裴向前，曹 云，席占穩(wěn)，聶偉榮，徐 娜

(南京理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南京 210094)

0 引言

近年來，許多MEMS機(jī)構(gòu)由于體積小、功耗低、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)在民用與軍用領(lǐng)域廣受關(guān)注，包括MEMS加速度計(jì)、MEMS陀螺儀等MEMS傳感器[1-4]。很多MEMS機(jī)構(gòu)中，由于機(jī)械結(jié)構(gòu)間發(fā)生接觸與碰撞，存在接觸后反彈導(dǎo)致機(jī)械故障或在接觸后的振動(dòng)導(dǎo)致重復(fù)接觸等不穩(wěn)定現(xiàn)象。機(jī)械閉鎖機(jī)構(gòu)可以有效地減少這種振動(dòng)和不穩(wěn)定的現(xiàn)象，保證機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定性[5-6]。如引信MEMS安全與解除保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)和MEMS恒通式加速度開關(guān)均有閉鎖機(jī)構(gòu)，在MEMS引信安保機(jī)構(gòu)中，閉鎖機(jī)構(gòu)在解除保險(xiǎn)后，處于復(fù)雜的外界力學(xué)環(huán)境下可以保證MEMS機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定[7-8]。因此，MEMS閉鎖機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)可靠閉鎖十分重要。

MEMS閉鎖機(jī)構(gòu)在大于閾值的加速度作用下，鎖頭運(yùn)動(dòng)與閉鎖梁接觸并通過閉鎖梁彎鉤形成閉合。在已開展的MEMS閉鎖機(jī)構(gòu)相關(guān)研究中重點(diǎn)關(guān)注的是結(jié)構(gòu)最終是否閉合，而對閉鎖機(jī)構(gòu)在全時(shí)域和空間上的運(yùn)動(dòng)及閉鎖過程的研究較少，這些研究對MEMS設(shè)計(jì)、制造和可靠性具有非常重要的意義。MEMS隔爆滑塊閉鎖機(jī)構(gòu)由機(jī)械構(gòu)件組成，需要作相應(yīng)的機(jī)械測試，特別是閉鎖性能的研究。南京理工大學(xué)的李雯迪、鄭燦等人對MEMS隔爆滑塊閉鎖機(jī)構(gòu)進(jìn)行了性能測試[9-10]；文獻(xiàn)[11]研究了MEMS機(jī)構(gòu)的沖擊響應(yīng)；文獻(xiàn)[12]對MEMS傳感器進(jìn)行了閉鎖閾值的測試研究。以上這些測試僅觀察最終是否閉鎖或者采用電測量方法，存在一定局限性。除了結(jié)構(gòu)測試和閉鎖結(jié)果的驗(yàn)證以外，還需要MEMS機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性分析測試。根據(jù)MEMS機(jī)構(gòu)尺寸小、集成度高等特點(diǎn)，近年來主流的MEMS動(dòng)態(tài)測試方法是光學(xué)測試這種非接觸且無損的方法。光學(xué)測量方法能清晰地觀測到MEMS器件在時(shí)域和空間上的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)器件在任意時(shí)刻的可視化，通過對MEMS閉鎖機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)圖像的特征提取，獲取閉鎖過程的運(yùn)動(dòng)參數(shù)，從而指導(dǎo)閉鎖機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[13]在MEMS薄膜動(dòng)態(tài)測試中應(yīng)用激光多普勒技術(shù)，結(jié)合靜態(tài)白光干涉(WLI)，研制出混合微運(yùn)動(dòng)分析系統(tǒng)，為MEMS三維振動(dòng)的快速、精確、高分辨率測量提供了最優(yōu)方案。文獻(xiàn)[14]采用高速X射線顯微照相術(shù)測量了各種形狀微管中的穩(wěn)態(tài)流動(dòng)。文獻(xiàn)[15]采用高速攝像技術(shù)測試了微光開關(guān)在靜電驅(qū)動(dòng)下的動(dòng)態(tài)行為。文獻(xiàn)[16]采用高速攝像技術(shù)，捕捉其閉鎖過程，通過高速攝像光學(xué)測試得到閉鎖機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程，并將提取的實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行有限元仿真可以對比分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性，對結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)起到指導(dǎo)作用。文獻(xiàn)[17]通過仿真驗(yàn)證了SU-8工藝更易于制造高精度的濕度傳感器。文獻(xiàn)[18]設(shè)計(jì)了含閉鎖機(jī)構(gòu)的MEMS加速度傳感器，通過仿真分析了其閉鎖原理及運(yùn)動(dòng)特性。文獻(xiàn)[16]通過ANSYS對MEMS沖擊傳感器分析了其力-撓度的關(guān)系，本次實(shí)驗(yàn)通過光學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)合實(shí)驗(yàn)條件的仿真對實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行全時(shí)域的精確分析，除了對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一致性分析，還為閉鎖可行性的理論分析進(jìn)行數(shù)學(xué)模型的驗(yàn)證，優(yōu)化了未來在不同力學(xué)環(huán)境下的MEMS閉鎖機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。本文針對MEMS閉鎖機(jī)構(gòu)傳統(tǒng)MEMS試驗(yàn)對閉鎖機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過程研究較少的問題，進(jìn)行了沖擊可視化實(shí)驗(yàn)與仿真。

