硅基MEMS懸臂梁支撐的離心驅(qū)動隔離裝置

劉 章，牛蘭杰，趙 旭，范晨陽

(西安機電信息技術(shù)研究所, 西安 710065)

采用MEMS技術(shù)的引信安全系統(tǒng)具有體積小、質(zhì)量輕等優(yōu)點，有利于引信安全系統(tǒng)的微小型化[1-3]。MEMS技術(shù)在材料的選取上，主要有硅和金屬兩大類[4]。國內(nèi)研制的小口徑榴彈引信用MEMS安全系統(tǒng)[5]，采用金屬鎳基結(jié)構(gòu)，但其爆炸序列只是傳統(tǒng)火工品的縮小。為達到隔爆要求，隔離裝置厚度較大。隨著飛片起爆[6]、硅基微雷管[7]等微小火工品技術(shù)的發(fā)展，對隔離裝置的要求也由隔斷爆轟變?yōu)楦魯囡w片；隔離裝置的厚度減薄，運動行程減小。這樣使安全系統(tǒng)的體積更小，而且采用硅基結(jié)構(gòu)能更好地實現(xiàn)與硅基微雷管的集成；隔離裝置與微小火工品相互匹配，滿足引信的使用環(huán)境。為此，本文提出一種硅基MEMS懸臂梁支撐的離心驅(qū)動隔離裝置。

1 微安全系統(tǒng)的隔離類型

MEMS引信安全系統(tǒng)的發(fā)展與微小型爆炸序列技術(shù)的發(fā)展密不可分。陜西應(yīng)用物理化學(xué)研究所研制的硅基微雷管[6]，采用原位生成多孔疊氮化銅的辦法，在硅基微雷管腔體內(nèi)完成裝藥，將含能材料多孔疊氮化銅與硅基微結(jié)構(gòu)相集成，減小了微裝藥直徑。在錯位式保險機構(gòu)中，微裝藥直徑越小，隔斷滑塊上的加速膛直徑越小，隔離裝置可以更加微小型化。

傳統(tǒng)引信安全系統(tǒng)采用的隔離雷管技術(shù)，將雷管的傳爆通道割斷，有效地衰減雷管提前爆炸時產(chǎn)生的爆轟波[8]。

MEMS引信安全系統(tǒng)隔離裝置的類型，與微起爆器的作用方式相關(guān)。如果直接起爆，采用隔離橋箔與起爆藥的方法；如果驅(qū)動飛片起爆，則采用隔斷飛片的方法。

如圖1所示，美軍為40 mm槍榴彈研制的可晶圓級批量制造的S&A機構(gòu)，采用隔離微起爆器與微雷管的方法。微雷管安裝在活動的滑塊上，安裝位置與微起爆器錯開。滑塊在離心力的作用下向右滑動。滑動速度被命令鎖控制，命令鎖是一個工作頻率為25 Hz的振動電機和滑塊配合工作，類似于棘輪—棘爪機構(gòu)，可控制滑塊在1 s內(nèi)運動2 mm到達解除保險位置，使微雷管與微起爆器對正。

圖1 美軍為40 mm槍榴彈研制S&A機構(gòu)

圖2所示為北京理工大學(xué)研制的疊氮化銅驅(qū)動飛片起爆HNS-IV物理模型[7]，在微裝藥疊氮化銅爆轟驅(qū)動作用下，飛片被加速膛剪切成圓弧面狀，沖擊起爆下一級裝藥HNS-IV，提高了軸向起爆能力。隔爆滑塊由原來隔斷爆轟能量變?yōu)楦魯囡w片，制作材料可以選取硅。采用飛片起爆，隔斷滑塊行程較小。

2 硅基MEMS懸臂梁支撐的離心驅(qū)動隔離裝置

本文提出硅基MEMS懸臂梁支撐的離心驅(qū)動隔離裝置，如圖3所示。該裝置由隔斷滑塊，懸臂梁支撐結(jié)構(gòu)，卡頭，卡槽，固定質(zhì)量塊組成。水平放置在底板上，與彈軸O垂直放置。

