MEMS平面微弹簧弹性系数的研究

0　引言

微机电系统(MEMS)技术是近年来新兴的一门学科,在航空航天、汽车、生物技术、电信等方面都得到了广泛的应用。相对于传统的机电系统而言,微机电系统具有微型化、集成化、智能化、能耗低和批量生产成本低等特点[1],非常适合引信技术发展的要求,因此国内外都对MEMS技术在引信中的应用展开了大量研究。

弹簧在引信中应用的十分广泛,如后坐簧、离心簧、击针簧等,常用的结构形式有圆柱簧、锥形簧等。这些弹簧都是利用传统的机械缠簧机绕制而成,其弹性系数计算公式在相关的引信设计手册中都有详细介绍。MEMS引信安全系统中的平面微弹簧,其结构形式和加工工艺都不同于传统的引信用弹簧,目前主要是利用有限元仿真软件或直接用实验的方法来求得弹性系数,而无相应的计算公式,给微弹簧的设计、加工、优化等带来很多不便。本文对一种应用在引信安全系统中的“Z型”平面微弹簧,推导出了其弹性系数计算公式,并用有限元仿真软件进行了仿真计算。理论公式计算结果与有限元仿真结果的对比,表明两种方法的计算结果非常接近,从另一个方面验证了理论公式的正确性,为MEMS微弹簧的相关研究和应用提供了理论基础。

1　微弹簧在MEMS引信安全系统中的应用分析

微弹簧是一种重要的MEMS器件,可以实现能量和力的传递,在MEMS引信安全系统中发挥着重要的作用。图1所示为一种MEMS引信安全系统由图1可见,离心滑块受第一安全锁和第二安全锁的作用锁定在安全位置。发射时,后坐滑块在后坐力的作用下克服微弹簧的抗力向下运动,同时在离心力的作用下沿着两边的“之”字形锯齿结构左右摇摆运动,以达到延时的目的。在行程末端,后坐滑块撞击第一安全锁使其产生弹性变形并被闭锁销锁定在末端位置,从而解除对离心滑块的第一道保险;当命令驱动器接到控制器的命令时,使第二保险锁向上运动,解除对离心滑块的第二道保险。离心滑块在离心力的作用下克服微弹簧的抗力及摩擦力,运动到位并被闭锁销锁定。此时,安全系统解除保险,引信处于待发状态。

此MEMS安全系统用到两个微弹簧:后坐微弹簧和离心微弹簧。后坐微弹簧既要保证后坐滑块平时碰撞、跌落等情况下的安全性,又要保证发射时在后坐惯性力的作用下能可靠运动到位;离心微弹簧的设计要保证离心滑块在离心力的作用下可靠运动到位,并被锁销卡住。可见,微弹簧是保证引信安全系统平时安全与发射后可靠作用的一个重要零件,而微弹簧的刚度又是安全系统设计不可缺少的基本条件

2　弹性系数公式推导