【正文】 ，升力系數(shù)變化 通過(guò)改變氣泡寬度觀察彈丸的升力特性，設(shè)定微氣泡長(zhǎng)度分別為 、2mm、 。 攻角為0 度，不同氣泡長(zhǎng)度，升力系數(shù)隨馬赫數(shù)的變化00 1 2 3 4長(zhǎng)2 0長(zhǎng)3 0長(zhǎng)4 0攻角為5 度，不同氣泡長(zhǎng)度，升力系數(shù)隨馬赫數(shù)的變化00 1 2 3 4長(zhǎng)2 0長(zhǎng)3 0長(zhǎng)4 0 圖 攻角為 0176。從而 觀察升力系數(shù)與氣泡長(zhǎng)度之間的關(guān)系。 氣泡長(zhǎng)度3 0 m m ，寬度2 m m ，高度1 m m ，個(gè)數(shù)3 ，不同馬赫數(shù)時(shí)，阻力系數(shù)隨攻角的變化00 5 10 1523 圖 氣泡結(jié)構(gòu)固定 ，不同馬赫數(shù) ,阻力系數(shù)隨攻角變化 圖 阻力系數(shù)隨馬赫數(shù)的變化 圖 為 氣泡長(zhǎng)度 30mm，寬度 2mm，高度 時(shí)， 不同攻角，阻力系數(shù)隨馬赫數(shù)變 化曲線圖。不同氣泡數(shù)量 ， 阻力系數(shù)隨馬赫數(shù)變化 圖 阻力系數(shù)隨馬赫數(shù)變化圖 攻角為8 度，不同氣泡數(shù)量，阻力系數(shù)隨馬赫數(shù)的變化00 1 2 3 4358攻角為1 2 度，不同氣泡數(shù)量，阻力系數(shù)隨馬赫數(shù)的變化00 1 2 3 4358 圖 攻角為 8176。、 12176。不同 氣泡高度 ， 阻力系數(shù)隨馬赫數(shù)變化 圖 阻力系數(shù)隨馬赫數(shù)變化圖 不同氣泡數(shù)量時(shí)，阻力系數(shù)變化 通過(guò)改變 氣泡凸起數(shù)量 觀察 彈丸 的氣動(dòng)特性， 氣泡凸起數(shù)量分別為 、1mm、 。 不同 高度 時(shí)，阻力系數(shù)隨 馬赫數(shù) 的變化曲線。下面主要依據(jù) Fluent 算得的數(shù)據(jù)來(lái)得出不同 氣泡高度 對(duì)氣動(dòng)特性的影響，從而觀察阻力系數(shù)與不 同 氣泡寬度 之間的關(guān)系。 由以下曲線對(duì)比看出攻角一定得情況下，不同 氣泡寬度 的阻力系數(shù)隨馬赫數(shù)的變化趨勢(shì)相似。 阻力系數(shù)隨攻角的變化 圖 到圖 分別為 氣泡長(zhǎng)度為 30mm， 高度 1mm， Ma=、 、 3， 不同 寬度 時(shí)，阻力系數(shù)隨攻角的變化曲線。不同氣泡長(zhǎng)度 ， 阻力系數(shù)隨馬赫數(shù)變化 圖 阻力系數(shù)隨馬赫數(shù)變化圖 攻角為8 度，不同氣泡長(zhǎng)度，阻力系數(shù)隨馬赫數(shù)的變化00 1 2 3 4203040攻角為1 2 度，不同氣泡長(zhǎng)度，阻力系數(shù)隨馬赫數(shù)的變化00 1 2 3 4203040 圖 攻角為 8176。都是隨著攻角的增大阻力系數(shù)增大，而且都是 40mm 氣泡長(zhǎng)度時(shí) 阻力系數(shù)最大， 30mm處于中間， 20mm 阻力系數(shù)最小。 圖 圖 制動(dòng)彈亞音速壓力云圖 圖 圖 本章小結(jié) 本章在流體力學(xué)的基礎(chǔ)上，對(duì)彈丸外彈道飛行過(guò)程中的空氣動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了數(shù)學(xué)模型的分析，確立了彈丸的外流場(chǎng)的邊界條件，應(yīng)用計(jì)算流體軟件 Fluent 分析了不同微氣泡制動(dòng)器結(jié)構(gòu)下彈丸的流場(chǎng)壓力和流場(chǎng)速度，并對(duì)超音速、跨音速、亞音速條件下流場(chǎng)進(jìn)行了對(duì)比，從而得出在原有彈丸上安裝微氣泡制動(dòng)器對(duì)原有彈丸的影響。但是與超音速圖 和 條件下的流場(chǎng)比較，由于頭部引信的原因，隨著氣流流速的降低，激波更加密集，激波傾角增大，尤其是頭部，激波接近圓形并且更遠(yuǎn)。彈底渦流開(kāi)始時(shí)沿底部壁面分布，然后逐漸向后方軸線靠近，最后在彈底分離，形成低壓區(qū)。、 12176。 (3) 選擇耦合求解方式，由于本文是結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，數(shù)值計(jì)算中差分格式選取三階迎風(fēng)格式及 QUIK 迎風(fēng)格式仿真計(jì)算。 彈道修正彈氣動(dòng)模型建立 修正彈的三維實(shí)體模型 本設(shè)計(jì)以某型炮彈為背景，建立了 頭錐內(nèi)集成微氣泡陣列的彈丸 模型，外形如圖 ，同時(shí)計(jì)算仿真了不同炮彈彈形的繞流流場(chǎng)，并進(jìn)行了對(duì)比分析，以期獲得 制動(dòng)彈 彈形的變化對(duì)彈丸氣動(dòng)特性的影響。 1993 年對(duì) ??k 模型進(jìn)行了改進(jìn)，提出了 “Renormalization Group Method” 的方法，即 RNG 模型。其定律表述為：任何控制微元中流動(dòng)動(dòng)量對(duì)時(shí)間的變化率等于外界作用在微元上各力之和， 用數(shù)學(xué)式表示為： dtdvmF ?? ? () 由流體的黏性本構(gòu)方程得到直角坐標(biāo)系下的動(dòng)量守恒方程， NS方程： )](3[)()()( zwyvxuuxzuuzyuuyxuuxxpFdtdu x ?????????????????????????????? ?? )](3[)()()( zwyvxuuxzuuzyuuyxuuxypFdtdv y ?????????????????????????????? ?? () )](3[)()()( zwyvxuuxzuuzyuuyxuuxxpFdtdw z ?????????????????????????????? ?? （連續(xù)性方程） 任何流體問(wèn)題都要滿足質(zhì)量守恒方程，即連續(xù)性方程。