含Z型闭锁梁的微接电开关闭锁机构

张星星，聂伟荣，席占稳，唐志成

（南京理工大学机械工程学院，江苏南京210094）

含Z型闭锁梁的微接电开关闭锁机构

张星星，聂伟荣，席占稳，唐志成

（南京理工大学机械工程学院，江苏南京210094）

针对引信MEMS接电开关L型梁闭锁机构存在的闭锁不稳定被弹开的问题，提出了改进后的微接电开关闭锁机构。该机构用Z型梁代替了L型闭锁梁，能够实现快速、稳定闭锁的功能。仿真验证表明：在选取了合适的倾斜角之后，该闭锁机构在3 600 g的后坐载荷下能完成预期的闭锁动作并能保证闭锁稳定性，在过载环境下也能确保结构不被破坏。

引信；微接电开关；闭锁机构；Z型梁

0 引言

微机电系统（MEMS）技术具有微型化、集成化、可大批量生产、成本低廉的特点。MEMS结构的微型化对引信机构的改进起着巨大的推动作用，为引信的发展提供了更多的空间［1］。基于MEMS技术设计的接电开关可以用于中大口径弹药引信，闭合后可以接通引信电源并确保电源在复杂的弹道环境中都能够一直处于接通状态［2］。因此接电开关的闭锁可靠性直接关系到引信电源系统对供给电路供电的控制。

在之前的微接电开关发射模拟试验中，发现同一批加工的成品中有部分开关在冲击台进行冲击之后没有实现闭锁［3］。对开关的接电电路特性分析，发现整个电路在后坐加载过程中产生过电压信号又消失。分析原因可知接电开关在闭锁之后由于L型闭锁梁被弹开导致开关失效。

本文针对此问题，提出了含Z型闭锁梁的微接电开关闭锁机构。

1 接电开关闭锁机构的基本分析

接电开关主要由环境识别机构与闭锁机构组成，图1为一种典型的接电开关模型。图中将环境识别机构简化为弹簧-质量系统，闭锁机构由L型闭锁梁、锁头、柔性止挡梁及固定电极组成。

发射时，质量块在后坐力的作用下，克服弹簧阻力后撞击闭锁机构中的锁头，使L型闭锁梁发生弹性形变。紧接着锁头与弹性触头接触，同时L型闭锁梁形变恢复，开关完成闭锁动作。

图1 典型接电开关模型Fig.1 Typical inertial switch

对图1的L型闭锁梁进行受力分析，如图2。图（a）中，L型梁A在刚体梁B的反作用力F1作用下产生以O点为中心的逆时针力矩M1，所以产生弹性形变，接电开关闭锁［4］。图（b）中，L型梁A与原状态相比受到挤压产生向下的弹簧拉力F4，与梁B对它的作用力F3相平衡，产生以O点为中心的逆时针力矩M2，所以L型梁A闭锁之后很容易在力矩M2的作用下导致被梁B弹开，开关失效。

图2 L型闭锁梁的受力分析Fig.2 Force analysis of L- shaped latching beam

为了更清楚地分析可能存在的问题，利用ANSYS/Workbench有限元分析软件对图1所示结构进行仿真分析。建立几何模型，对整体结构施加发射环境下的后坐模拟载荷。从图3可以看出，在后坐载荷减小后L型闭锁梁由于两侧弹簧的弹力作用确实存在闭锁被弹开的问题。

图3 L型梁被弹开的仿真截图Fig.3 Simulation screenshot of the bounced L-shaped beam

2 含Z型闭锁梁的闭锁机构

针对上文描述的L型梁闭锁后又被弹开的问题，结合设计要求提出了含Z型闭锁梁的微接电开关闭锁机构，如图4所示。

图4 Z型梁闭锁机构Fig.4 Latchingmechanism of Z- shaped beam

与图1相比，该闭锁机构同样采用对称结构，锁头基部与原先结构相比质量略微变大，但质心位置仍保持不变，更利于撞击闭锁；由原来的L型梁变为Z型梁，增强了闭锁的稳定性。

微接电开关的闭锁机构与弹药弹头方向一致，在弹药飞出炮膛的后效期内可快速实现闭锁，闭锁后接通引信电源。在弹丸的飞行过程中，若遇到骤变的高载荷冲击，通过柔性止挡梁的缓冲作用，锁头与柔性止挡梁仍保持紧密接触，同时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闭锁弹簧弹开，引信电源处于接通状态；若受到弹丸拐弯时横向载荷冲击，锁头两侧的弹簧能起到稳定结构的作用，引信电源同样处于接通状态。

3 Z型梁闭锁机构的仿真验证

利用ANSYS/Workbench有限元分析软件对Z型梁闭锁机构进行仿真计算验证。整个模型是基于电镀镍材料设计的MEMS结构。材料参数如表1。

表1 镍材料参数Tab.1 Nickel material parameters

3.1 Z型梁的静力学分析

Z型梁A的实质仍是直梁（图5），尺寸参数有：梁的宽度b=0.02 mm，厚度h=0.06 mm，长度l= 0.3 mm，弹性模量E=1.8 GPa。

图5 Z型梁两种状态下的受力Fig.5 Stress of Z- shaped beam in two state

对Z型梁A建立有限元模型，斜型梁与底梁的锐角α（见图5）选取三个不同倾斜角：45°、60°、75°，其余参数保持不变。对结构进行静力分析，在弹性范围内选取静力F=0.01 N，梁A的上端固定，F垂直于作用面。

