MEMS懸臂卡鎖式后坐保險機構

李雯迪，聶偉榮，席占穩，陳海峰

(南京理工大學機械工程學院，江蘇 南京 210094)

0 引言

微機電系統(Micro Electro-mechanical System，MEMS)是集微機械結構和微電子于一體的微型集成化系統，如微傳感器、微陀螺儀、微馬達等其他執行器，具有采集、處理和傳遞信息等功能。相比于傳統機電系統，因具有尺寸小、易集成以及大批量生產等優點得到了迅速發展，已在航空航天、汽車電子、國防事業、生物醫學和環保等人們所接觸到的幾乎所有領域都有著廣泛的應用前景[1-4]。

近年來隨著新技術的不斷涌入，新的戰場環境的不斷拓展，對引信的要求也不斷地提高，同時，現代武器裝備對彈藥性能及毀傷效能要求也在不斷提高。這就要求在現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技術可有效地降低在有限空間內設計復雜功能引信的難度并增強引信的功能，MEMS技術應用于引信的一個重要方向就是MEMS安全系統。MEMS技術在引信安全系統中應用最早始于美國海軍水面作戰中心(NSWC)研制的6.25 in反魚雷引信[6]，并成功對該裝置進行了海上射擊試驗。Charles H.Robinson團隊對MEMS技術在引信安全系統中的應用做了大量的工作，設計的MEMS安保機構歷經幾代，技術比較成熟，用于理想單兵戰斗武器系統中的MEMS安保機構已經進行了多次實彈射擊，其主要設計思路[7]是，模塊化的MEMS安全系統，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，同時，第二道遠距離解除保險都采用電火藥執行器對其進行動作控制，傳爆序列采用錯位式。文獻[8]提出了包含滑塊、彈簧以及閉鎖機構MEMS后坐保險機構，通過仿真分析表明該后坐保險機構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保險機構，驗證了該后坐卡銷解除保險行程較大，滿足可靠性要求。

但上述MEMS安全系統都是采用單片式設計思想[10]，安全系統平行彈軸進行放置，使得傳爆序列與傳統引信相垂直，傳爆序列不在同一直線上，爆轟能量的傳遞需要改變方向，必然會帶來能量的損失。本文針對上述問題，提出了可用于垂直于彈軸放置的MEMS安全系統的懸臂卡鎖式后坐保險機構。

1 MEMS安全系統工作原理

本文中提出的一種垂直于彈軸放置的MEMS安全系統整體結構如圖1，該系統主要由基板、懸臂卡鎖式后坐保險機構、離心保險機構、隔爆滑塊、指令鎖保險機構[11]等組成。MEMS安全系統是采用MEMS技術在基板上一體化加工出后坐保險機構和離心保險機構，該結構的優點是一體化加工，免裝配，易實現。本文提出的MEMS安全系統主要應用于中大口徑榴彈等彈種之上。

MEMS安全系統的工作原理為：平時狀態下，隔爆滑塊被后坐保險機構和離心保險機構卡住，該系統處于安全狀態；發射后，懸臂卡鎖式后坐保險機構感受后坐環境力向下運動脫離隔爆滑塊，解除對隔爆滑塊的第一道保險；隔爆滑塊在離心力的作用下向右運動解除對離心保險機構的鎖定，之后在離心力的作用下離心彈性梁帶動離心卡鎖向外側運動，解除對隔爆滑塊的第二道保險；當彈丸飛行至炮口安全距離之外，指令鎖保險機構開始作用，通過彈道實時信息控制，推動柔性鎖臂，解除對隔爆滑塊的最后一道保險，隔爆滑塊在離心力的作用下運動到位并鎖定，此時該系統處于解除保險狀態，傳爆序列對正，引信處于待發狀態。

2 模型簡化與理論分析

本文中提出的垂直于彈軸的MEMS安全系統的懸臂卡鎖式后坐保險機構，其基本模型可以看成是一個彈簧支撐的懸空質量塊，即彈簧質量阻尼系統，簡化后的物理模型如圖2所示，由于質量塊的質量往往遠大于彈簧的質量，在這種情況下忽略彈簧的質量引起的誤差微乎其微，因此該模型由質量為m的質量塊與一個無質量的、彈性系數為k的彈簧組成，阻尼系數為c，用于識別兩種典型的加速度環境，即意外跌落環境和正常發射環境。為簡化設計計算，設計時將采用最常見的沖擊加速度形式——半正弦沖擊[12]來模擬兩種加速度環境，簡化后如圖3所示。

由于阻尼力遠小于工作時的慣性力，為簡化分析過程，忽略阻尼c對系統響應的影響，加速度環境下的后坐保險機構可等效為一個無阻尼單自由度受迫振動系統，即彈簧質量系統，m為系統質量塊質量，k為彈簧剛度系數，x(t)為質量塊的位移，a(t)為施加在系統上的激勵。根據牛頓第二定律可得系統的運動學方程為：

(1)

式(1)中，半正弦沖擊加速度a(t)的表達式為：

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)可以改寫成

(3)

