复杂力学环境中MEMS安全系统失效机理与分析方法研究

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采用微机电系统(MEMS)技术是实现引信微小型化的有效途径之一,MEMS技术应用于引信中的一个重要方向就是MEMS安全系统。失效是阻碍MEMS安全系统实际应用的一个关键问题。由于其应用背景较为特殊,目前国内外对MEMS安全系统失效研究的报道很少,也没有建立相关的失效分析理论,因此开展MEMS安全系统失效研究工作,对于解决MEMS技术在引信中应用的关键技术问题具有重要意义。研究复杂力学环境中MEMS安全系统的失效问题,首先从分析复杂力学环境的环境载荷特点入手,结合MEMS的工艺特点、产品结构特点、典型材料特性,分析系统失效模式和失效机理,进而明确失效判据。为全面有效地分析问题,确定复杂力学环境中MEMS安全系统的失效模式为时序失效和功能失效,其中功能失效是由于环境过载造成器件的强度失效所致,而时序失效是由系统作用时序混乱而引发的失效。而后针对研究对象确定可行的失效分析方法。根据MEMS安全系统的特性并参考对MEMS器件的失效分析方法,本文提出了采用事前分析模式思路、针对复杂力学环境中MEMS安全系统的失效分析方法。既利用失效树分析法结合对已设计安全系统的分析结果,对系统进行失效判断。利用建立系统数学模型的方法分析系统对复杂外力的响应,以此考察复杂力学环境中MEMS安全系统的性能。根据执行功能的不同,将MEMS安全系统划不同的功能单元进行独立分析,通过对系统简化将各单元的作用过程简化为其内部的关键器件的运动或形变过程,这样系统的性能最终可由器件的响应来体现。将关键器件归类并分别建立其相应的动力学、运动学模型,以此分析其对外加环境力的响应。然后以20mm小口径弹的MEMS安全系统为例,利用上述分析方法对其进行复杂力学环境中的失效分析。分别建立20mm小口径弹的MEMS安全系统的安全性和作用可靠性失效树,并通过求解最小割集的方法明确其精确失效判据;根据所建模型计算勤务处理过程和引信作用过程中20mm小口径弹的MEMS安全系统不同功能单元关键器件对外力的响应,将结果对比失效判据对系统是否失效进行判定。最后利用ANSYS和ADAMS工程软件分别建立20mm MEMS安全系统三维模型,并对其进行复杂力学环境中的仿真实验,以此验证所建模型的正确性和该失效分析方法的可行性。
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