【正文】 EutE ??????? ????????????? ? )()()( ?? ??? () 式中， E 為流體微團(tuán)的總能 )/( kgJ ，包含動(dòng)能、勢(shì)能和內(nèi)能之和，22uPhE ????，h 為焓 )/( kgJ ，為組分的焓，定義為 dTCh TTref jpj ?? , ，其中 KTref ? ；為有效熱傳導(dǎo)系數(shù)，為湍流熱傳導(dǎo)系數(shù) )/(( KmW ? ， teff kkk ?? ， tk 根據(jù)所用的湍流模型確定； jJ 為組分 j 的擴(kuò)散通量； hS 為包括了化學(xué)反應(yīng)熱及其他用戶定義的體積熱源項(xiàng)。其定律表述為：在流場(chǎng)中任意取一個(gè)封閉的區(qū)域，此區(qū)域稱作為控制體，其表面稱作為控制面，單位時(shí)間內(nèi)從控制面流進(jìn)和流出控制體的流體質(zhì)量之差，等于在單位時(shí)間內(nèi)該控制體質(zhì)量增量，其積分形式為： 0???? ?????Av o ldAdx dy dzt ?? () 式中， vol 表示控制體； A 表示控制面。在實(shí)際計(jì)算時(shí)，還要考慮不同的流態(tài)，如湍流呀遵守附加的湍流運(yùn)輸方程。 本文主要應(yīng)用 GAMBIT， FLUENT 兩個(gè)模塊。 Fluent 具有強(qiáng)大的后置處理功能，能夠完成 CFD 計(jì)算所要求的功能，其中包括速度等值線圖、矢量 圖、等值線面、流動(dòng)軌跡圖，并具有積分功能，可以求得力、力矩及其對(duì)應(yīng)的力和力矩系數(shù)、流量等。 一 套基本的 Fluent 軟件包含了兩個(gè)部分，即 Gambit 和 Fluent。其中局部網(wǎng)格重劃法在三個(gè)模型中用途最為廣泛，可用于處理變形較大的 問題、運(yùn)動(dòng)規(guī)律完全由流動(dòng)所產(chǎn)生力而事先運(yùn)動(dòng)規(guī)律不確定的問題、非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格問題等，是 Fluent 流體力學(xué)軟件所獨(dú)有的。 Fluent 具有以下功能及特點(diǎn)[24][25]： 1. 完全非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格 Fluent 軟件采用有限體積法的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格 方式，使其具有基于網(wǎng)格單元及網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的梯度型算法。因而數(shù)值模擬方法無疑是研究二維彈道修正彈空氣特性的不二之選。目前隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展以及現(xiàn)代流體力學(xué)的深入研究，計(jì)算流體力學(xué)得到長(zhǎng)足的發(fā)展。 第 3 章 修正彈繞流流場(chǎng)數(shù)值模擬分析 數(shù)值模擬方法 目前獲得彈丸空氣動(dòng)力的方法有三種：風(fēng)洞吹風(fēng)法、計(jì)算法、射擊試驗(yàn)法 [21]。在 15000Pa 的壓力下最大變形位移是 750μm。顯然，氣泡的厚度對(duì)其膨脹總是不利的。這一結(jié)果可能是由于長(zhǎng)方形微驅(qū)動(dòng)器的長(zhǎng)寬比大于 2。 