(4)

將x(t)對t求導可得

(5)

當ωn<ω0時，t=2nπ/(ωn+ω0)>t0，x(t)在區間[0，t0]上是個增函數，沒有極值點，所以質量塊在t0處取得最大位移

(6)

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

(7)

針對本文的設計需求，需要區分意外跌落和正常發射兩種不同的激勵，模擬意外跌落載荷的峰值相對較大，脈寬相對較小，結合應用背景，幅值a01=15 000g，脈寬t01=0.1～0.15 ms，正常發射情況下，幅值a02=12 000g，脈寬t02=4～6 ms，通過數值仿真得到兩種加速度情況下不同脈寬對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，脈寬越大，系統最大相應位移越大；正常發射時，脈寬越小，位移越大。因此，選取意外跌落位移最大時，即幅值a01=15 000g，脈寬t01=0.15 ms與正常發射位移最小值，即幅值a02=12 000g，脈寬t02=6 ms進行比較，得到圖5。

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

3 仿真分析

有限元仿真分析是處理動力學問題的有效方法，使用ABAQUS建立懸臂卡鎖式后坐保險機構實體模型，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，由于其機械性能與電鑄過程中的電流密度、電鑄時間、電鑄面積、加工高度等因素有密切關系，加工過程不同，材料參數會有一定的差異，其屈服強度處于0.5～1.1 GPa[13-14]，為便于分析，電鑄鎳材料的參考參數如表1。

表1 電鑄鎳材料參數

根據理論分析滿足要求的固有頻率，建立懸臂卡鎖式后坐保險機構的實體模型，初步選定懸臂卡鎖梁長4 mm，寬0.3 mm，厚0.1 mm，懸臂卡鎖質量塊為半徑為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機構能否解除保險參照的位移，在隔爆滑塊下面，為懸臂卡鎖式后坐保險機構設置有運動空間。仿真過程中采用的單位為kg-mm-ms-GPa。

意外跌落時，分別選取0.1 ms，15 000g以及0.15 ms，15 000g進行瞬態動力學仿真，得到懸臂卡鎖的質量塊與梁交叉點A處的位移隨時間的變化趨勢如圖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，驗證了理論分析結論：意外跌落時，脈寬越大，懸臂卡鎖響應位移越大。在0.15 ms，15 000g加速度作用下，懸臂卡鎖應力云圖和位移云圖如圖8(a)、(b)所示，懸臂卡鎖的質量塊與梁交叉點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，此時最大應力出現在懸臂卡鎖的固定端，為0.55 GPa，小于電鑄鎳材料的屈服強度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到初始位置，卡住隔爆滑塊。因此，懸臂卡鎖式后坐保險機構在意外跌落時能夠保證引信第一道保險處于安全狀態。

正常發射時，分別選取4 ms，12 000g以及6 ms，12 000g兩種加速度進行仿真，仿真時間設置為8 ms，便于觀察加速度消失后的位移情況，得到懸臂卡鎖的質量塊與梁交叉點A處的位移隨時間變化趨勢如圖9所示，懸臂卡鎖在運動到觸碰底板時達到其最大位移，在達到其最大位移之前，懸臂卡鎖在6 ms，12 000g的位移小于4 ms，12 000g的位移，驗證了理論分析結論：正常發射時，脈寬越大，懸臂卡鎖位移越小。開始運動時，懸臂卡鎖隨著位移的增大應力也逐漸增大，在達到其屈服強度后，懸臂卡鎖進入塑性變形階段。在4 ms，12 000g加速度條件下，懸臂卡鎖靠近固定端處B點的等效塑性應變隨時間的變化趨勢如圖10所示，從圖中看出，懸臂卡鎖在0.4 ms后進入塑性變形階段，在加速度消失后，懸臂卡鎖不能回復到初始位置，其在8 ms時的位移云圖如圖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點的等效塑性應變隨時間的變化趨勢如圖12所示，從圖中看出，懸臂卡鎖在0.6 ms后進入塑性變形階段，在加速度消失后，懸臂卡鎖不能回復到初始位置，其在8 ms時的位移云圖如圖13所示。從圖10、圖12中可以看出，正常發射時，無論在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變在0.6 ms后總是大于零，懸臂卡鎖發生塑性變形，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，且無法回復到初始位置，故可以保證正常發射時，引信第一道保險的可靠解除。

4 結論

本文提出了可用于垂直于彈軸放置的MEMS安全系統的懸臂卡鎖式后坐保險機構。該機構通過模型簡化、理論分析得出其滿足要求的固有角頻率范圍，根據滿足要求的固有角頻率建立仿真模型，通過仿真驗證其可行性。仿真結果表明，懸臂卡鎖式后坐保險機構可以實現對兩種加速度環境的區分，意外跌落時，懸臂卡鎖無法脫離隔爆滑塊；正常發射時，懸臂卡鎖脫離隔爆滑塊并且通過其塑性變形達到定位的作用，從而保證安全系統在正常發射時第一道保險的可靠解除。

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