0 引言
微机电系统(micro-electro-mechanical system,MEMS)凭借微小型、集成度高、低功耗、抗冲击过载、可编程性好、良品率和性能一致性高、加之融合智能信息技术,并在微机械学、微电子学、微光学、微机构学、材料学和精密加工技术等多学科交叉融合的加持下不断创新,现已作为一项革命性的技术深入应用于兵器科学、航空航天、生物医学、信息通讯等领域,逐步实现在跨越微观与相对宏观尺度下系统架构的一体化开发[1-2]。
以兵器科学领域的引信产品为切入点,并以功能需求为牵引,发展基于MEMS技术的引信系统符合多尺寸和多原理结构异质集成思想,契合未来引信创新发展的主导方向[2]。其微型化、灵巧化、抗干扰、信息交联、探测制导精细化、起爆控制精确化的发展方向旨在发挥其在武器装备中的最大效力。
安解装置则是MEMS引信的核心装置,其用于控制爆炸序列含能材料的能量传递,即承担保障引信及弹药在全寿命周期内对所有非目标对象的安全性以及发射后可靠解除保险与隔离的双重职能[3-4]。然而,当前对MEMS安解装置的研究主要集中在理论计算和仿真分析阶段,缺乏有效的试验验证,导致应用于武器系统的定型产品较少,极大地限制了MEMS引信的发展[5]。
目前,与环境激励复合原理作用的安解装置按结构类型和隔爆板运动方式大致可以分为2类[6-8]:
一是隔爆板做圆周运动的转子-限位销式,以文献[9]中提到的装置为例,如图1所示。基于磁流变脂(magneto rheological grease,MRG)在磁场中呈类固态与非磁场中呈液态的开关特性,后坐激励下后坐销和永磁铁脱落解除对转子的第一道保险,离心激励下活塞推动脱离磁场的液态MRG,延期解除第二道保险,无约束的转子在离心激励作用下旋转,最后于限位销处对正到位。
图1 基于磁流变脂的安解装置
Fig.1 S&A device based on magnetorheological grease
二是隔爆板做直线运动的弹簧-锁销式,以文献[10]中提到的基于紫外光刻、微电铸、微复制(UV-LIGA)工艺的MEMS安解装置为例,如图2所示。后坐滑块与转销构成联锁,转销与切断销构成对隔爆板的两道约束,切断销构成延期保险,后坐滑块与隔爆板上的锁销结构相同。弹丸发射后,1 500 g后坐激励作用下后坐滑块克服微弹簧拉力锁销闭锁,之后20 r/s离心作用下转销旋转,解除对隔爆板的第一道约束,识别外弹道安全距离后,电推销收到弹道远解指令产生推力,并与隔爆板离心推力共同作用将切断销推断,解除第二道延期保险约束,最后离心力驱动无约束的隔爆板闭锁,隔爆孔对正。
图2 基于UV-LIGA工艺的安解装置
Fig.2 S&A device based on UV-LIGA process
然而,在实际试验中由于弹体发射后的高转速,且安解装置的隔爆板通常在毫米级距离内解保,产生的高冲击过载易造成隔爆板和锁销结构的塑性变形与碰撞反弹,且复杂振动冲击环境的耦合影响安解装置解保动作稳定性。
针对MEMS技术与引信产品集成后暴露的问题与机理,本文中提出一种改进型限位自闭锁式引信MEMS安解装置,借助ADAMS刚柔耦合动力学与ANSYS有限元模拟仿真并加以样机试验验证的手段,探究了装置的解保动作及闭锁强度。研究结果可以为类似装置的优化设计提供支撑,亦可服务于后续安解装置与微传爆序列的集成设计。
1 限位自闭锁式安解装置设计
改进后的限位自闭锁式引信MEMS安解装置外形尺寸为13.3 mm×7 mm×0.7 mm,装置如图3所示。
图3 引信安解装置结构
Fig.3 Structure of fuze S&A device
对比图2与图3装置结构,改进主要包括3部分:
一是去除后坐滑块与基板碰撞的Z型齿,UV-LIGA工艺过程需借助环氧光刻胶(SU-8)进行光刻后曝光、显影、微电铸成型,微型连续的Z型齿加工难度大且连续碰撞震动环境的耦合影响微弹簧及后坐滑块的闭锁稳定性[11-13];
二是隔爆板增加一体式推力弹簧,解除隔离前推力弹簧的预压状态到解除隔离的回弹,产生径向预推力,有助于隔爆板的离心运动;