1 閉鎖機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文針對引信MEMS安全系統(tǒng)中隔爆滑塊閉鎖過程開展研究。前期設(shè)計(jì)和加工的引信MEMS安全系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)、離心保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)、指令鎖保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)和隔爆滑塊閉鎖機(jī)構(gòu)。引信MEMS安全系統(tǒng)這些多道獨(dú)立的保險(xiǎn)在獨(dú)立環(huán)境激勵(lì)下，完成安全保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)的解除。

圖1 MEMS安全保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)Fig.1 MEMS safety insurance agency

當(dāng)彈丸發(fā)射時(shí)，MEMS系統(tǒng)垂直于彈軸，后坐保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)在后坐力的作用下，質(zhì)量塊帶動(dòng)懸臂梁向下運(yùn)動(dòng)，解除后坐保險(xiǎn)；接下來受到離心力的作用，隔爆滑塊水平運(yùn)動(dòng)直到抵到離心保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)，并帶動(dòng)離心懸臂梁脫離卡銷，解除離心保險(xiǎn)；隔爆滑塊繼續(xù)運(yùn)動(dòng)直到柔性臂抵到安保機(jī)構(gòu)基板，彈丸在出炮口后且到安全距離以外之后，電推銷器發(fā)火，推動(dòng)指令鎖的柔性臂進(jìn)入活動(dòng)腔，解除指令鎖保險(xiǎn)；最后隔爆滑塊繼續(xù)運(yùn)動(dòng)直到閉鎖機(jī)構(gòu)成功閉鎖，隔爆滑塊不再運(yùn)動(dòng)，傳爆序列對正，引信處于待發(fā)狀態(tài)。

1.1 閉鎖機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)

閉鎖機(jī)構(gòu)有多種設(shè)計(jì)，第一種閉鎖機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。隔爆滑塊設(shè)計(jì)一個(gè)空槽專門用于鎖頭，并且槽壁可起到一定阻擋作用，以防閉鎖梁在閉鎖時(shí)由于變形過大無法恢復(fù)或者恢復(fù)速度過慢，剛性限位塊可固定鎖頭的位移使其準(zhǔn)確定位，保證后續(xù)傳爆序列的對正。當(dāng)外界環(huán)境的激勵(lì)超出臨界值時(shí)，鎖頭的沖擊沖開閉鎖梁完成閉鎖，在保證傳爆序列對正的同時(shí)閉鎖梁不發(fā)生塑性變形，加強(qiáng)了MEMS安全系統(tǒng)的可靠性和安全性。

在仿真和實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過一次沖擊后，隔爆滑塊會出現(xiàn)很大程度的反彈，導(dǎo)致可能無法一次性閉鎖，甚至在沖擊過大時(shí)鎖頭彈出無法閉鎖，且鎖鉤的彎曲角度與閉鎖的穩(wěn)定性相關(guān)。

改進(jìn)的第二種閉鎖機(jī)構(gòu)鎖鉤的彎曲角度由90°直鉤改為75°彎鉤，如圖2(b)所示。

圖2 直鉤與彎鉤結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of straight hook and curved hook structure

1.2 閉鎖機(jī)構(gòu)理論分析

保證完全可靠閉鎖的條件是鎖頭能完全進(jìn)入鎖鉤。分析時(shí)，可假定鎖頭在沖擊鎖鉤閉鎖梁時(shí)，彈簧的拉力和閉鎖梁的阻力不變，阻力的大小等于鎖頭剛好沖進(jìn)鎖鉤的臨界狀態(tài)，那么之后隔爆滑塊進(jìn)入閉鎖的閾值能量表達(dá)式如下：

