侵徹姿態(tài)測量中MEMS陀螺儀結(jié)構(gòu)仿真與沖擊實驗

　　摘要:彈體在高速侵徹過程中的姿態(tài)偏轉(zhuǎn)是影響其效能的重要因素,利用微電子機械系統(tǒng)(MEMS)陀螺儀進行姿態(tài)測量是監(jiān)測彈體姿態(tài)變化的主要手段。針對侵徹彈體姿態(tài)測量對MEMS陀螺儀提出的抗高過載要求,采用結(jié)構(gòu)仿真和沖擊實驗的方法對國產(chǎn)MEMS陀螺儀進行了抗高過載研究。在結(jié)構(gòu)仿真中,利用ANSYS有限元軟件對MEMS陀螺儀敏感結(jié)構(gòu)進行了靜力學仿真和沖擊仿真。仿真結(jié)果表明,MEMS陀螺儀能夠承受峰值15000g、脈寬2ms的半正弦沖擊載荷;在沖擊實驗中,利用空氣炮對MEMS陀螺儀處于帶電工作狀態(tài)下的抗高過載能力和輸出特性進行了研究,實驗結(jié)果表明,MEMS陀螺儀在8363g的沖擊過載條件下可以正常帶電工作,其在過載前后的零偏和標度因數(shù)基本保持不變。

　　青澤; 牟東; 廉璞; 劉軍; 周銘， 微納電子技術(shù) 發(fā)表時間：2021-08-17 期刊

　　關鍵詞:微電子機械系統(tǒng)(MEMS);陀螺儀;侵徹;姿態(tài)測量;抗高過載

　　0引言

　　MEMS陀螺是利用微電子機械系統(tǒng)(microelectromechanicalsystem,MEMS)技術(shù)制作而成的用來測量運動載體角速度的慣性傳感器[1],與傳統(tǒng)慣性陀螺相比,MEMS陀螺具有體積小、質(zhì)量輕、成本低及可批量生產(chǎn)等特點,在慣性導航、姿態(tài)測量等領域具有廣闊的應用前景[2]。

　　隨著速度的不斷提高,彈體在侵徹過程中姿態(tài)超出設計值、發(fā)生不可控偏轉(zhuǎn)的概率大幅增加,當彈體姿態(tài)偏轉(zhuǎn)一定程度時,極易發(fā)生橫拍解體、跳彈[3]甚至彈體轉(zhuǎn)回地面[4](美國將彈體轉(zhuǎn)回地面的現(xiàn)象形象地稱為“J-ing”)等問題,從而導致戰(zhàn)斗部失能失效。為避免此類問題發(fā)生,需要在侵徹過程中實時感知彈體姿態(tài)變化,當彈體姿態(tài)失控時,啟動應急起爆模式引爆戰(zhàn)斗部。

　　為滿足侵徹彈體實時姿態(tài)測量的需求,主要的技術(shù)手段是增加姿態(tài)測量模塊[5],由于彈上體積和質(zhì)量的限制,MEMS陀螺成為實現(xiàn)侵徹彈體姿態(tài)測量的首選。但在侵徹高過載條件下,MEMS陀螺的可靠性成為研究的難點[6-7]。國內(nèi)目前鮮有將MEMS陀螺運用在侵徹高過載環(huán)境中的研究,針對MEMS陀螺的抗高過載能力的研究也主要圍繞陀螺在過載前后的性能變化(過載作用過程中陀螺處于不帶電非工作狀態(tài)),而鮮有陀螺在過載作用過程中處于帶電工作狀態(tài)下的研究。

　　為此,本文以某國產(chǎn)MEMS陀螺為研究對象,分別從陀螺敏感結(jié)構(gòu)層面和器件層面對其在侵徹高過載條件下進行結(jié)構(gòu)仿真和帶電工作狀態(tài)下的沖擊實驗,研究MEMS陀螺在高過載條件下的結(jié)構(gòu)響應和輸出特性,為利用MEMS陀螺實現(xiàn)侵徹姿態(tài)測量提供參考。