仿真結(jié)果如圖 所示 140 160 180 200 220 240 260100200300400500600700800900厚度 t寬 度 2 0 0 0變形位移h140 160 180 200 220 240 260100200300400500600700800900厚度 t寬 度 2 2 0 0變形位移h140 160 180 200 220 240 260100200300400500600700800900厚度 t寬 度 2 4 0 0變形位移h 壓力 5000壓力 10000壓力 15000 （ a）壓力、寬度和厚度 140 160 180 200 220 240 260100200300400500600700800900厚度 t長(zhǎng) 度 6 0 0 0變形位移h140 160 180 200 220 240 260100200300400500600700800900厚度 t長(zhǎng)度 7000變形位移h140 160 180 200 220 240 260100200300400500600700800900厚度 t長(zhǎng) 度 8 0 0 0變形位移h 壓力 5000壓力 10000壓力 15000 （ b）壓力、長(zhǎng)度和厚度 圖 三向影響位移變形分析 計(jì)算結(jié)果表明如下： 。 圖 微氣泡制動(dòng)器靜力分析建模 微氣泡薄膜的位移變形結(jié)果如下所示，圖 是加載 2psi 平面壓力載荷，微氣泡薄膜的最大位移變形約為 ，圖 為加載 7psi 平面壓力載荷，微氣泡薄膜的最大位移變形約為 ，仿真結(jié)果與理論計(jì)算相符。然后帶入公式 （ ） 計(jì)算不同壓力條件下的微氣泡薄膜變形位移，數(shù)據(jù)結(jié)果如表 。 圖 微氣泡制動(dòng)器靜力測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置示意圖 理論計(jì)算 查得文獻(xiàn) [19]， 矩形薄膜的載荷 變形關(guān)系的理論公式： 43221 aE thCa thCP ?? ? （ 21） 64/)1( 241 nC ?? ? （ 22） ) ) ) }1(9128(128)1(81/(2/))1(344(256/)929) } { (1(32/{222223242262nvnnnnvnnnnnC??????????????????? （ 23） 式中： P 施加壓力 E 薄膜材料的彈性模量 ? 薄膜材料的殘余應(yīng)力 ? 薄膜材料的泊松比 t 薄膜的厚度 h 薄膜的變形位移 a 薄膜的寬度的一半 b 薄膜的長(zhǎng)度的一半 n ba/ 本文所設(shè)計(jì)微氣泡致動(dòng)器的可動(dòng)薄膜尺寸為 ，厚為 。組合安 裝的特性和微氣泡驅(qū)動(dòng)器的包裝簡(jiǎn)化了集成過程。 圖 彈體頭錐集成圖 圖 汽缸及控制閥結(jié)構(gòu) 此配置結(jié)構(gòu)中，沿包裝的微氣泡驅(qū)動(dòng)器安裝在頭錐內(nèi)，在包裝上用膠水粘合。但是，在它們間總會(huì)存在一定的誤差（ 5um） ,這也不會(huì)影響明顯的性能。 微氣泡制動(dòng)器的下層基板加工工藝相對(duì)于上 層比較簡(jiǎn)單，在硅片上利用體加工工藝刻蝕出一個(gè)直槽，尺寸為寬 1mm，深 ，此直槽用于氣體的流通。它是采用真空熱解氣相堆積工藝制備，可制成極薄的薄膜，主要用作薄膜和涂層，用于電子元器件的電絕緣介質(zhì)、保護(hù)性涂料和包封材料等 [17]。 利用聚對(duì)二甲苯和硅酮橡膠的復(fù)合物，由于硅酮橡膠對(duì)聚對(duì)二甲苯有較弱的粘附性，可以利用一層聚對(duì)二甲苯作為釋放層，形成一層大面積的懸浮硅酮橡膠薄膜，避免了侵蝕犧牲層帶來的不利影響。通氣孔為 。 在一定范 圍內(nèi)，微致動(dòng)器的寬度越大，相同氣壓下氣泡的變形位移相對(duì)越大；或者說 ,產(chǎn)生相同變形位移時(shí)，薄膜越寬其塑性變形越小。當(dāng)微致動(dòng)器處于非工作狀態(tài)時(shí)（未充氣體時(shí)）具有與彈體表面平整的外形；當(dāng)處于工作狀態(tài)時(shí)，在壓力氣體作用下，由硅酮橡膠構(gòu)成的微氣泡外殼發(fā)生膨脹，向外凸出一定位移（ 1~2mm），從而實(shí)現(xiàn)對(duì)氣流的擾動(dòng)，圖 1 是其工作示意圖。根據(jù)外彈道理論，對(duì)制動(dòng)彈在飛行過程中的受力進(jìn)行了分析，建立了制動(dòng)彈的剛體彈道模型，結(jié)合四階龍格庫塔方法，對(duì)制動(dòng)彈外彈道仿真，得出不同狀態(tài)下的修正能力，并進(jìn)行了對(duì)比分析。