有限元法在MEMS安全系统仿真中的应用

0　引言

　　微机电系统(MEMS)是当今技术领域的最热点之一,是对兵器装备具有重大影响的技术领域,是提高兵器性能的重要途径。在引信中应用MEMS技术是今后引信发展的必然趋势。安全系统的微型化技术是小口径弹药向高效毁伤方向发展的关键技术和难点所在。采用MEMS技术解决安全系统的微小型问题,对小口径弹药引信的型号研制工作将产生深远影响。由于小口径武器引信可利用的体积空间非常有限,这就大大增加了设计工作的难度。[1]为使这种体积纤小、结构精巧的微机电器件能够精确、可靠地工作,以适应恶劣的环境,可在设计中采用有限元方法,借助仿真软件对微机电系统进行单场或多场耦合分析。

1　MEMS安全系统

某小口径弹药引信的MEMS安全系统的结构[2]如图1所示。

工作原理如下:平时,隔爆板将微桥起爆器和微型爆炸序列隔断,隔爆板被后坐保险机构和远解卡销锁定在保险位置,系统处于安全状态。后坐保险被平面弹簧固定在保险位置,即使遇到跌落、振动,也因弹簧的拉力而发生阻滞,不等运动到位动力已消失,又被弹簧拉回保险位置。

发射时后坐保险在后坐力作用下向下运动。一旦到位,后坐保险的头部被基板上的闭锁机构卡住,不能再恢复保险,第一道保险解除。远解卡销被推出后释放隔爆板。隔爆板在离心力作用下运动到位,头部被基板上的闭锁机构卡住,MEMS安全系统的保险全部解除,引信处于待发状态。

2　有限元仿真分析过程

有限元分析方法的基本思想是将结构进行有限元离散化,用有限个容易分析的单元来表示复杂的工程结构,各单元间通过有限元节点相互连接,根据有限元基本理论建立有限元总体平衡方程。MEMS器件的尺度介于μm~mm的尺寸范围时,仍可利用连续介质的计算力学计算。有限元法是分析此类机构的主要手段,即与宏观尺寸器件的仿真方法基本相同,必要时可结合实际情况对有限元模型和结果进行修正。

有限元分析过程可以归纳为如图2所示[3]。

由于不涉及耦合场,而且碰撞、大变形等非线性因素占主要成分,所以我们选用LS-DYNA作为仿真工具。选用ANSYS作为其前处理工具。充分利用各有限元仿真工具的特点。LS-DYNA主要采用直接积分法(中心差分法)为求解方法。

直接积分法是对运动方程不进行方程形式的变换而直接进行逐步数值积分。通常的直接积分法是基于两个概念,一是将在求解域0