　　1侵徹姿態(tài)測量概述

　　隨著侵徹速度的不斷提高,彈體在侵徹過程中的姿態(tài)偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象越來越明顯。圖1[8]為在多層靶侵徹實驗中的彈體姿態(tài)偏轉(zhuǎn)現(xiàn)象,從圖中可以看出,彈體在侵徹第5層靶時出現(xiàn)了較為明顯的姿態(tài)偏轉(zhuǎn),導致穿靶結(jié)束時彈體位置已接近靶板邊緣,而隨著侵徹速度的進一步增加,彈體將在更早位置(如第3層靶)出現(xiàn)明顯的姿態(tài)偏轉(zhuǎn)。

　　MEMS陀螺在上述侵徹彈體姿態(tài)測量場景中,主要面臨“高過載沖擊”的挑戰(zhàn),圖2[9]為在多層靶侵徹實驗中的過載信號,從圖中可以看出,MEMS陀螺在侵徹過程中將承受峰值在20000g左右、持續(xù)時間1~2ms的過載沖擊。同時,要實現(xiàn)侵徹過程的姿態(tài)測量,MEMS陀螺在過載作用過程中必須處于帶電工作狀態(tài),而現(xiàn)有關于MEMS陀螺抗高過載能力的研究主要圍繞MEMS陀螺在過載前后的性能變化,在過載作用過程中陀螺處于不帶電非工作狀態(tài)。為此,本文將圍繞MEMS陀螺處于帶電工作狀態(tài)下的抗高過載能力展開研究。

　　2MEMS陀螺敏感結(jié)構(gòu)仿真分析

　　針對侵徹姿態(tài)測量對MEMS陀螺提出的帶電工作狀態(tài)下抗高過載的要求,國內(nèi)現(xiàn)有MEMS陀螺市場中,并沒有能夠滿足該要求的產(chǎn)品。因此,本文在充分調(diào)研國內(nèi)現(xiàn)有MEMS陀螺產(chǎn)品的基礎上,選擇技術(shù)成熟、具有一定靜態(tài)(即不帶電非工作狀態(tài))抗高過載能力的MEMS陀螺,其測量范圍為±4000°/s,主要性能參數(shù)如表1[10]所示,表1中LSB為最低有效位。

　　從表1可以看出,該陀螺測量范圍大、精度高,響應延遲不超過1.0ms,其在不帶電非工作狀態(tài)下的靜態(tài)抗高過載能力為15000g,而侵徹姿態(tài)測量要求MEMS陀螺在帶電工作狀態(tài)下具有一定抗高過載能力。

　　當MEMS陀螺以帶電工作狀態(tài)承受高過載時,其與不帶電狀態(tài)的區(qū)別主要體現(xiàn)在陀螺的控制系統(tǒng)上,即帶電工作狀態(tài)下,陀螺內(nèi)部調(diào)制器可能會因過載而失去穩(wěn)定,同時無法依靠自身重新恢復穩(wěn)定。因此,為驗證該陀螺在帶電工作狀態(tài)下的抗過載能力,本文將從工程應用的角度,首先對陀螺敏感結(jié)構(gòu)進行抗高過載能力仿真分析,再對陀螺整機在帶電工作狀態(tài)下進行沖擊實驗研究。

　　2.1靜力學仿真分析

　　首先對MEMS陀螺敏感結(jié)構(gòu)進行靜力學仿真分析,明確其敏感結(jié)構(gòu)能承受的靜力載荷邊界,為下一步將要進行的沖擊動力學仿真提供輸入載荷參考。靜力學仿真分析采用ANSYS有限元分析軟件對MEMS陀螺敏感結(jié)構(gòu)在靜力恒加載荷下的應力、應變響應情況進行仿真研究[11-12]。分別對陀螺敏感結(jié)構(gòu)在X軸、Y軸和Z軸上施加10000g~20000g的靜力載荷,設置10000g、12500g、15000g、17500g和20000g5個載荷進行仿真求解。