三是基板增加反锁卡簧与隔爆板增加卡簧限位槽,两者配合作用有以下巧妙之处:
1) 削能,反锁卡簧有效避免隔爆板闭锁过程因冲量过大而造成锁销结构的危险截面强度失效;
2) 限位,反锁卡簧弹性梁结构为隔爆板轴向留有位移缓冲余量,且受挤压反作用于隔爆板,使锁销结构易于对正闭锁,不易卡住;
3) 止退,反锁卡簧作为径向止退限位装置,阻碍其折返回初始位置,保障碰撞反弹后的隔爆板再次迅速闭锁。
这些特质使得改进后的该结构成为一种优选,能有效避免高冲击过载下装置结构的塑性变形与碰撞反弹。
装置基于电铸镍材料制作,材料参数见表1,微弹簧刚度为350 N/m。可采用电火花加工(EDM)工艺代替紫外光刻、微电铸、微复制(UV-LIGA)工艺,提高加工精度、成品率、性能一致性的同时降低生产成本[14]。
表1 电铸镍材料参数
Table 1 Electroformed nickel material parameters
参数数值弹性模量E/GPa199密度/(kg·m-3)8.9×103屈服强度/MPa750泊松比0.3摩擦因数0.2
根据表1电铸镍材料弹性模量E参数,结合式(1)、式(2)可得材料的许用应力σ为398～497.5 MPa。
(1)
(2)
式(1)中材料安全系数q取4～5,式(2)中RP为非比例延伸强度。
2 安解装置解保动作研究
2.1 微弹簧柔性化
根据表1参数使用ADAMS/Material Create创建电铸镍材料,借助ADAMS/Rigid to Flex模块创建模态中性文件(modal neutral file,MNF)实现微弹簧的柔性化,减小模型误差同时提高仿真精度。网格单元按大小0.1 mm,最小尺寸0.02 mm,四面体划分,模态阶数设置为6,混合边缘轮廓,材料选取电铸镍,微弹簧弯曲处网格加密处理。网格划分结果等距试图如图4所示,网格模型共计186 994个节点(Nodes),119 070个单元(Elements)。
图4 微弹簧柔性化划分网格结果
Fig.4 Mesh result for flexible division of microspring
2.2 刚柔耦合模型动力学仿真
安解装置的ADAMS刚柔耦合动力学仿真模型如图5所示,模型使用柔性化的微弹簧替换刚性体微弹簧,同时为简化模型且满足安全距离外的延期解除保险功能,使用一个合力代替切断销对隔爆板的延期保险作用,该合力使用STEP函数实现,设定仿真开始后200 ms合力被释放。
图5 安解装置刚柔耦合模型
Fig.5 Rigid-flexible coupling model of S&A device
基于ADAMS软件仿真该安解装置刚柔耦合模型在1 500 g后坐过载和20 r/s离心转速下的解保动作并对后坐滑块和隔爆板的质心添加位移测量,运动仿真结果如图6所示,解除保险过程按图6中(a)-(b)-(c)-(d)顺序进行。
图6 安解装置解保动作过程
Fig.6 Arming action process of S&A device
借助位移-时间曲线来进一步验证锁销结构的解保动作,使用Origin对ADAMS仿真测量的后坐滑块和隔爆板质心位移数据进行处理并绘图,如图7所示,为图形简化且直观显示,将后坐滑块和隔爆板运动曲线绘制在同一坐标系下,隔爆板运动曲线以切断销合力被释放开始计时。
图7 锁销结构解保位移曲线
Fig.7 Arming displacement curves of lock pin structures
分析图7后坐滑块位移曲线:后坐滑块在后坐过载作用下克服微弹簧拉力在轴线方向上位移,4.4 ms时刻产生最大轴向位移0.912 2 mm,表明后坐滑块上锁头到达基板锁槽底部。之后微弹簧拉力逐步克服衰减的后坐力,最终在轴向位移0.765 9 mm处固定不动,表明后坐滑块锁头与基板锁槽实现闭锁。对应状态如图6中(a)-(b)所示。