表2 不同倾斜角的Z型梁仿真结果Tab.2 The simulation results of Z- shaped beam with different tilt angle

从表2的仿真结果可以看出，随着倾斜角的增大，X轴的轴向位移在变大，但Y轴轴向位移会变小。梁的最大应力也随倾斜角变大而变大。因此在图4的闭锁结构中，相同条件下倾斜角越大整体结构越容易实现闭锁，但是危险截面的最大应力不能大于镍材料的屈服应力极限，相反若倾斜角过小，会造成Z型梁横向尺寸偏大。所以最终确定Z型梁的倾斜角为63°。Z型梁的受力云图如图6所示。

3.2 闭锁机构的动力学分析

本文以中大口径的火炮弹药作为应用对象，正常发射时加速度的幅值在1 000～30 000 g之间。在忽略炮膛对弹丸飞行的影响条件下，后效期的时间在0.9～10 ms之间。结合设计要求对该后坐加载进行简化并采用半正弦拟合，确定正常发射的后坐载荷脉冲为3 600 g。

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

将建立好的Z型梁闭锁机构模型导入ANSYS/Workbench有限元分析软件，对结构施以3600 g的发射环境下的后坐模拟载荷，分析其仿真结果。在该环境下得到撞击质量块位移图和闭锁机构锁头位移图，如图7所示。

图7 撞击质量块和闭锁机构锁头位移曲线Fig.7 Change curve of displacement of the hitting mass and the locking end

从图7可知，在t=0.439ms时，撞击质量块与闭锁机构相撞，此时质量块的运动位移为y1=0.5495 mm，闭锁机构锁头的位移为y2=0.0895 mm。碰撞之后闭锁机构闭锁，锁头与柔性止挡梁接触。由于后坐加速度仍在不断加大，质量块回弹之后仍会撞击闭锁锁头，从图中可以看出质量块在撞击3次之后趋于稳定，后坐加速度慢慢减小后质量块开始回落。同时，闭锁锁头与柔性止挡梁也经历类似的过程，在t=0.897 ms时，闭锁机构稳定闭锁，此时锁头运动保持在位移y=0.0829 mm。

在正常发射加速度3 600 g加载完成后，开关的闭锁图如图8所示，可看出接电开关闭锁稳定，没有出现再次弹开的情况。

图8 接电开关闭锁位置Fig.8 Final latching position of the inertial switch

开关整体结构应力云图如图9，接电开关在t= 0.4 ms附近产生最大应力，危险截面出现在Z型梁的根部，开关的最大应力σmax=1.57 GPa，小于σb= 1.81 GPa，开关结构不会发生塑性变形，能够实现稳定闭锁。在t=0.7 ms之后，开关应力呈现规律的上下波动，此刻最大应力在底部质量块两侧的弹簧上。

图9 接电开关最大应力变化曲线Fig.9 The maximum stress curve of the inertial switch

在过载环境加速度30 000 g作用下，开关的质量块撞击闭锁机构，实现闭锁。开关的最大应力σm=1.681 GPa，小于σb=1.81 GPa，如图10所示。结构在高过载情况下未发生破坏，因此该接电开关可以承受高过载。

图10 接电开关过载应力变化曲线Fig.10 The overload stress curve of the inertial switch

4 结论

本文提出了含Z型闭锁梁的微接电开关闭锁机构，有效地避免了后坐载荷消失后开关失效的情形，使得机构闭锁变得更稳定。通过有限元仿真研究了Z型梁的倾斜角对结构的影响，并验证了Z型梁闭锁机构能够实现快速闭锁并稳定接触的功能。

下一步还需要继续利用加工完成的实验品建立相应的测试实验系统，测试该接电开关的运动特性、电特性，并分析其性能特点。

［1］牛兰杰，施坤林，赵旭，等.微机电技术在引信中的应用［J］.探测与控制学报，2008，30（6）：54-59.

［2］陈光炎，王超.微惯性开关设计技术综述，信息与电子技术工程［J］，2009，10（5），439-442

［3］薛维清.引信用微机电惯性接电开关设计［D］.南京：南京理工大学，2012.

［4］程建建，聂伟荣，席占稳，等.微惯性开关L型闭锁梁分析［J］.MEMS与传感器，2013，50（3）：172-176.

［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.

［6］刘鸿文.材料力学［M］.北京：高等教育出版社，2004.

［7］毛胜平，汪红.UV-LIGA镍薄膜材料的力学性能测试与分析［J］.功能材料，2010，41（2）：354-356.

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

国家自然科学基金项目资助（51475245）

张星星（1991—），男，江苏南通人，硕士研究生，研究方向：微机电系统设计。E-mail：xingrui91@163.com。