勤務(wù)處理過程中，隔斷滑塊被電啟動保險、后坐保險限制在隔離位置。有關(guān)后坐保險與延期解除保險問題不屬于本文研究范疇。

圖2 疊氮化銅驅(qū)動飛片起爆物理模型

圖3 懸臂梁支撐的離心驅(qū)動隔離裝置

如圖4所示，疊氮化銅起爆藥與HNS-IV傳爆藥被隔斷滑塊隔斷，即使起爆藥發(fā)生意外也沒有飛片沖擊到傳爆藥，確保引信安全。在發(fā)射環(huán)境下，后坐保險與電啟動保險解除對隔斷滑塊的位置限定。在離心過載作用下懸臂梁發(fā)生彎曲，隔斷滑塊克服懸臂梁拉力向Y方向運動，直至一端的卡頭鎖定在卡座內(nèi)，解除隔離。傳爆序列貫通如圖5所示。硅基離心驅(qū)動隔離裝置用八根懸臂梁作為其彈性單元，懸臂梁結(jié)構(gòu)簡單，占用空間小。懸臂梁支撐結(jié)構(gòu)與隔斷滑塊作為一個整體，省去裝配環(huán)節(jié)，有利于隔離裝置的微小型化。

圖4 隔斷滑塊處于隔離位置

圖5 傳爆序列貫通

3 仿真分析

3.1 懸臂梁的撓曲線方程

懸臂梁作為隔離裝置的彈性支撐單元，在應(yīng)力作用下的形變以及強度分析是該隔離裝置設(shè)計過程中的關(guān)鍵問題。為了得到懸臂梁自由端的最大位移，需求解梁的撓線方程。

計算懸臂梁的最大正應(yīng)力，對于寬為b，高為h的矩形懸臂梁，其截面如圖6，o為截面形心。如果以y軸為中性軸，截面對y軸的軸慣性矩

(1)

彎曲懸臂梁上任意一點撓曲線方程如下：

(2)

M(x)是懸臂梁上該點的彎矩，E為材料的彈性模量，y為撓度，I為慣性矩。該方程為一個二階非線性常微分方程，求解較為困難，所以采用有限元仿真軟件對離心驅(qū)動隔離裝置的運動進行仿真計算。

圖6 懸臂梁截面圖

3.2 仿真模型與參數(shù)

使用INVENTOR軟件進行實體建模。然后將模型導(dǎo)入ANSYS/LS-DYNA，利用ANSYS/LS-DYNA對離心驅(qū)動隔離裝置進行有限元分析。單位采用mm-ms-g-MPa。材料為硅，其材料參數(shù)如表1。

表1 硅材料參數(shù)

多晶硅的許用應(yīng)力:

[σ]=σb∕n

(3)

σb為抗拉強度，對多晶硅σb= 566 MPa；n為安全系數(shù)，一般n= 2.5[9]，得到[σ]=222.4 MPa。

引信中的零件在發(fā)射過程中承受較強的環(huán)境力，因此為保證安全系統(tǒng)動作的可靠性，其中可動零件需要足夠的機械強度和剛度。在設(shè)計上，應(yīng)盡量避免接近多晶硅的許用應(yīng)力。

3.3 仿真得出不同截面尺寸下解除隔離所需轉(zhuǎn)速以及危險截面應(yīng)力

考慮到硅工藝加工誤差為2 μm，在懸臂梁截面寬度b不變的情況下，懸臂梁截面厚度h每次變化量為10 μm，得到不同截面尺寸的懸臂梁，對隔離裝置進行仿真。得到在該截面尺寸下，隔斷滑塊運動到位所需要的轉(zhuǎn)速以及該轉(zhuǎn)速下危險截面應(yīng)力。考慮到解除隔離轉(zhuǎn)速值有一個范圍，真實的轉(zhuǎn)速值高于設(shè)計值，加工誤差對仿真結(jié)果影響很小。

在懸臂梁截面厚度h不變的情況下，懸臂梁截面寬度b每次變化量為10 μm，進行上述仿真，結(jié)果如圖7、圖8所示，為保證懸臂梁支撐結(jié)構(gòu)不會失效，危險截面所受應(yīng)力不能超過多晶硅的許用應(yīng)力。