分析图7隔爆板位移曲线:后坐滑块和转销联锁和切断销约束解除后,无约束的隔爆板在离心力的作用下产生径向位移,随着隔爆板运动其所受离心力越大,加速度相应增加,对应曲线的斜率增加,即呈现凹函数曲线。8.1 ms时刻由于反锁卡簧销能起限位作用,隔爆板的运动速度变缓,对应斜率增速变缓的凹函数曲线。10.4 ms时刻达到最大径向位移2.196 6 mm,表明隔爆板上锁头到达基板锁槽底部。由于碰撞和离心作用最终隔爆板在2.058 8 mm位移处固定,表明隔爆板锁头与基板锁槽实现闭锁。对应状态如图6中(c)-(d)所示。
图7位移曲线表明后坐滑块和无微弹簧辅助锁紧的隔爆板上锁销结构未发生碰撞反弹,均为一次可靠闭锁,最终解保状态如图6(d)所示,表明卡簧及锁销结构设计合理。
后坐滑块和隔爆板锁销结构仿真闭锁过程相似,如图8所示。环境激励作用下后坐滑块和隔爆板锁头持续运动,运动过程中锁头与基板锁槽发生碰撞接触,直至“类锯齿形”锁头和锁槽结构闭锁。
图8 锁销结构闭锁流程
Fig.8 Arming process of locking pin structure
锁销结构的可靠闭锁依赖于其特征尺寸,特征如图9所示,尺寸参数见表2。
表2 特征尺寸参数
Table 2 Parameters of the characteristic dimensions
特征数值特征数值a1/mm0.213a1/(°)33a2/mm0.613a2/(°)35b1/mm0.790a3/(°)116b2/mm0.985c1/mm0.134
图9 锁销结构特征
Fig.9 Character of lock pin structure
3 安解装置闭锁强度研究
上述动力学仿真结果表明锁销结构在闭锁过程中会产生碰撞挤压,因此本节借助ANSYS Workbench模拟仿真其闭锁强度,并基于材料强度理论对结构的危险截面进行强度分析,对比电铸镍材料许用应力确保后坐滑块锁销与隔爆板闭锁过程不存在强度失效情况。
3.1 后坐滑块强度分析
后坐滑块锁销结构闭锁过程的受力分析如图10(a)所示,对应数学模型为
(3)
Fs=Ks·y
(4)
图10 锁销结构受力分析
Fig.10 Force analysis of lock pin structure
式中:Fr为后坐力;G为后坐滑块重力;Fs为微弹簧拉力;F1为闭锁过程基板对后坐滑块作用力;θ为作用力与轴线夹角;μ为摩擦因数;m为后坐滑块质量;y为后坐滑块轴线位移;Ks为微弹簧刚度值。同时由图10(a)可知Fs、F1发挥“阻力”作用来抑制后坐力可能过大而带来的危险截面强度失效问题。
文献[15]证明摩擦缓释效应对后坐机构正常发射状态下的解保影响十分有限,因此对图8(a)—图8(e)闭锁运动过程状态模型进行简化,忽略后坐滑块与基板之间的摩擦力和微弹簧拉力的“阻力”作用,取后坐过载1 500 g峰值状态,基于ANSYS/Static Structural平台对最危险受力状态的锁销结构强度进行校验分析[10],简化后的轴线受力示意图如图10(b)所示,F1N为F1在轴线方向上的分力。碰撞部分仿真分析结果如图11(a)—图11(e)所示。
图11 后坐锁销机构应力仿真结果
Fig.11 Stress simulation results of the recoil lock pin structure
后坐滑块图8(f)状态的受力示意图如图10(c)所示,主要受微弹簧拉力Fs、重力G和支反力N。动力学仿真得出闭锁轴线位移为0.765 9 mm,对应刚度值为350 N/m的微弹簧产生0.268 N拉力。因此,对基板添加固定约束,对后坐滑块沿轴向添加对应拉力,仿真结果如图11(f)所示。由图11后坐锁销机构碰撞危险截面应力仿真结果可得,闭锁过程的最大应力为239.59 MPa,在电铸镍材料许用应力范围内,因此后坐滑块锁销机构不会发生材料强度失效。
3.2 隔爆板强度分析
隔爆板与后坐滑块锁销机构闭锁过程相似,切断销对其约束解除后,在离心力的作用下产生径向位移,随着隔爆板质心与转轴距离增加,隔爆板受到的离心力也逐渐增加,对模型施加20 r/s的转速,应力仿真结果如图12所示。由图12离心锁销机构碰撞危险截面应力仿真结果可得,最大应力为381.66 MPa,在电铸镍材料许用应力范围内,因此隔爆板锁销机构不会发生材料强度失效。
