【正文】 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 (。 cm) 1015 溫度范圍 (℃ ) 55200 制動(dòng)器結(jié)構(gòu)尺寸 微氣泡致動(dòng)器由上下兩層構(gòu)成。 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。 微氣泡薄膜的厚度為 100~150um，單個(gè)微氣泡尺寸為 ，如圖2 所示。且對(duì)微氣泡薄膜周邊拐角處采用平滑的圓角處理，這樣以減小應(yīng)力集中避免薄膜脫落。 圖 微氣泡致動(dòng)器的結(jié)構(gòu)尺寸 工藝流程 微氣泡制動(dòng)器的制作采用微機(jī)械加工技術(shù)，微機(jī) 械加工技術(shù)主要應(yīng)用于制作微型機(jī)電系統(tǒng)、微致動(dòng)器、為傳感器等。 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。 聚對(duì)二甲苯是一種保護(hù)性高分子材料， 氣相沉積法 制作生成， 摩爾比的對(duì)二甲苯與水蒸氣在高溫下作用產(chǎn)生對(duì)二甲苯雙自由基，然后導(dǎo)入 90 176。商品名帕里綸（ Parylene），是通過(guò)化學(xué)氣相沉積法制備的具有聚二甲撐苯撐結(jié)構(gòu)的聚合物薄膜的統(tǒng)稱，它有極其優(yōu)良的電性能、耐熱性、耐候 性和化學(xué)穩(wěn)定性，主要有 Parylene N（聚對(duì)二甲苯）、 Parylene C（聚一氯對(duì)二甲苯）和 Parylene D（聚二氯對(duì)二甲苯）三種。 微氣泡致動(dòng)器的上層結(jié)構(gòu)的主要工藝步驟如下圖 所示。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，因?yàn)楣柰鹉z的粘度很高，這樣可以得到較好的涂敷效果。最后要將上下兩層結(jié)構(gòu)組合到一起，形成封閉的內(nèi)部氣流通道，為了避免了高溫對(duì)硅酮橡膠產(chǎn)生的影響，采用低溫鍵合技術(shù)。在頭錐內(nèi)集成臨界狀態(tài)是微氣泡驅(qū)動(dòng)器與頭錐的輪廓匹配。驅(qū)動(dòng)器的集成與互相連接和設(shè)計(jì)傳感器，一是整個(gè)氣動(dòng)系統(tǒng)能夠安裝 在頭錐內(nèi)。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。在這種情況下，設(shè)計(jì)的包裝便于在頭錐內(nèi)安裝 32 個(gè)微氣泡驅(qū)動(dòng)器，從空氣動(dòng)力學(xué)角度出發(fā)，這樣微氣泡驅(qū)動(dòng)器的頂面正好填滿那種允許范圍內(nèi)的無(wú)匹配值（不大于 5μm）得頭錐（在癟的情況下）。 以上的集成研究表明：存在頭錐 內(nèi)布置微氣泡驅(qū)動(dòng)器集成的可行性。 微氣泡制動(dòng)器機(jī)械測(cè)試 完整的微氣泡制動(dòng)器在加工之后，必須利用實(shí)驗(yàn)裝置來(lái)測(cè)試其輸入壓力與微氣泡薄膜位移變形之間的關(guān)系，以檢測(cè)硅酮橡膠是否能產(chǎn)生應(yīng)有的位移變形以及其承載能力。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。因此 a=， b=， t=， n=。 首先將參數(shù) n， v代入公式（ ），（ ） 中計(jì)算得系數(shù) C1=， C2=。 表 微氣泡薄膜不同壓力條件下變形位移 壓力 P(psi) 變形位移 h(mm) 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 根據(jù)上表數(shù)據(jù)繪制壓力 — 變形位移關(guān)系曲線如圖 所示： 0 2 4 6 8 10 1200 . 20 . 40 . 60 . 811 . 21 . 4壓力 P ( p s i )變形位移h（mm） 圖 微氣泡制動(dòng)器的壓力 — 變形位移理論曲線 數(shù)值仿真 對(duì)微氣泡薄膜進(jìn)行靜力測(cè)試這一環(huán)節(jié)，我們采用有限元分析軟件 ANASYS 對(duì)其進(jìn)行分析，也作為驗(yàn)證上面計(jì)算數(shù)值的有效手段。采用微氣泡薄膜四周固定，加載平面壓力載荷。 圖 載荷 2psi 時(shí)微氣泡變形圖 圖 載荷 7psi 時(shí) 微氣泡變形圖 單向影響位移變形分析 為了分析輸入壓力以及薄膜幾何形狀對(duì)薄膜變形位移的影響，分別按以下幾組情況進(jìn)行了仿真： （ a） 輸入壓力 5000pa 、 10000pa 、 15000pa ； （ b） 薄膜長(zhǎng)度 6000 m? 、 7000 m? 、 8000 m? ； （ c） 薄膜寬度 20xx m? 、 2200 m? 、 2400 m? ； （ d） 薄膜厚度 150 m? 、 200 m? 、 250 m? 。 