【摘 要】
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MEMS闭锁开关凭借着无功耗、体积小、信号线性度好以及可批量化生产等优势在军事领域中得到了广泛的应用。本文以大、中口径弹丸中的引信电源开关为研究对象,设计了一款具有载荷区分功能和稳定闭锁功能的MEMS引信闭锁开关。为验证开关的功能性,借助有限元仿真软件对其响应特性进行分析。同时,基于微电铸工艺,在不锈钢衬底上制备了MEMS引信闭锁开关,并搭建离心装置和马希特动态击锤实验平台对其展开测试。首先,根据
【基金项目】
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国家重点研发计划项目(2020YFB2009002); 国家自然科学基金(51975103);
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MEMS闭锁开关凭借着无功耗、体积小、信号线性度好以及可批量化生产等优势在军事领域中得到了广泛的应用。本文以大、中口径弹丸中的引信电源开关为研究对象,设计了一款具有载荷区分功能和稳定闭锁功能的MEMS引信闭锁开关。为验证开关的功能性,借助有限元仿真软件对其响应特性进行分析。同时,基于微电铸工艺,在不锈钢衬底上制备了MEMS引信闭锁开关,并搭建离心装置和马希特动态击锤实验平台对其展开测试。首先,根据大、中口径弹丸在实际应用中的发射环境及勤务环境,确定闭锁开关需要区分的两种载荷信号的幅值与脉宽。在确定闭锁开关工作载荷的基础上建立物理学模型并展开动力学分析,选出环境响应系统合适的工作频率。然后,根据选定的工作频率先后设计闭锁开关中的环境响应系统、载荷区分机构以及闭锁系统。最后完成边框、锚点等结构的设计,确立闭锁开关的完整结构。针对闭锁开关的设计结构,利用有限元分析软件ABAQUS对闭锁开关进行模态仿真及动力学仿真。根据模态仿真结果,闭锁开关在工作方向上的一阶固有频率为685Hz,与设计值相对误差为-2.1%。经验证,闭锁开关的一阶模态满足设计要求。为验证闭锁开关是否具有良好的载荷区分功能,利用瞬态动力学仿真模块对闭锁开关的动态响应展开研究。在幅值3000g、脉宽1.5ms的发射载荷下,闭锁开关能够稳定闭合;而在幅值15000g、脉宽0.15ms的勤务载荷下,闭锁开关保持断开状态。最后,对闭锁开关施加30000g的过载加速度以测试其抗过载性能。基于微电铸工艺,在不锈钢基板上制备MEMS引信闭锁开关。通过在结构中设置应力释放结构,解决铸层残余应力过大的问题。最终,制得总体尺寸为4mm×4.5mm×0.25mm的闭锁开关。对制作完成的闭锁开关进行后期封装并展开动静态测试实验。准静态实验表明,在等效静态加速度幅值为2970.7g的条件下,闭锁开关能够稳定闭合,加速度阈值的实验结果与设计值相对误差值为-0.98%。动态测试表明:当闭锁开关承受幅值为14600g,脉宽为158.33μs的勤务载荷时,开关未进入闭合状态。经验证,该MEMS引信闭锁开关具有良好的载荷区分能力及稳定闭锁能力。
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