采用有限元分析方法對(duì)氣泡靜力變形進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，分析了輸入壓力和氣泡結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)氣泡靜力變形的影響。 傳統(tǒng)的飛行器一般使用副翼、升降舵、垂直尾翼等控制方式，本文采用的微氣泡制動(dòng)器控制，屬于 MEMS 范疇，采用微氣泡制動(dòng)器控制彈體表面氣流的流動(dòng)狀態(tài)，從而控制彈丸的飛行軌跡，這種控制 實(shí)現(xiàn)了飛行器控制技術(shù)的新變革，加速了微致動(dòng)器在流動(dòng)控制領(lǐng)域的應(yīng)用，可以顯著提高飛行器的機(jī)動(dòng)和操控性能，并將加速我國(guó)微型飛行器集成化、微小化的進(jìn)程。 在這一方面，尤其以美國(guó)加州大學(xué)洛杉磯分校的進(jìn)展最為顯著 [13]，這種微氣泡制動(dòng)采用 硅酮橡膠材料，利用其較好的機(jī)械性能如低模量，高延展率以及良好的密封性，因此能夠滿足微致動(dòng)器工作的需求。隨后，一些西方國(guó)家也開始了微致動(dòng)器陣列和微傳感器陣列結(jié)合用于流體動(dòng)力學(xué)控制的研究，最后形成了MEMS 技術(shù)的最新研究領(lǐng)域，基于 MEMS 技術(shù)的流動(dòng)主 動(dòng)控制技術(shù)，這方面的研究主要集中在航空航天領(lǐng)域。熱氣動(dòng)微執(zhí)行方式是利用流體加熱時(shí)發(fā)生體積膨脹來實(shí)現(xiàn)執(zhí)行動(dòng)作 [10]。其工作原理如圖 所示。 表 微型機(jī)械不同制動(dòng)方式特點(diǎn) 制動(dòng)類型 壓力 行程（位移） 相應(yīng)時(shí)間 可靠性耐久性 壓電 大 小 快 好 靜電 小 很小 很快 很好 電磁 小 大 快 好 熱氣動(dòng) 大 一般 一般 好 雙金屬 大 一般 一般 足夠 壓力：很大（ pcmk gf ?2/100 ），大（ 22 /1 0 0/1 cmk g fpcmk g f ?? ）， 一般（ 22 /1/ cmk g fpcmk g f ?? ），?。?2/ cmkgfp ? ） 行程：大（ dm??100 ），一般（ mdm ?? 10030 ?? ），小（ mdm ?? 3010 ?? ），很小（ md ?10? ） 響應(yīng)時(shí)間：很快（ mst ? ），快（ mstms ?? ），一般（ stms 11 ?? ），慢（ ts?1 ） 各種致動(dòng)方式的對(duì)應(yīng)的典型致動(dòng)器如表 所示 [7]。微致動(dòng)器是 MEMS 的重要組成部分，在微機(jī)械研究領(lǐng)域起到了不可替代的作用，微致動(dòng)器的動(dòng)作可以利用能量轉(zhuǎn)換，將其他形式的能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，使其達(dá)到驅(qū)動(dòng)的目的。 微電子 器件 、 微執(zhí)行器和微傳感器的集成可制造出穩(wěn)定性、可靠性很高的 MEMS。 2）以硅為主要材料，硅的熱傳導(dǎo)率接近鉬和鎢 ， 密度類似鋁，強(qiáng)度 、硬度和楊氏模量與鐵相當(dāng) ，具有良好的 機(jī)械電器性能 。微機(jī)電系統(tǒng)的出現(xiàn)和發(fā)展是科學(xué) 創(chuàng)新思維 的結(jié)果，使微觀尺度制造技術(shù)的演進(jìn)與革命。它的學(xué)科面也擴(kuò)大到微尺度下的力、電、光、磁、聲、表面等物理學(xué)的各分支 [1]。 第 1 章 緒論 微型機(jī)電系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r 微機(jī)電系統(tǒng)（ MEMS, MicroElectroMechanic System）是一種先進(jìn)的制造技術(shù)平臺(tái)。