光致形变聚合物的引信微驱动器设计

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(中北大学机电工程学院，山西 太原 030051)

光致形变聚合物的引信微驱动器设计

周雪丽，李世中

(中北大学机电工程学院，山西 太原 030051)

光致形变聚合物材料在光驱动型微执行器方面具有体积小、结构简单和易实现遥控等特点。介绍了光致形变聚合物的变形机理及其等效弯曲效应，并将其应用到引信安全与解除保险机构上。通过计算得出具有一定尺寸薄板的等效弯曲行为，并用ANSYS仿真其变形量。根据其变形量设计相应的安保机构，使光致形变薄板能提供足够的驱动力，保证引信安全解除保险，并通过仿真计算验证了在引信驱动器上应用的可行性。

光致形变聚合物;微驱动器;安保机构

0 引言

光致形变聚合物材料是一种新型智能材料，其可通过非接触光照能量完成自身形状及尺寸的改变。复旦大学的俞燕蕾和东京工业大学的Ikeda(池田富树)等首先报道了含有偶氮苯的液晶弹性体薄膜的三维弯曲运动，并通过进一步研究精确控制了膜的弯曲方向，光致伸缩的实验值已达20%，理论值可达400%[1-4]，因而在作为微驱动器的应用中具有重要的开发潜力。传统的机械式引信主要是利用后坐力、离心力等外界环境力来完成相应的动作。近年来，新型引信驱动器成为研究热点，发展较迅速，基于智能材料的驱动器趋于小型化和实用化。目前,引信驱动的驱动方式主要有机械力驱动、火药驱动、电磁驱动、电热驱动、形状记忆合金驱动、压电驱动、超声波驱动和静电驱动等。光驱动方式是依靠材料在光照时的变形量为引信安全解除保险提供驱动力。将光致形变聚合物材料应用到引信安全与解除保险机构上，具有良好的远程可控性且结构简单，体积小，驱动电压较低，不易受电磁、热等外界干扰影响，保证了引信作用的精确性与可靠性。

1 光致形变聚合物材料变形机理

光致形变聚合物材料是一种含有偶氮苯的液晶弹性体，将偶氮苯等光致变色分子引入到液晶体系中，通过光致变色分子的光化学反应引发液晶的相转变。液晶分子具有各向异性排列和协同运动的特点，在360nm的紫外光的照射下，会产生液晶相到各向同性相的转变，即光化学相转变，分子的排列也因此出现有序-无序的变化。经过光异构化反应产生的顺式偶氮苯是弯曲结构，使整个液晶体系发生取向紊乱。偶氮苯单元具有吸光性，但99%左右的入射光只能被小于1μm的表面区域吸收，由于光致形变薄板的厚度远大于入射光在材料内部的衰减距离。因此，偶氮苯的光异构化反应只在材料表面发生。这种由液晶分子的相变引发的液晶弹性体的宏观收缩，表现为材料尺寸和形状的改变。其变形机理如图1所示[5]。

图1 液晶相至各向同性相的转变

2 光致形变聚合物的变形能分析

光致形变聚合物材料在紫外光照下的弯曲效果可等效为无光照条件下，在光致弯曲薄板两端加载光致弯矩Tm和光致力Nm时材料的弯曲行为[6-10]，如图2所示。

(1)

(2)

(3)

h为材料厚度；k为比例常数；τct为特征时间；d为衰减距离；t为光照时间；I0为光照强度；η0为吸收常数,通常取k=0.11，τct=50，d=0.11μm，I0=150mW/cm2,η0=0.15。

在不考虑光照的时间，即趋于无穷大时，则

(4)

将式(4)分别带入式(1)和式(2)，即可求出光致弯矩Tm和光致力Nm。

图2 光致形变材料的等效受力

3 光驱动引信滑块隔爆机构设计

引信隔爆机构是引信安全与解除保险装置中最重要的机构，起到在平时及勤务处理时隔爆及发射时安全解除保险的作用。典型的引信隔爆机构有滑块隔爆机构和球转子隔爆机构。球转子隔爆机构是利用球转子在离心力作用下沿导向槽转动，达到球转子主轴与引信轴线对正，从而使引信解除保险。以下主要研究滑块隔爆机构的设计。

引信MEMS安全与解除保险装置的隔爆机构主要由滑块、滑块弹簧、锁销、锁销弹簧、隔爆板及驱动器组成。驱动器的作用是在弹丸发射后，通过自身产生的驱动力带动锁销退出保险卡槽，从而达到安全解除保险的目的。目前，引信滑块隔爆机构常用的驱动方式有电磁驱动和电热驱动。电磁驱动利用磁体间产生的电磁力来解除保险，电热驱动是利用微结构通电发热产生的热应力而工作的。主要研究将光驱动方式应用到引信MEMS安全与解除保险装置中[11-12]。其隔爆机构示意图如图3所示。

