微小型安全系统关键技术研究

发布时间：2020-08-23 21:13

【摘要】：由于MEMS技术的特点,使其在引信中得到越来越广泛的应用。引信MEMS安全系统采用MEMS机构代替传统机电装置,为引信实现微小型化,进而进一步提高引信的性能提供了有力条件。本文在归纳总结现有微弹性元件、延时机构与微小型驱动器在微小型安全系统中应用存在问题的基础上,以微小型安全系统为研究对象,对应用于微小型安全系统中弹性元件、延时机构与微小型驱动器进行了研究,并通过多种工艺相结合完成了微小型安全系统原理样机的加工,对其性能进行了测试。本文首先从材料应力应变角度研究了S形平面微弹簧线性范围的计算方法,理论计算与实验结果比较误差在10%左右。研究表明:当材料特性?_s/E一定时,通过增加微弹簧节数n,增长直梁部分L、增大转弯处半径R或减小微弹簧宽度H,可以增大微弹簧线性范围。针对微弹簧在高过载冲击环境中容易发生塑性形变问题,提出了一种微弹簧多目标优化设计方法,以满足安全系统在跌落时微弹簧不发生塑性变形和发射时后坐延时保险机构可靠运动到位的要求。针对引信安全系统需要提供较大变形和较大作用力的要求,提出多层叠层梁结构的设计方法,对多层叠层梁在微小型安全系统中的应用进行了研究,当忽略摩擦力的影响时,在满足HH_叠H/N时,叠层弹性梁提供的驱动力与驱动位移均大于原单层弹性梁。解决了微小型安全系统中受空间限制,单层弹性梁无法同时提供足够大的驱动力与形变位移的问题。设计了一种无传动轮系的双摆钟表延时机构,对其运动特性进行了动力学仿真;并针对弱环境力中Z形齿延时机构同时受后坐过载与离心过载时不能可靠工作的问题,研究了一种非对称Z形齿延时机构,该机构将后坐滑块与基板上对称的Z形齿形改变为非对称齿形,改善了在离心力作用下,后坐滑块的受力状况。为了解决引信MEMS安全系统在弱环境力下,安全系统第二保险以及解除保险后隔爆滑块解除隔爆的驱动问题,提出并研究了一种双功能微小型火药驱动器,该驱动器既能够为隔爆滑块提供保险功能,又能够在解除保险后为隔爆滑块运动提供驱动功能。采用半包围三明治结构,结构简单,由点火具、盖板、滑动销与基板组成。体积仅为4.7×4.7×2 mm~3,采用火药驱动方式,反应速度快,工作电压低,仅需要4-5V的工作电压即能够在1.5ms内完成工作。采取多种加工工艺相结合方法加工了原理样机,完成了微小型火药驱动器的密封性能测试、动作可靠性测试与耐过载性能测试,验证了其安全性与可靠性,保证了其在微小型引信安全系统中的可靠应用。最后,在对微小型安全系统中弹性元件、延时机构与双功能微小型火药驱动器研究的基础上,设计并加工了一种微小型安全系统。对后坐延时保险机构安全性、后坐延时保险机构解除保险可靠性、驱动保险机构与隔爆机构联动性能和系统集成性能进行了测试。测试结果表明:本论文研究的微小型安全系统能够满足平时勤务处理的安全和发射时可靠解除保险的要求。
【学位授予单位】：北京理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TJ430.3;TH-39
【图文】：

但由于其加工方法、加工原理、工艺流程完全不同于传统的机械加工，使得安全系中各机构、各零部件的结构形状与传统引信有很大的不同，甚至完全不同[12, 13]。目前微机电系统主要有三种加工技术：一种是以美国为代表的以集成电路加工术为基础的硅基微加工技术[14]，主要以硅材料加工为主；二是以德国为代表的发展来的 LIGA 技术与在此基础上发展的准 LIGA 技术，主要以金属材料加工为主；三以日本为代表的超精密加工工艺，对传统加工工艺进行升级改造，并引入多种加工式如电火花、金属粉末注塑等特种加工工艺，以金属材料为主[15, 16]。由于引信使用境的特殊性（高低温、高冲击环境），为了保证引信 MEMS 安全系统使用的微机械部件的强度与特殊环境下的使用安全性和可靠性，多采用金属材料加工工艺的 LIG与准 LIGA 技术，并结合其他特种加工工艺。LIGA 技术由上个世纪 80 年代德国卡尔斯鲁厄核技术研究所所开发[17]，LIGA 德文 Lithographie、Galanoformung 和 Abformung 三个词的缩写，即光刻、电铸和注塑图 1.1 所示为 LIGA 工艺主要流程。1. 光刻显影

北京理工大学博士学位论文解决 LIGA 技术所需 X 射线光线，以及降低加工成本，美国 Guckel 教授出了使用深紫外光代替同步辐射线的准 LIGA 技术，加工成本和工艺周LIGA[18-20]。该工艺分为两个主要的部分：厚胶的深层 UV 光刻和图形中镀。准 LIGA 技术中常用的光刻胶主要有正胶和负胶[21-23]。其工艺流程如在金属基体上X 射线照射

北京理工大学博士学位论文等的重要组成部分，它不仅可以为这些器件提供弹性力，还能够传递能量。性能对其它器件能否按照设计要求正确发挥作用起着至关重要的作用[29]。与相比，MEMS 微弹簧结构形式更加多种多样，如图 1.3 所示是几种典型的 M微弹簧（以下简称微弹簧），使用方式更加灵活。

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本文编号：2802030