Vz=V1-Fhdp-FNdhsinα-Ffdhcosα

(1)

式(1)中，V為隔爆滑塊的閾值能量，V1為隔爆滑塊的沖擊能量，F(xiàn)h為微彈簧對隔爆滑塊的拉力，F(xiàn)N為隔爆滑塊鎖頭完全進(jìn)入閉鎖的臨界點(diǎn)時(shí)閉鎖梁對鎖頭的壓力，F(xiàn)f為鎖頭完全閉鎖的臨界點(diǎn)與閉鎖梁的摩擦力，dp為隔爆滑塊從靜止?fàn)顟B(tài)開始直到閉鎖后的軸向位移，dh為鎖頭底端至鎖鉤末端的距離，α為鎖頭側(cè)邊與y軸形成的角度。

根據(jù)沖擊能量公式，此時(shí)隔爆滑塊的沖擊能量為：

(2)

式(2)中，m為隔爆滑塊和彈簧的等效質(zhì)量，a為沖擊加速度的幅值，τ為沖擊加速度的脈寬。微彈簧的拉力可表示為：

Fh=Kdp

(3)

式(3)中，K為彈簧的彈性系數(shù)。當(dāng)鎖頭完全進(jìn)入鎖座的時(shí)候，在臨界時(shí)刻閉鎖梁的受力如圖3所示。在該時(shí)刻位移最大，作用力最大，表達(dá)式為[20]：

圖3 鎖頭進(jìn)入鎖鉤的臨界時(shí)刻受力狀況Fig.3 Lock latch hook into the critical moment the situation by force

(4)

式(4)中，E為鎖鉤材料彈性模量，ws為閉鎖梁截面的線寬，μ為hs為閉鎖梁截面的高度，ls為鎖鉤底端至鎖鉤末端的距離。在接觸過程中鎖鉤與鎖鉤的摩擦力為：

Ff=μFNcosα

(5)

則式(1)可寫作：

(6)

從鎖頭和鎖鉤開始接觸的時(shí)間開始計(jì)算，可以算出此過程中離心隔爆滑塊的實(shí)際運(yùn)動(dòng)閾值能量Vz>0，由此可以判斷出此過程中，隔爆滑塊可以完全進(jìn)入鎖座。

2 實(shí)驗(yàn)測試

2.1 閉合閾值測試

采用馬希特?fù)翦N系統(tǒng)對MEMS閉鎖機(jī)構(gòu)施加沖擊載荷，利用標(biāo)準(zhǔn)加速度計(jì)采集沖擊過程的加速度信號，然后利用顯微鏡觀察閉鎖機(jī)構(gòu)是否實(shí)現(xiàn)閉鎖。兩種閉鎖機(jī)構(gòu)的測試結(jié)果如表1和表2所示。

表1 直鉤結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.1 Straight hook structure experiment results

表2 彎鉤結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Curved hook structure experiment results

由表1可知：當(dāng)加速度幅值小于199g時(shí)，直鉤結(jié)構(gòu)均未能實(shí)現(xiàn)閉鎖；當(dāng)加速度幅值大于199g時(shí)，直鉤結(jié)構(gòu)均成功實(shí)現(xiàn)閉鎖，表明直鉤結(jié)構(gòu)的閉鎖閾值約為199g。同樣地，由表2可知，彎鉤結(jié)構(gòu)的閉鎖閾值為170g，略低于直鉤結(jié)構(gòu)的閉鎖閾值。

2.2 閉合過程可視化測試

所搭建的沖擊環(huán)境下微結(jié)構(gòu)瞬態(tài)光學(xué)測量實(shí)驗(yàn)平臺如圖4所示。

圖4 高速攝影實(shí)驗(yàn)平臺搭建示意圖Fig.4 Schematic diagram of high-speed photography experiment platform construction

它主要分為三部分：馬希特?fù)翦N系統(tǒng)、信號采集系統(tǒng)和高速光學(xué)測量系統(tǒng)。將被測MEMS閉鎖機(jī)構(gòu)樣機(jī)封裝在PMMA夾具中，并將該夾具及加速度計(jì)(CA-YD-102)通過超硬鋁夾具固定在錘頭上，保證閉鎖機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方向與沖擊方向一致；加速度計(jì)信號通過電荷放大器，經(jīng)由數(shù)據(jù)采集卡到計(jì)算機(jī)采集信號，靈敏度為10 mV/g；當(dāng)錘頭從一定高度自由下落到緩沖墊上時(shí)，可產(chǎn)生半正弦沖擊加速度，通過調(diào)節(jié)錘頭高度和緩沖墊材料和厚度，可產(chǎn)生不同幅值和脈寬的沖擊加速度，使用信號采集系統(tǒng)記錄沖擊過程的加速度信號。

