一种应用于引信环境的MEMS执行器

金 才，郝永平，杨明海

（1.沈阳理工大学CAD/CAM技术研究与开发中心，辽宁 沈阳 110159；2.沈阳理工大学机械工程学院，辽宁 沈阳 110159）

引信是一种能够在预定的时间、地点，按预定的方式使弹药起爆（或其他作用）的装置，引信的基本功能是保险、解除保险和发火。伴随着现代引信技术的发展，引信的发展趋势体现为微型化、智能化、高可靠性、高安全性、高稳定性、成本低和适合大批量生产。传统引信零件数目繁多，加工不方便，装配复杂，体积庞大，这些缺点影响了引信的性能，与引信的发展潮流相悖。MEMS技术的出现和发展满足了引信的发展要求，MEMS器件体积小，质量轻，精度高，制造材料性能稳定，集成化程度高，适合低成本大批量生产，MEMS技术在引信中的应用已经取得了很大成功，MEMS引信已经成为引信的主要发展方向[1]。

基于引信特殊环境设计了一种应用于引信的MEMS执行器，该MEMS执行器靠后坐力解除约束（保险），然后利用离心环境运动到位并被限制于某一固定位置，可以作为引信的一道保险，也可以作为引信电路中的开关使用。

1 MEMS执行器的结构及工作原理

该MEMS执行器的结构如图1所示：X方向为弹轴方向。MEMS执行器包括挂锁槽/头、敏感模块和钩锁头。MEMS执行器中包含闭锁机构、滑道机构和卡锁机构。敏感模块由四个折叠梁和外框质量块组成，捕捉弹药的环境力。折叠梁的交叉部分和钩锁头以及挂锁槽进行锚定，挂锁头两侧的锚区和挂锁头与敏感模块间的滑道机构限制其X方向的运动。该MEMS执行器的尺寸为微米级别，外廓尺寸为1 020μm×1 710μm。

在弹药发射过程中，MEMS执行器受到X方向的后坐力，敏感模块沿X方向运动。后坐力足够大，使卡锁机构解除对敏感模块Y方向的限制。弹药在炮膛中获得转速，MEMS执行器受到Y方向的离心力，敏感模块沿Y方向运动，推动挂锁头进入挂锁槽，闭锁机构对挂锁头及敏感模块进行锁定[2]。

图1 MEMS执行器结构图

2 MEMS执行器的动力学仿真

在ANSYS/LS-DYNA中对MEMS执行器进行建模和动力学仿真分析[3]。

2.1 卡锁机构的动力学仿真

在ANSYS/LS-DYNA中建立敏感模块和钩锁头的三维模型并划分网格。在锚点处施加全约束，在敏感模块上施加峰值12 000 g，沿X方向的后坐加速度，进行动力学仿真。

如图2所示为卡锁机构最大等效应力云图，应力单位为Pa。

图2 卡锁机构最大等效应力云图

图3 敏感模块钩锁部分某节点位移曲线

在敏感模块钩锁部分选取节点观察位移，如图3所示为节点位移图。敏感模块钩锁部分位移达到25.288mm，最大应力为0.164 6MPa，卡锁机构可靠动作。

2.2 闭锁机构的动力学仿真

在ANSYS/LS-DYNA中建立敏感模块、钩锁头和挂锁槽的三维模型并划分网格。在锚点处施加全约束，在敏感模块和挂锁头上施加沿Y向的离心力，转速6 000 r/min，离心半径0.1m，进行动力学仿真。

如图4所示为闭锁机构最大等效应力图，应力单位为Pa。

在挂锁头部分选取节点观察位移，如图5所示为节点位移图。

挂锁头位移达到0.180 02 mm，最大应力为0.862 2MPa，闭锁机构可靠动作。

图4 闭锁机构最大等效应力云图

图5 挂锁头某节点位移曲线

3 结束语

基于引信特殊环境设计了一种应用于引信的MEMS执行器。四个折叠梁交叉布局使其结构紧凑，并提高了抗过载能力。通过仿真验证，MEMS执行器能够利用引信的后坐环境和离心环境执行动作，在后坐加速度12 000 g的后坐环境，转速为6 000 r/min，离心半径0.1m的离心环境下可靠动作。

[1]刘 靖，石庚辰.微机电系统（MEMS）技术及在引信中的应用[J].现代引信，1997，（3）:20-26.

[2]王 伟，杨会伟，霍鹏飞，侯宏录.微引信保险机构设计与仿真[J].西安工业大学学报，2008，28（3）：219-222.

[3]尚小江，苏建宇，等.ANSYSLS-DYNA动力学分析方法与工程实例[M].北京：中国水利水电出版社，2006.