，鎖頭兩側的彈簧能起到穩定結構的作用，引信電源同樣處于接通狀態。

3 Z型梁閉鎖機構的仿真驗證

利用ANSYS/Workbench有限元分析軟件對Z型梁閉鎖機構進行仿真計算驗證。整個模型是基于電鍍鎳材料設計的MEMS結構。材料參數如表1。

表1 鎳材料參數Tab.1 Nickel material parameters

3.1 Z型梁的靜力學分析

Z型梁A的實質仍是直梁（圖5），尺寸參數有：梁的寬度b=0.02 mm，厚度h=0.06 mm，長度l= 0.3 mm，彈性模量E=1.8 GPa。

圖5 Z型梁兩種狀態下的受力Fig.5 Stress of Z- shaped beam in two state

對Z型梁A建立有限元模型，斜型梁與底梁的銳角α（見圖5）選取三個不同傾斜角：45°、60°、75°，其余參數保持不變。對結構進行靜力分析，在彈性范圍內選取靜力F=0.01 N，梁A的上端固定，F垂直于作用面。

表2 不同傾斜角的Z型梁仿真結果Tab.2 The simulation results of Z- shaped beam with different tilt angle

從表2的仿真結果可以看出，隨著傾斜角的增大，X軸的軸向位移在變大，但Y軸軸向位移會變小。梁的最大應力也隨傾斜角變大而變大。因此在圖4的閉鎖結構中，相同條件下傾斜角越大整體結構越容易實現閉鎖，但是危險截面的最大應力不能大于鎳材料的屈服應力極限，相反若傾斜角過小，會造成Z型梁橫向尺寸偏大。所以最終確定Z型梁的傾斜角為63°。Z型梁的受力云圖如圖6所示。

3.2 閉鎖機構的動力學分析

本文以中大口徑的火炮彈藥作為應用對象，正常發射時加速度的幅值在1 000～30 000 g之間。在忽略炮膛對彈丸飛行的影響條件下，后效期的時間在0.9～10 ms之間。結合設計要求對該后坐加載進行簡化并采用半正弦擬合，確定正常發射的后坐載荷脈沖為3 600 g。

圖6 Z型梁受力位移云圖Fig.6 Displacement contours of the latching beam subiecting to loads

將建立好的Z型梁閉鎖機構模型導入ANSYS/Workbench有限元分析軟件，對結構施以3600 g的發射環境下的后坐模擬載荷，分析其仿真結果。在該環境下得到撞擊質量塊位移圖和閉鎖機構鎖頭位移圖，如圖7所示。

圖7 撞擊質量塊和閉鎖機構鎖頭位移曲線Fig.7 Change curve of displacement of the hitting mass and the locking end

從圖7可知，在t=0.439ms時，撞擊質量塊與閉鎖機構相撞，此時質量塊的運動位移為y1=0.5495 mm，閉鎖機構鎖頭的位移為y2=0.0895 mm。碰撞之后閉鎖機構閉鎖，鎖頭與柔性止擋梁接觸。由于后坐加速度仍在不斷加大，質量塊回彈之后仍會撞擊閉鎖鎖頭，從圖中可以看出質量塊在撞擊3次之后趨于穩定，后坐加速度慢慢減小后質量塊開始回落。同時，閉鎖鎖頭與柔性止擋梁也經歷類似的過程，在t=0.897 ms時，閉鎖機構穩定閉鎖，此時鎖頭運動保持在位移y=0.0829 mm。

在正常發射加速度3 600 g加載完成后，開關的閉鎖圖如圖8所示，可看出接電開關閉鎖穩定，沒有出現再次彈開的情況。

圖8 接電開關閉鎖位置Fig.8 Final latching position of the inertial switch

開關整體結構應力云圖如圖9，接電開關在t= 0.4 ms附近產生最大應力，危險截面出現在Z型梁的根部，開關的最大應力σmax=1.57 GPa，小于σb= 1.81 GPa，開關結構不會發生塑性變形，能夠實現穩定閉鎖。在t=0.7 ms之后，開關應力呈現規律的上下波動，此刻最大應力在底部質量塊兩側的彈簧上。

圖9 接電開關最大應力變化曲線Fig.9 The maximum stress curve of the inertial switch

在過載環境加速度30 000 g作用下，開關的質量塊撞擊閉鎖機構，實現閉鎖。開關的最大應力σm=1.681 GPa，小于σb=1.81 GPa，如圖10所示。結構在高過載情況下未發生破壞，因此該接電開關可以承受高過載。

圖10 接電開關過載應力變化曲線Fig.10 The overload stress curve of the inertial switch

4 結論

本文提出了含Z型閉鎖梁的微接電開關閉鎖機構，有效地避免了后坐載荷消失后開關失效的情形，使得機構閉鎖變得更穩定。通過有限元仿真研究了Z型梁的傾斜角對結構的影響，并驗證了Z型梁閉鎖機構能夠實現快速閉鎖并穩定接觸的功能。

下一步還需要繼續利用加工完成的實驗品建立相應的測試實驗系統，測試該接電開關的運動特性、電特性，并分析其性能特點。

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［5］Allameh S M，Lou J，Kavishe F.An investigation of fatigue in LIGA Ni MEMS thin films［J］.Materials Science and Engineering，2004，371：256-266.

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Micro Inertial Switch with Z-shaped Latching Beam

ZHANG Xingxing，NIE Weirong，XI Zhanwen，TANG Zhicheng
（College of Mechanical Engineering，Naniing University of Science and Technology，Naniing 210094，China）

Aiming at the problem in the bounced latching of the L-shaped latching beam for the MEMS latching structure，a new locking mechanism of the micro inertial switch with the Z-shaped latching beam was presented in this paper.The mechanism took the place of the L-shaped beam with the Z-shaped beam.The switch could stably and expeditiously finish latching.The finite element simulation of the new mechanism showed that，after selecting the appropriate tilt angle，the mechanism could complete the expected locking action in 3 600 g backloading and ensured contact stably when locked，and even in the overload environment the mechanism would not be destroyed.

fuze；micro inertial switch；locking mechanism；Z-shaped beam

TJ430

A

1008-1194（2015）05-0018-04

2015-03-09

國家自然科學基金項目資助（51475245）

張星星（1991—），男，江蘇南通人，碩士研究生，研究方向：微機電系統設計。E-mail：xingrui91@163.com。