顯微鏡(Nikon AZ100)通過三腳架云臺固定，視場聚焦在錘頭的側(cè)面，將鎖鉤與鎖頭放大，然后將高速攝像機(jī)(Phantom v641)的鏡頭對準(zhǔn)顯微鏡目鏡，調(diào)整焦距至視場觀察到閉鎖機(jī)構(gòu)，用來記錄閉鎖動(dòng)態(tài)過程與鎖頭、鎖鉤的變形過程。顯微鏡的最大放大倍數(shù)選為10倍，高速攝像機(jī)的最高拍攝幀頻可以達(dá)到219 000 f/s，最小曝光時(shí)間可以達(dá)到1 μs。

閉鎖動(dòng)態(tài)過程要求非常高的拍攝幀頻，在拍攝過程的曝光短時(shí)間內(nèi)需要達(dá)到攝像機(jī)傳感器要求，所以需要配置高光強(qiáng)光源。由于樣機(jī)表面不平滑，采用向光或側(cè)光照明方法產(chǎn)生漫反射導(dǎo)致大量光線無法進(jìn)入顯微鏡中，因此本次實(shí)驗(yàn)選用背光照明的方法，如圖5所示。采用20 W聚光燈配備60°透鏡使大量光透過樣機(jī)進(jìn)入到顯微鏡物鏡中，提高圖像的亮度和對比度，并且擴(kuò)大樣機(jī)和背景之間的亮度差。

圖5 照明方法示意及原理圖Fig.5 Schematic diagram of backlighting method

在實(shí)驗(yàn)中，高沖擊作用下樣機(jī)和顯微鏡會有相對運(yùn)動(dòng)，在高速運(yùn)動(dòng)下需要范圍更大的視場來捕捉閉鎖開關(guān)的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程，大視場限制了高速攝像機(jī)的幀率和圖像的分辨率。經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)測試，在10 000 f/s的拍攝速率下圖像的成像質(zhì)量較好，前后兩幀圖像的時(shí)間間隔是100 μs，圖像的分辨率是608×500。

首先選取彎鉤型閉鎖結(jié)構(gòu)進(jìn)行測試，對閉鎖機(jī)構(gòu)施加幅值為284g，脈寬約2.35 ms的沖擊加速度，測試結(jié)果如圖6所示。

圖6 在加速度為284 g，拍攝速度10 000 f/s下的閉鎖機(jī)構(gòu)閉鎖效果Fig.6 The latching effect of the latching mechanism at an acceleration of 284 g and a shooting speed of 10 000 f/s

由鎖頭和鎖鉤的間距可知，幀1—幀6中隔爆滑塊在沖擊加速度的作用下向下運(yùn)動(dòng)；在幀7中，滑塊的鎖頭與鎖鉤接觸，推動(dòng)鎖鉤向兩端產(chǎn)生變形；在幀8中，鎖頭推動(dòng)鎖鉤產(chǎn)生最大變形，此時(shí)鎖鉤被完全撐開，達(dá)到可靠閉鎖的臨界狀態(tài)；由于此時(shí)仍存在較大的沖擊能量，滑塊在幀9中成功突破鎖鉤，之后鎖鉤產(chǎn)生強(qiáng)烈振動(dòng)；進(jìn)一步從幀9和幀10可以看出，滑塊與剛性限位塊發(fā)生碰撞，剛性限位塊較好地限制了滑塊的大位移，具有一定的抗高沖擊能力；隨后滑塊開始反彈，向沖擊反方向運(yùn)動(dòng)，如幀11—幀14所示，并在幀14中與鎖鉤相互鎖住，由于沖擊能量仍未耗盡，滑塊作有阻尼衰減振動(dòng)(幀15—幀25)，最終恢復(fù)到平衡狀態(tài)。這里需要注意，在幀25中，理想情況下鎖頭應(yīng)該與鎖鉤相互鎖住，實(shí)際上兩者卻出現(xiàn)了一定的間隙，分析其原因?yàn)椋簭椈珊突瑝K采用分離加工并裝配在一起導(dǎo)致彈簧在沖擊作用下產(chǎn)生一定的塑性變形，此時(shí)彈簧力無法拉回滑塊。這也為MEMS安全保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)及閉鎖機(jī)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)和工藝研究提供了指導(dǎo)。接下來選取直鉤結(jié)構(gòu)，對直鉤結(jié)構(gòu)施加幅值為373g，脈寬約2.35 ms的沖擊加速度，結(jié)果機(jī)構(gòu)閉鎖成功，得到的結(jié)果截取閉鎖成功的部分如圖7所示。