它們之間的關(guān)系如圖 所示。 4. 多種數(shù)值算法 Fluent 軟件采用有限體積法，提供了三種數(shù)值算法：耦合隱式算法、非耦合隱式算法、耦合顯示算法，可適應(yīng)于不可壓、亞音速、跨音速、超音速乃至高超音速流動(dòng)。因此，動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配，高效數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，靈活的求解控制都是可能的。二者需要耗費(fèi)大量的財(cái)力物力。這是一個(gè)顯然的結(jié)果。膜片的寬度比長(zhǎng)度對(duì)變形位移的影響較大，但是沒(méi)有厚度對(duì)其的影響大。采用微氣泡薄膜四周固定，加載平面壓力載荷。由于實(shí)驗(yàn)費(fèi)用比較昂貴，本文采用理論計(jì)算和數(shù)值仿真兩種手段對(duì)微氣泡制動(dòng)器位移變形進(jìn)行驗(yàn)證。沿氣動(dòng)系統(tǒng)的微氣泡驅(qū)動(dòng)器的頭錐內(nèi)的配置下圖。高壓氣體通入是硅酮橡膠脫離聚對(duì)二甲苯層，形成一層硅膠薄膜，在涂敷硅酮橡膠時(shí)采用硅樹(shù)脂溶液稀釋?zhuān)驗(yàn)楣柰鹉z的粘度很高，這樣可以得到較好的涂敷效果。 微氣泡制動(dòng)器制作過(guò)程中最關(guān)鍵的問(wèn)題是，在不損壞材料本身的前提下去除大面積的規(guī)模，最典型的犧牲層材料（氧化物、硅、光致抗蝕劑、金屬）是互不相容的，如揮發(fā)性腐蝕劑在長(zhǎng)期的曝光條件下對(duì)硅酮橡膠極為不利。 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。 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(guò)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)。 （ 2）微氣泡制動(dòng)器數(shù)值模擬與分析。 圖 磁性制動(dòng)器制動(dòng)原理示意圖 相對(duì)而言，近年來(lái)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。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)。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(lèi)型和特點(diǎn) [6]。 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)。、性能穩(wěn)定等。 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)。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。 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。 表 微型機(jī)械不同制動(dòng)方式特點(diǎn) 制動(dòng)類(lèi)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 ?? ），?。?mdm ?? 3010 ?? ），很?。?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]。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(lái)實(shí)現(xiàn)執(zhí)行動(dòng)作 [10]。 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。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。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。 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(shuō) ,產(chǎn)生相同變形位移時(shí)，薄膜越寬其塑性變形越小。 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(lái)的不利影響。 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。 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。 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 。 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。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。在 15000Pa 的壓力下最大變形位移是 750μm。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。 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。 一 套基本的 Fluent 軟件包含了兩個(gè)部分，即 Gambit 和 Fluent。 本文主要應(yīng)用 GAMBIT， FLUENT 兩個(gè)模塊。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(chēng)作為控制體，其表面稱(chēng)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。 RNG 在形式上與標(biāo)準(zhǔn) kε 模型相似，但在如下幾方面作了改進(jìn) :首先