但 MEMS 更側(cè)重 于超精密機(jī)械加工 ，并要涉及微電子、材料、力學(xué)、化學(xué)、機(jī)械學(xué)諸多學(xué)科領(lǐng)域。、性能穩(wěn)定等。 MEMS 的特點(diǎn)是： 1）微型化： MEMS 器件重量輕、體積小、慣性小、耗能低、響應(yīng)時(shí)間短、諧振頻率高。 4）集成化：可以把致動(dòng)方向 、 不同功能 或 不同敏感方向的多個(gè)執(zhí)行器或傳感器集成于一體，或形成微執(zhí)行器陣列、微傳感器陣列，甚至把多種功能的器件集成在一起，形成復(fù)雜的微系統(tǒng)。 基于 MEMS 的微制動(dòng)器 微致動(dòng)器 (Microactuator)又稱微執(zhí)行器或微驅(qū)動(dòng)器，是能夠產(chǎn)生和執(zhí)行動(dòng)作的一類微機(jī)械部件或器件的總稱。除此之外，光制動(dòng)、超 導(dǎo)制動(dòng)、凝膠等高分子制動(dòng)、超聲波制動(dòng)、行波制動(dòng)、電液制動(dòng)等技術(shù)也在微致動(dòng)器領(lǐng)域得到應(yīng)用，下表 列出了應(yīng)用較廣的幾種微致動(dòng)器制動(dòng)類型和特點(diǎn) [6]。靜電執(zhí)行方式還可產(chǎn)生基板平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)。雙金屬微執(zhí)行方式利用夾心層材料元件的熱膨脹系數(shù)之間的失配而產(chǎn)生力或位移，形狀記憶合金是一種具有形狀恢復(fù)特性的金屬，這種金屬當(dāng)在某一溫度下塑性形變，當(dāng)他們升到較高溫度時(shí)，將完全恢復(fù)原先的形狀，在恢復(fù)形狀時(shí)，這種金屬所產(chǎn)生的位移或力或兩者的結(jié)合將是溫度的函數(shù)。 微制動(dòng)器在流動(dòng)控制中的應(yīng)用 20 世紀(jì) 90 年代初，美國(guó)的研究人員已經(jīng)提出了這樣的設(shè)想，將 MEMS 微致動(dòng)器陣列應(yīng)用于流動(dòng)控制中，這種設(shè)想得到了美國(guó)軍方的支持，繼而一些研究人員開始了微氣泡微致動(dòng)器在流動(dòng)控制中的研究 [11]。 圖 磁性制動(dòng)器制動(dòng)原理示意圖 相對(duì)而言，近年來研究的一種健全的、大偏轉(zhuǎn)、抗沖擊的微氣泡驅(qū)動(dòng)器，如圖 所示，微氣泡制動(dòng)器彌補(bǔ)了磁性驅(qū)動(dòng)器的弱點(diǎn)，提高承載能力，因此微氣泡制動(dòng)去有望實(shí)現(xiàn)對(duì)火炮、微型飛行 器、飛機(jī)等空氣動(dòng)力控制。 圖 微氣泡制動(dòng)器 論文研究?jī)?nèi)容及意義 本論文擬將微致動(dòng)器組成陣列安裝于彈體前緣，利用其微小形變來擾動(dòng)邊界層分離，從而實(shí)現(xiàn)彈丸兩側(cè)壓力的不對(duì)稱，產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)，偏航和俯仰等空中機(jī)動(dòng)動(dòng)作。 （ 2）微氣泡制動(dòng)器數(shù)值模擬與分析。 （ 4）彈道方程的建立與修正能力分析。 第 2 章 微制動(dòng)器陣列 設(shè)計(jì)及仿真 工作原理 微氣泡致動(dòng)器組成陣列安置在彈體的頭錐前緣，通過控制微氣泡的收縮與膨脹可以控制氣流在彈體表面的流動(dòng)狀態(tài)。 表 MRTV1 的性能參數(shù) 混合粘度 (cPs) 60， 000 硬度 ShoreA24 抗張強(qiáng)度 (PSI) 500 抗撕強(qiáng)度 (DieB， Ib/in) 125 伸長(zhǎng)率 (%) 1， 000 楊氏模量 (MPa) 導(dǎo)熱率 (W 幾 m，℃ ) 介電強(qiáng)度 (V/mil) 550 體積電阻率 (。 為保證致動(dòng)器對(duì)被控氣流產(chǎn)生有效的擾動(dòng)作用，微致動(dòng)器的寬度定為2~3mm，變形垂直位移在 12mm 左右。且對(duì)微氣泡薄膜周邊拐角處采用平滑的圓