圖7 在加速度為373 g，拍攝速度10 000 f/s下的閉鎖機(jī)構(gòu)閉鎖效果Fig.7 The latching effect of the latching mechanism at an acceleration of 373 g and a shooting speed of 10 000 f/s

同樣從隔爆滑塊和鎖鉤的間距可知：幀1—幀5中隔爆滑塊在沖擊加速度的作用下向下運(yùn)動(dòng)，在幀6滑塊的鎖頭接觸鎖鉤，鎖鉤產(chǎn)生變形，幀7同樣鎖鉤產(chǎn)生最大變形，達(dá)到閉鎖的臨界狀態(tài)；幀8成功閉鎖，此時(shí)鎖鉤產(chǎn)生振動(dòng)；在加速度的進(jìn)一步作用下，隔爆滑塊由于剛性限位塊的反沖擊向上運(yùn)動(dòng)，如幀10—幀14所示，直到幀15后保持穩(wěn)定。

再對直鉤結(jié)構(gòu)施加幅值765g-415 μs和1 040g-375.9 μs的沖擊加速度進(jìn)行測試，在765g的加速度下機(jī)構(gòu)未閉鎖成功，在1 040g的加速度下閉鎖成功。結(jié)果如圖8所示。

圖8 加速度為765 g、1 040 g的閉鎖效果Fig.8 Latching effect under acceleration of 765 g and 1 040 g

顯然，在765g下，幀1—幀10中隔爆滑塊向下運(yùn)動(dòng)，到幀11中滑塊的鎖頭與鎖鉤相接觸，到幀13中鎖頭與鎖鉤的接觸變形最大，與373g下對比可看出，鎖鉤未被完全撐開，此時(shí)并未達(dá)到閉鎖臨界狀態(tài)；隨后隔爆滑塊被反彈，幀14—幀16中鎖頭與鎖鉤的接觸越來越少，鎖鉤恢復(fù)到初始狀態(tài)；幀17—幀20后滑塊反彈，閉鎖失敗。分析原因是：765g雖然幅值較大，但是脈寬較窄，根據(jù)式(1)可知，該加速度的沖擊能量未達(dá)到閾值能量。在1 040g下，閉鎖機(jī)構(gòu)成功閉鎖并保持穩(wěn)定。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 閉鎖機(jī)構(gòu)位移曲線

通過邊緣檢測技術(shù)可以比較精確地提取高速攝像圖像中滑塊的邊緣，再對邊緣的特征點(diǎn)進(jìn)行定位，測量該特征點(diǎn)的位移，可以計(jì)算出滑塊的位移。

攝像機(jī)的拍攝速度為10 000 f/s，獲取圖像的分辨率是608×500。在圖像中選擇閉鎖梁的寬度作為參考值來計(jì)算提取算法的精度和隔爆滑塊的位移。

得到不同加速度作用下滑塊的位移曲線如圖9所示。

圖9 三次實(shí)驗(yàn)結(jié)果的位移曲線Fig.9 Displacement curve of three experimental results

從圖9可以看出：直鉤結(jié)構(gòu)相比于彎鉤結(jié)構(gòu)，閉鎖之后的運(yùn)動(dòng)更加穩(wěn)定，更易一次性閉鎖；三次閉鎖的整體位移趨勢具有一致性，都是在閉鎖之后隔爆滑塊撞到剛性限位塊有一定反彈，最終保持穩(wěn)定。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真分析對比

MEMS安全保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)整體結(jié)構(gòu)材料是電鑄鎳。選取電鑄鎳的材料參數(shù)如表3所示。