　　圖3為MEMS陀螺最大等效應力與加速度的關系曲線。從圖3中可以看出,Z軸方向過載下的最大等效應力為3個方向中最小的,其在20000g過載下的最大等效應力為323MPa,Y軸方向20000g下的最大等效應力為462MPa,而X軸方向過載下的最大等效應力為3個方向中最大的,其在20000g過載下的最大等效應力達到630MPa,其最大等效應力位于陀螺剛性連桿的扭轉(zhuǎn)機構(gòu)(中心支點)區(qū),如圖4所示。相較于MEMS陀螺硅材料700MPa的失效強度(該失效強度值為陀螺設計廠家限定),可見陀螺可以承受Y軸和Z軸方向上20000g過載,而X軸20000g過載下的最大等效應力已接近失效強度,可以預見陀螺在X軸20000g過載下將接近結(jié)構(gòu)斷裂失效邊界。

　　圖5為MEMS陀螺最大等效應變與加速度的關系曲線。從圖中可以看出,3個軸向上的最大等效應變均隨著加速度的增加而增大,在Z軸方向上的最大等效應變約為0.00118,低于0.0035的安全應變邊界(該安全應變邊界值為陀螺設計廠家限定);在Y軸方向上的最大等效應變約為0.00327,仍低于0.0035的安全應變邊界;而在X軸方向上,當載荷為15000g時,其最大等效應變約為0.00335,接近安全應變邊界,當載荷增至17500g時,最大等效應變?yōu)?.00363,超過0.0035的安全應變邊界,因此可以預見的是,當X軸方向載荷超過15000g時,陀螺接近結(jié)構(gòu)斷裂失效邊界。

　　綜合上述靜力學仿真結(jié)果可以看出,在Y軸和Z軸方向上,陀螺可以承受20000g的靜力載荷而不會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失效,而在X軸方向上,當載荷超過15000g時,陀螺接近結(jié)構(gòu)失效邊界,可能出現(xiàn)結(jié)構(gòu)斷裂失效。

　　2.2沖擊仿真分析

　　沖擊仿真分析采用ANSYS動力學分析方法,研究MEMS陀螺敏感結(jié)構(gòu)在強瞬態(tài)沖擊載荷作用下的應力應變分布。在沖擊仿真中,以靜力學仿真分析中的載荷邊界為基礎,同時為模擬侵徹過程中的過載特性,選擇幅值分別為5000g、10000g、15000g和20000g,脈寬為2ms的半正弦沖擊載荷作為輸入,分析陀螺敏感結(jié)構(gòu)在沖擊載荷下的瞬態(tài)響應,明確其抗動態(tài)沖擊過載能力。

　　圖6(a)和(b)分別為MEMS陀螺在沖擊載荷下其敏感結(jié)構(gòu)的最大等效應力、最大等效應變隨沖擊載荷變化的時間響應曲線,從圖6中可以看出,在半正弦沖擊載荷作用下,MEMS陀螺敏感結(jié)構(gòu)的最大等效應力和最大等效應變隨沖擊過載值的增大而增大,其響應峰值時間和脈寬與沖擊載荷的峰值時間和脈寬基本吻合。

　　表2為在不同沖擊載荷下MEMS陀螺敏感結(jié)構(gòu)的等效應力、等效應變的峰值,從表2中可以看出,在15000g、2ms的沖擊載荷下,陀螺敏感結(jié)構(gòu)的最大等效應力為516.16MPa,低于700MPa的材料失效強度,最大等效應變?yōu)?.0039681,已超過0.0035的安全應變邊界;在20000g、2ms的沖擊載荷下,其最大等效應力為664.25MPa,已接近陀螺材料700MPa的失效強度,其最大等效應變也已超過安全應變邊界,因此,可以預見的是當沖擊載荷峰值在15000g時,陀螺敏感結(jié)構(gòu)接近失效邊界,將可能出現(xiàn)結(jié)構(gòu)斷裂失效。