從圖7、圖8可以看出解除隔離所需轉(zhuǎn)速與懸臂梁的厚度與寬度大致呈線性關(guān)系，隨著寬度與厚度的增加，轉(zhuǎn)速也隨之增加。改變懸臂梁的厚度h與寬度b可以適應(yīng)轉(zhuǎn)速不同的引信。但增大懸臂梁寬度b，懸臂梁危險截面應(yīng)力隨之增大，懸臂梁的可靠性也隨之降低。為確保能夠解除隔離，增大懸臂梁厚度h，危險截面應(yīng)力變化明顯小于改變懸臂梁厚度b。考慮到應(yīng)用背景為中大口徑榴彈炮，轉(zhuǎn)速不低于5 000 r/min，且要保證卡頭能夠鎖定，根據(jù)計算結(jié)果選取截面尺寸0.08 mm×0.12 mm。

圖7 懸臂梁厚度、轉(zhuǎn)速以及該轉(zhuǎn)速下危險截面最大應(yīng)力之間的關(guān)系

圖8 懸臂梁寬度、轉(zhuǎn)速以及該轉(zhuǎn)速下危險截面最大應(yīng)力之間的關(guān)系

3.4 仿真驗證離心過載對隔離裝置的作用

懸臂梁截面尺寸為0.08 mm×0.12 mm(b×h)時，將圖3所示有限元結(jié)構(gòu)導(dǎo)入LS-DYNA求解器，對該裝置施加離心過載。

圖9為對該裝置施加的離心過載曲線。圖10是隔斷滑塊在離心過載作用下，y方向位移隨時間變化的曲線。

從圖10曲線可以看出，在0.8 ms時即轉(zhuǎn)速為5 000 r/min時隔斷滑塊位移為1.02 mm，隨時間變化的位移已經(jīng)基本不再變化，證明離心隔斷滑塊被鎖定，此時解除隔離。

解除隔離過程中最大應(yīng)力如圖11所示，不超過多晶硅的許用應(yīng)力，可以安全作用。

圖9 離心過載曲線

圖10 離心隔斷滑塊位移隨時間的變化曲線

圖11 離心驅(qū)動隔離裝置應(yīng)力云圖

3.5 仿真驗證跌落過載、后坐過載對隔離裝置的作用

整個隔離裝置水平放置于基板上，同時基板和整個裝置都緊貼在水平固定的底板上。將模型簡化為兩端受固定支承的簡支梁，如圖12所示。在彈的運輸過程中，由于跌落有可能會導(dǎo)致隔離裝置的失效。在勤務(wù)處理時，12m跌落過載曲線如圖13。在發(fā)射過程中受到發(fā)射過載為最大為18 000 g，后坐過載曲線如圖14所示。兩者最大過載不同，且跌落過載持續(xù)時間遠小于發(fā)射過載時間。跌落過載下梁的危險截面最大應(yīng)力209.77 MPa，后坐過載下梁的危險截面最大應(yīng)力為169.28 MPa，如圖15所示，均低于多晶硅的許用應(yīng)力222.4 MPa。該隔離保險裝置在12 m跌落過載與最大發(fā)射過載的情況下，結(jié)構(gòu)不會受到破壞，可以正常工作。

圖12 懸臂梁支撐的簡化模型

圖13 12 m跌落過載曲線

圖14 發(fā)射過載曲線

圖15 18 000 g后過載情況下應(yīng)力云圖

4 結(jié)論

本文設(shè)計了硅基MEMS懸臂梁支撐的離心驅(qū)動隔離裝置。隔離裝置由隔斷滑塊、懸臂梁支撐結(jié)構(gòu)、卡頭、卡槽、固定質(zhì)量塊組成。隔離裝置能夠與飛片起爆方式匹配，滿足引信安全系統(tǒng)工作環(huán)境要求。懸臂梁結(jié)構(gòu)簡單且懸臂梁與隔斷滑塊作為一個整體，省去裝配環(huán)節(jié)。仿真結(jié)果表明，轉(zhuǎn)速 5 000 r/min以上時，該隔離裝置在離心過載的作用下解除隔離并鎖定，使得微裝藥與加速膛對正，且在12 m跌落過載與后坐過載情況下，該隔離裝置強度滿足設(shè)計要求。