表3 電鑄鎳材料相關(guān)參數(shù)Tab.3 Electroformed nickel material

采用有限元分析軟件ABAQUS建立隔爆滑塊閉鎖機(jī)構(gòu)的有限元模型，將實(shí)驗(yàn)中采集到的沖擊加速度作為載荷施加給閉鎖機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖10所示。仿真結(jié)果表明，在284g-2.35 ms的沖擊加速度下彎鉤結(jié)構(gòu)成功實(shí)現(xiàn)閉鎖。

圖10 284 g下閉鎖機(jī)構(gòu)應(yīng)力云圖與高速攝像閉鎖圖Fig.10 The stress cloud diagram of the latching mechanism and the latching diagram of the high-speed camera under 284 g acceleration

穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)鎖鉤卡住鎖頭，而實(shí)驗(yàn)中鎖頭與鎖鉤之間卻出現(xiàn)了一定的間隙，其原因主要是由彈簧和滑塊分離加工和裝配造成的。在仿真結(jié)果中，最大應(yīng)力出現(xiàn)在鎖鉤沖擊閉鎖梁時(shí)的閉鎖梁彎曲處，為840 MPa，小于電鑄鎳材料的屈服極限1 000 MPa，整體結(jié)果不會發(fā)生塑性變形，符合強(qiáng)度的設(shè)計(jì)要求。仿真與實(shí)驗(yàn)的滑塊位移曲線，如圖11所示。

圖11 284 g下閉鎖機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)位移仿真與實(shí)驗(yàn)對比Fig.11 Simulation and experimental comparison of motion displacement of latching mechanism under 284 g acceleration

由圖11可知，在284g沖擊作用下，滑塊位移的實(shí)驗(yàn)測試曲線與仿真曲線的趨勢基本一致，滑塊運(yùn)動(dòng)的位移趨勢和仿真結(jié)果擬合較好，分別在1.5 ms和1.96 ms抵到剛性定位塊，之后均有反彈現(xiàn)象。

直鉤結(jié)構(gòu)在373g、2.35 ms和1 040g、375.9 μs沖擊加速度下仿真的位移情況如圖12、圖13所示。

圖12 373 g下閉鎖機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)位移仿真與實(shí)驗(yàn)對比Fig.12 Simulation and experimental comparison of the movement displacement of the latching mechanism under 373 g

圖13 1 040 g下閉鎖機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)位移仿真與實(shí)驗(yàn)對比Fig.13 Simulation and experimental comparison of the movement displacement of the latching mechanism under 1 040 g

從圖12、圖13中可看出，整體運(yùn)動(dòng)閉鎖趨勢是比較擬合的，均有在第一次閉鎖之后有所反彈，1 040g-375.9 μs下的反彈次數(shù)較少，這是由于脈寬比較短，在閉鎖時(shí)已經(jīng)不再有外力作用。

765g-415 μs加速度下的仿真結(jié)果表明閉鎖機(jī)構(gòu)未能閉鎖，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全吻合。765g-415 μs加速度下的仿真與實(shí)驗(yàn)滑塊位移曲線如圖14所示。

圖14 756 g下閉鎖機(jī)構(gòu)仿真應(yīng)力云圖與位移曲線Fig.14 Simulation stress cloud diagram and displacement curve of the latching mechanism under 756 g

4 結(jié)論

本文提出了引信MEMS閉鎖機(jī)構(gòu)高g值沖擊實(shí)驗(yàn)與仿真方法，通過搭建沖擊環(huán)境下微結(jié)構(gòu)瞬態(tài)光學(xué)測量實(shí)驗(yàn)平臺，理論分析了閉鎖的可行性與閾值，該實(shí)驗(yàn)方法完整地記錄了低g值長脈寬與高g值窄脈寬下兩種閉鎖機(jī)構(gòu)的閉鎖過程，提取了隔爆滑塊的位移變化曲線，并與仿真結(jié)果進(jìn)行了對比，實(shí)驗(yàn)測試與仿真結(jié)果表明：一致性較好，驗(yàn)證了直鉤和彎鉤兩種結(jié)構(gòu)的閉鎖性能；彎鉤結(jié)構(gòu)更有利于閉鎖機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)一次性可靠閉鎖，且不發(fā)生塑性變形。此外，分析了低g值長脈寬284g-2.35 ms閉鎖成功，高g值窄脈寬765g-415 μs加速度作用下機(jī)構(gòu)無法閉鎖的原因，原因?yàn)?65g-415 μs加速度下沖擊能量較低，未達(dá)到閉鎖閾值能量，為MEMS閉鎖機(jī)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了理論和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)。