图3 引信滑块隔爆机构

为保证有效解除保险，将锁销末端加工成闭锁机构。光驱动器是由光致形变聚合物材料薄板及外围电路组成，考虑到光致弯曲薄板在弹丸发射过程中可能会发生移位，所以需将其固定到锁销的末端的端面上。但是，为了不约束薄板弯曲，只能将薄板的中间部位与锁销固定。光驱动器的作用过程为：弹丸发射后，传感器检测到解除保险信号，并传给光驱动器，光驱动器通电。光致弯曲薄板受到一定波长紫外光照射发生弯曲，当薄板的两侧因弯曲而碰触到保险卡槽时，变形受到约束，而发生锁销运动方向的位移，从而带动锁销退出保险卡槽，使锁销末端的锁头卡入闭锁机构，完成解除保险的动作。

为保证锁头能顺利进入闭锁，需考虑锁头卡入闭锁中所需的最大驱动力，该驱动力可表示为[11-12]：

(5)

锁头及闭锁的参数如图4所示。其中，r为锁头及闭锁的圆弧半径；K1为闭锁机构的刚度系数；θ为锁头和闭锁2圆心连线与水平线间的距离；l为完成闭锁动作需移动的最小位移；u为锁头与锁销之间的摩擦系数。

图4 闭锁机构参数

4 引信微驱动器有限元分析

按照引信MEMS安全与解除保险装置的尺寸要求，将光致弯曲薄板的边长设为5mm，厚度为60μm。将式(4)分别带入式(1)和式(2)，可得在紫外线光照波长为365nm，光照强度为150mW/cm2时的等效光致力Nm为1.1N,等效弯矩Tm为6.6×10-6N·m。通过ANSYS对光致弯曲薄板在无任何约束时建模仿真，其仿真结果如图5所示。根据分析结果，薄板在等效光致力和等效弯矩作用下的最大变形量为4.5mm。

根据光致弯曲薄板的最大变形量，取闭锁杆的长度为6mm，宽和高都是为0.2mm，锁头和闭锁半径为0.3mm，d取0.26mm，θ为45°。锁销、锁头及闭锁选用镍加工，其弹性模量为2.06×1011，泊松比为0.3，密度为8900kg/m3。在ANSYS中对闭锁机构建模仿真，在闭锁上施加5N的集中力载荷，得到其在Y轴方向的位移为0.013m，如图6所示。

图5 光致弯曲薄板在无约束时的最大变形

图6 闭锁的变形

由于闭锁的刚度系数K不随施加载荷的大小而改变，则

将r，d，θ及K的值带入式(5)计算得到最大驱动力N的大小为39 mN。同样在ANSYS中对光致形变薄板只加39 mN集中力载荷，可得薄板的最大变形量为3.9 mm。由于薄板在等效光致力和等效弯矩作用下的最大变形量为4.5mm。因此,L和薄板至保险卡槽的距离之和应设计为0.6mm左右,闭锁和锁头半径为0.3mm，由此可知，设计是合理的，即光驱动器能够提供足够的驱动力使滑块隔爆机构完成解除保险动作。

5 结束语

目前，光致形变聚合物材料作为新型智能材料，已在流体控制系统及微马达上得到一定应用，但是，其在引信微驱动器中的应用研究尚处于初级阶段，有很多问题需要解决。如引信恶劣工作环境下，光驱动器能否提供引信解除保险所需要的足够的驱动力 ；闭锁机构在弹丸发射后的高冲击下可能会提前发生变形，造成引信提前解除保险或无法解除保险；光致形变薄板的变形时间能否达到与解除保险时间的一致等。重点研究了光致形变聚合物材料作为MEMS微驱动器的技术途径，通过对引信隔爆机构及其光驱动微执行器的结构设计和建模仿真，验证了光致形变聚合物材料在引信微驱动器上应用的可行性，对MEMS引信的发展具有参考意义。

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Design of Fuze Micro Drives Based on the Light-induced Deforming Polymer

ZHOUXueli,LIShizhong

(Mechanical and Electrical Engineering College of Zhongbei University,Taiyuan 030051,China)

Light-induced deforming polymer materials in light type micro actuator has the advantage of small volume, simple structure,easy to realize remote control,etc.Introduces the deformation mechanism of the light-induced deforming polymer and its equivalent bending effect,and its application to the fuze,safety and arminy mechanism.Calculated equivalent bending behavior of a certain size sheet,and its deformation simulation with ANSYS.According to its deformation design corresponding security organization,make light deformation plate can provide enough driving force,to ensure the safety of fuze remove insurance,and through the simulation calculation to verify the feasibility of application in fuze drives.

light-induced deforming polymer;micro drives;safety and arminy mechanism

2014-03-31

TJ430.33

A

1001-2257(2014)08-0011-03

周雪丽(1989-)，女，山东菏泽人，硕士研究生，研究方向为光驱动型微执行器的设计；李世中(1969-)，男，河北栾城人，教授，研究方向为目标探测识别、系统仿真。