　　圖7(a)和(b)分別為陀螺敏感結(jié)構(gòu)的等效應力、等效應變在峰值時刻的分布圖,從圖中可以看出,在沖擊載荷作用下,陀螺等效應力和等效應變的最大值均出現(xiàn)在其剛性連桿的扭轉(zhuǎn)機構(gòu)區(qū),這與靜力學仿真結(jié)果基本吻合。

　　3MEMS陀螺沖擊實驗研究

　　為研究MEMS陀螺在過載作用過程中處于帶電工作狀態(tài)下的抗高過載能力,分析陀螺性能是否會隨著過載增加而發(fā)生變化,本文選擇空氣炮進行MEMS陀螺帶電沖擊實驗。在空氣炮實驗中,設計MEMS陀螺工作電路,采用鋰電池為MEMS陀螺供電,并設計專用數(shù)據(jù)記錄儀,用于對MEMS陀螺在沖擊過程中的輸出信號進行實時采集記錄,制作的空氣炮實驗樣品如圖8所示。

　　共進行兩發(fā)空氣炮實驗,兩發(fā)實驗的實測過載值分別為8279g和8363g,相較于圖2中的實際侵徹過載,本次空氣炮實驗的過載持續(xù)時間和加載能量均小約一個數(shù)量級,主要原因是為了分階段驗證MEMS陀螺的抗過載能力,逐步摸清其在帶電工作狀態(tài)下能夠承受的過載極限值,以及研究陀螺的性能是否會隨著過載增加而發(fā)生變化。

　　在不考慮噪聲影響的前提下,將在實驗中采集的陀螺輸出換算為角速度信號,如圖9所示。從圖中可以看出,兩發(fā)空氣炮實驗中,兩只MEMS陀螺全程處于帶電工作狀態(tài),且有效輸出了角速度信號,雖然受實驗能力的限制,無法找到準確的角度或角速度參考基準,但MEMS陀螺的輸出結(jié)果基本符合實驗情況:實驗中MEMS陀螺安裝為敏感彈體滾轉(zhuǎn)方向的角速度,由于安裝誤差,在彈體發(fā)射瞬間有一個比較大的角速度,穩(wěn)定飛行后滾轉(zhuǎn)方向角速度在較小范圍內(nèi)波動。實驗結(jié)果說明,該MEMS陀螺至少具備帶電工作狀態(tài)下抗8363g的過載能力,初步具備應用在侵徹高過載環(huán)境中的條件,后續(xù)可進一步提高空氣炮實驗的過載值,以研究MEMS陀螺能夠承受的載荷邊界,分析其性能是否會隨著過載增加而發(fā)生變化。這也是本文后續(xù)將重點開展的研究內(nèi)容之一。

　　表3為空氣炮實驗前后兩只陀螺零偏和標度因數(shù)的變化情況,從表3中可以看出,兩只陀螺在空氣炮實驗前后其零偏變化率最大為-1.71%,標度因數(shù)變化率不超過-1%,說明其主要性能參數(shù)在實驗前后基本保持不變,陀螺未出現(xiàn)損壞失效的情況。

　　4結(jié)論

　　針對侵徹彈體姿態(tài)測量對MEMS陀螺提出的抗高過載要求,以國產(chǎn)MEMS陀螺為研究對象,分別從敏感結(jié)構(gòu)層面和器件層面進行結(jié)構(gòu)仿真分析和沖擊實驗研究。結(jié)果表明,該MEMS陀螺在8363g的空氣炮沖擊過載條件下可正常帶電工作,且其主要性能參數(shù)在過載環(huán)境下基本保持不變,初步具備應用在侵徹高過載環(huán)境下的條件。后續(xù)將進一步提高空氣炮實驗過載值,確定MEMS陀螺在帶電工作狀態(tài)下能夠承受的過載邊界,研究MEMS陀螺的性能隨過載增加的變化規(guī)律,為利用MEMS陀螺實現(xiàn)侵徹姿態(tài)測量提供參考。