微加速度计在冲击载荷作用下的失效分析
马喜宏 王威 秦立君 何程
摘 要： 弹载微加速度计在使用过程中会因旋转弹丸的高速旋转而受到高速旋转环境应力的影响。针对微加速度计在弹载高速旋转环境下的失效分析缺乏理论依据等情况，提出一种通过研究离心力对微加速度计结构影响的方法。利用ANSYS有限元分析软件仿真模拟微加速度计封装结构在高速旋转环境下的受力情况，并进行分析。通过ANSYS有限元分析设计出的微加速度计得到，该微加速度计在弹载高速旋转环境下的失效模式只会发生疲劳失效与磨损失效，并不会引起过度的粘附失效与断裂失效，并且具体的失效影响受到离心应力与结构角度的影响。
关键词： 高[g]值微加速度计； 高速旋转弹； 有限元分析； 结构应力； 失效机理； 可靠性
中图分类号： TN98?34； TP212 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2018）15?0114?05
Failure analysis of high?speed rotating missile?borne micro?accelerometer
MA Xihong1， WANG Wei2， QIN Lijun2， HE Cheng2
（1. MOE Key Laboratory of Instrumentation Science and Dynamic Measurement， North University of China， Taiyuan 030051， China；
2. School of Instrument and Electronics， North University of China， Taiyuan 030051， China）
Abstract： The missile?borne micro?accelerometer is affected by high?speed rotating environment stress due to the high?speed rotation of rotating projectile in usage process， and the failure analysis of micro?accelerometer under missile?borne high?speed rotating environment lacks of theoretical basis. Therefore， a method is proposed to study the influence of centrifugal force on the structure of micro?accelerometer. The ANSYS finite element analysis software is used to simulate the stress condition of micro?accelerometer package structure in high?speed rotating environment. The fatigue failure and wear failure of the micro?accelerometer designed by ANSYS finite element analysis occur in the missile?borne high?speed rotating environment， and the excessive adhesion failure and fracture failure are excluded. The specific failure is affected by both centrifugal stress and structural angle.
Keywords： high?g micro?accelerometer； high?speed rotating projectile； finite element analysis； structural stress； failure mechanism； reliability
高速旋转弹在现代战争中被大量应用于精确打击，在设计和试验精确制导过程中弹载传感器的可靠性十分重要。其中弹载加速度计在使用过程中由于受到恶劣使用环境和复杂使用过程的影响，研究它的可靠性就十分必要。
1 弹载高速旋转环境
在现代战争中，精确打击是大势所趋。高速旋转是常规弹药通常使用的稳定方式之一。例如高速旋转榴弹，为了保持稳定飞行，除了使尾翼保持稳定外，还可以利用弹丸对称轴高速旋转的陀螺特性来稳定[1?2]。高速旋转弹具有两种陀螺特性：一是定轴性；另一个是进动性。高速旋转的陀螺受到外力的作用后，并不会沿力的作用方向倒去，而是沿力矩矢量的方向运动。高速旋转弹丸就像高速旋转的陀螺，在飞行中受翻转力的作用不会翻转，而是产生进动运动。通过旋转稳定弹丸的实际运动有：绕心运动和质心运动[3?4]。其中，质心运动形成弹道；而绕心运动包括自转——绕弹轴高速旋转，进动——重心做圆周形的偏航运动，以及率动——率动角的变化。然而，由于各种外界扰動因素的存在，弹丸中轴不可能时刻保持与速度矢量重合，具有复杂的角运动。