图12 隔爆板应力仿真结果
Fig.12 Stress simulation results of the explosion-proof board
4 样机试验分析
4.1 离心试验
采用如图13所示的转臂式离心试验机,相同转速下选取3组同一批次生产的已装配上下夹板的样机进行试验,上下夹板可以防止安解装置零件在高转速下飞出,同时在锁销闭锁处留有观察孔,方便直观观测闭锁状态。
图13 转臂式离心试验机
Fig.13 Centrifugal experiment machine with rotating arm
样机的轴线沿试验机转轴径向方向固定在横臂上,通过旋转产生的离心力模拟后坐力[16],根据式(5),通过调节偏心距r和转速n来获取等效后坐过载,试验偏心距r取0.15 m。试验初始施加2 900 r/min转速,后坐滑块并未完全闭锁,以递增50 r/min转速探索闭锁情况,试验结果如表3所示,样机后坐滑块锁销机构闭锁状态如图14所示。
(5)
表3 后坐锁销机构试验结果
Table 3 Experimental results of the recoil lock pin structure
试验转速/(r·min-1)等效过载/g编组1编组2编组32 9001 411.62未闭锁未闭锁未闭锁2 9501 460.72闭锁闭锁闭锁3 0001 510.65闭锁闭锁闭锁3 0501 561.43闭锁闭锁闭锁
图14 后坐滑块闭锁状态
Fig.14 Lockout status of the recoil lock pin structure
4.2 旋转试验
仍采用如图13所示的离心试验机,对样机进行去除后坐滑块和微弹簧、剪断切断销、使用上下夹板固定预处理。初始转速设置1 100 r/min,达到预定值后继续运行8 s停止,以递增50 r/min转速探索闭锁情况,相同转速下选取3组同一批次生产的已预处理的样机进行试验,试验结果如表4所示,样机隔爆板闭锁状态如图15所示。
表4 隔爆板试验结果
Table 4 Experimental results of the explosion-proof board
试验转速/(r·min-1)编组1编组2编组31 100未闭锁未闭锁未闭锁1 150闭锁闭锁闭锁1 200闭锁闭锁闭锁1 250闭锁闭锁闭锁
图15 隔爆板闭锁状态
Fig.15 Lockout status of the explosion-proof board
4.3 靶场试验
本次靶场摸底试验样机没有安装电作动器,故将切断销预先剪断。试验目的是观察安解装置解除保险与隔离情况,因此使用未装配微传爆序列(导爆药、传爆药、雷管)的摘火引信,试验装配集成样品6发,试验完成后回收样机,拆卸后观察到隔爆板上的传爆孔与上下夹板传爆孔已对正,证明靶场试验装置可靠闭锁,如图16所示。
图16 靶试后样机闭锁状态
Fig.16 Locked status of the prototype after target experiment
5 结论
文中提出了一种具有反锁卡簧结构的改进型限位自闭锁式引信MEMS安解装置设计思路,特点在于卡簧结构的削能、限位、止退作用,并在实现降低加工难度的同时保证了装置的解保动作及闭锁强度。
针对本文中对该MEMS安解装置的研究得出以下结论:
1) 装置基于反锁卡簧结构实现限位自闭锁,闭锁过程隔爆板未发生碰撞反弹,且仍满足原装置对不同环境激励来源、冗余保险与延期解除隔离的设计要求。
2) 微弹簧柔性化的刚柔耦合分析方法减小模型误差同时提高仿真精度,可以将后坐滑块的位移变化反映更加准确,精准的解保位移量(隔爆距离)可为后续安解装置与微传爆序列的集成设计提供参考。
3) 仿真分析、实验室等效试验、外场靶场试验的多重验证各项数据表明,装置可以满足规定的技术指标和材料的应力强度下的解除保险与隔离的动作流程。
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