根据外弹道理论建立地面直角坐标系质点外弹道模型，表示如下[5]：
式中：[x，y]分别为弹丸离开炮口后[t]时刻的坐标[（x，y）]的水平分量和竖直分量；[c]为弹道系数；[u，ω]分别为水平方向分速度和竖直方向分速度；[g]为重力加速度；[τ]为虚温；[v]为弹丸的初速度；[vτ]为虚温下的弹丸速度；[Hτ]为气重函数。
以某105 mm榴弹为例进行说明，其数据如表1及图1～图3所示。
以某105 mm榴弹弹丸为例，以及9ts破甲弹的初始炮口转速[ω0]≈2 496 r/min，可以大致了解到高速旋转弹丸的初始炮口转速一般在2 000～2 500 r/min，且随着阻力的作用逐渐衰减。由此得到在高速旋转弹丸上的高速旋转环境[6]。
2 弹载微加速度计结构
2.1 微加速度计工作原理
本文设计的弹载微加速度计采用四端全固支的梁?岛式结构作为高[g]值加速度计敏感元件的结构，质量块的长、宽与梁的宽度一致，压阻对称放置于四梁根部，很好地抑制了非对称性结构引起的沿梁长度方向横向加速度的影响，具有良好的抗冲击载荷能力。典型的压阻式硅微加速度计的结构图如图4所示[7?8]。
在这种结构的加速度计中，质量块由4根对称分布的悬臂梁支撑，在每根悬臂的两端都放置有压阻型应变元件，连接组成电桥。在量值[a]的加速度作用下，惯性力使得检验质量块上下运动，使悬臂梁产生与加速度[a]成正比的形变，电阻阻值产生相应的变化，通过电桥输出电压的变化，实现对加速度的测量[9]。微加速度计内部连线图及电桥连线如图5所示。
2.2 弹载微加速度计
通过多次实验分析和具体仿真[10?11]，设计封装的弹载四梁微加速度计如图6所示。在实物中，微加速度计中心的质量块距离封装底面仅有5 μm，微加速度计上部空白部分全部填加封装胶，这对加速度计的固定能够产生一定的作用[12?16]。微加速度计具体性能指标为：量程为2×105[g]；固有频率为200 kHz；灵敏度为0.5。
其模型参数及结构如表2，表3及图7所示。
3 仿真分析高速旋转对结构的影响
在高速旋转环境中产生的巨大离心力与旋转方向以及微加速度计与离心力的角度有很大关系，下面分别对微加速度计封装结构（见图8）模拟仿真不同角度的几种情况进行综合分析。
3.1 旋转平面与敏感方向垂直时的受力分析
通过图9可以看出，微加速度计在水平放置时的高速旋转下，会受到与加速度计梁平行的离心力作用。主要会使靠近旋转轴心的梁拉伸变形和远离旋转轴心的梁挤压受力。但是在这种情况下质量块与底面直接不会产生接触，所以肯定不会有粘附的可能。
3.2 旋转平面与敏感方向平行时的受力分析
由图10可知，改变微加速度计放置的角度到旋转平面与敏感方向平行时，可以看出这时微加速度计最大位移产生在质量块中心处。在这种情况下，如果受到的离心力作用足够大，质量块必然会与衬底发生接触、摩擦进而产生粘附，微加速度计肯定会产生粘附失效。
3.3 旋转平面与敏感方向成45°角时的受力分析
由图11可以看出，微加速度计在旋转平面与敏感方向成45°角时，同旋转平面与敏感方向垂直时一样，最大应力产生在靠近旋转轴心的梁上。并且同旋转平面与敏感方向平行时的位移情况相同，最大变化位移也是在质量块上，且质量块能够接触到衬底发生接触、摩擦甚至粘附失效。并且在这种情况下，由于质量块在接触衬底时是存在一定角度的，所以由仿真应力图也能看到，质量块与衬底接触不均匀，导致在这种情况下产生的磨损失效最为严重。
3.4 模型仿真
由之前的旋转弹丸的轨迹模型可以了解到在高速旋转弹载环境下的旋转速度大致在2 000～2 500 r/min，而旋转半径最大不超过弹体本身半径，即[r≤]0.05 m。于是得到由模型在弹载环境下的仿真结果，如图12～图14所示。
由图13可看出，在角加速度2 000 r/min的高速旋转下结构位移较大处分布在质量块中心地带，最大位移为0.008 3 μm。基于硅和玻璃间的间隙（即阻尼空隙）为5 μm，可见传感器可以在封装设计预留的间隙内正常工作。此时，质量块与衬底基本不会接触，也就是说没有发生粘附失效的可能；且结构受到的最大应力为1.49 MPa，远小于硅的许用应力340 MPa，所以基本不会发生断裂失效。
4 結 论
本文结合高速旋转弹丸的发射弹道轨迹参数和弹载加速度计真实使用环境下的条件，利用ANSYS有限元仿真软件模拟所设计的微加速度计在高速旋转弹丸上的使用情况。由最终的仿真结果分析得出：所设计出的微加速度计结构在高速旋转弹丸上可能由高速旋转所导致的失效形式主要是疲劳失效和磨损失效，基本不会发生预想到的粘附失效和断裂失效。综上所述，在正式使用高速旋转弹载加速度计前，通过多次多种情况的可靠性实验可以有效避免在使用过程中发生失效的情况。
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