仿真結(jié)果如圖 所示 4000 6000 8000 10000 120xx 14000 16000200250300350400450500550600650壓力 P變形位移h 厚度 150厚度 200厚度 2506000 6500 7000 7500 8000 8500150200250300350400450500550長(zhǎng)度 b變形位移h 壓力 5000壓力 10000壓力 15000 （ a） 壓力和厚度 （ b） 壓力和長(zhǎng)度 圖 雙向影響位移變形分析 三向影響位移變形分析 為了分析輸入壓力和薄膜幾何形狀共同對(duì)薄膜變形位移的影響，分別按以下幾組情況進(jìn)行了仿真： （ a） 輸入壓力 5000pa 、 10000pa 、 15000pa ， 薄膜寬度 20xx m? 、 2200 m? 、 2400 m? ， 薄膜厚度 150 m? 、 200 m? 、 250 m? ； （ b） 輸入壓力 5000pa 、 10000pa 、 15000pa ， 薄膜長(zhǎng)度 6000 m? 、 7000 m? 、 8000 m? ， 薄膜 厚度 150 m? 、 200 m? 、 250 m? 。 。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。較小的寬度將是變形位移的限制因素。膜片的厚度對(duì)微氣泡驅(qū)動(dòng)器的變形位移有不利的影響。變形位移隨著膜片厚度的增加而線性地減小。這是一個(gè)顯然的結(jié)果。 本章小結(jié) 本章闡述了微氣泡制動(dòng)器的工作原理，確定了微氣泡制動(dòng)器的幾何參數(shù)，選用了符合需求的硅酮橡膠作為微氣泡致動(dòng)器氣泡外殼材料，采 用以表面加工為主的加工方法對(duì)微氣泡致動(dòng)器的工藝流程進(jìn)行了設(shè)計(jì)。最后通過(guò)理論計(jì)算和數(shù)值仿真對(duì)微氣泡致動(dòng)器的薄膜在充氣狀態(tài)下的變形位移進(jìn)行分析，得出了輸入壓力和薄膜幾何外形與薄膜變形位移之間的關(guān)系。其中風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)法需要彈箭的縮比模型，吹風(fēng)風(fēng)洞，且根據(jù)風(fēng)洞吹風(fēng)的能力，只能獲取有限個(gè)離散點(diǎn)的近似數(shù)據(jù)。二者需要耗費(fèi)大量的財(cái)力物力。其應(yīng)用空氣流動(dòng)所滿足的 stoksNaver? 方程、來(lái)流性質(zhì)及彈箭外形的邊界條件，采用有限差分或有限體積法，將流場(chǎng)分成許多網(wǎng)格進(jìn)行數(shù)值積分運(yùn)算，獲得作用在彈表每一微元上的壓強(qiáng)，再進(jìn)行全彈積分求得各個(gè)氣動(dòng)力和氣動(dòng)力矩分量。實(shí)驗(yàn)研究方法的特定是結(jié)果可靠，但是實(shí)驗(yàn)研究需要場(chǎng)地、儀器和大量的經(jīng)費(fèi)，研究周期相對(duì)長(zhǎng) [22][23]。 Fluent 軟件簡(jiǎn)介 Fluent 是用于模擬具有復(fù)雜外形的流體流動(dòng)及熱傳導(dǎo)的計(jì)算程序。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。 2. 先進(jìn)的動(dòng) /變形網(wǎng)格技術(shù) Fluent 在解決邊界移動(dòng)的問(wèn)題時(shí)采用動(dòng)網(wǎng)和滑移網(wǎng)格技術(shù)。 計(jì) 算中網(wǎng)格的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程可以用三種模型進(jìn)行計(jì)算，即局部重劃模型(local remeshing) 、動(dòng)態(tài)分層模型 (dynamic layering)和彈簧近似光滑模型(springbased smoothing)。 3. 多網(wǎng)格支持功能 Fluent 軟件具有強(qiáng)大的網(wǎng)格支持能力，不僅支持混合網(wǎng)格、動(dòng) /變形網(wǎng)格以及滑動(dòng)網(wǎng)格還支持支持界面不連續(xù)的網(wǎng)格。 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)。 Gambit 的主要功能是集合建模和網(wǎng)格劃分， Fluent 的功能是流場(chǎng)的解算及后處理。此外， Gambit 含有CAD/CAE 接口，可以方便地從其他 CAD/CAM 軟件中導(dǎo)入建好的集合模型或網(wǎng)格； Fluent 解算功能的不斷完善確保了 Fluent 對(duì)于不同的問(wèn)題都可以得到很好的收斂性、穩(wěn)定性和精度。對(duì)于用戶關(guān)心的參數(shù)和計(jì)算中的誤差可以隨時(shí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤顯示。它們之間的關(guān)系如圖 所示。首先利用 Pro/e 進(jìn)行流動(dòng)區(qū)域幾何形狀的建立 ； 然后利用 GAMBIT 進(jìn)行網(wǎng)格的生成以及邊界類型的設(shè)定，輸出后導(dǎo)入 FLUENT； 最后利用 FLUENT 求解器對(duì)流 動(dòng)區(qū)域進(jìn)行求解計(jì)算，并進(jìn)行計(jì)算結(jié)果的后處理。如果流動(dòng)涉及不同組分的混合或相互作用，還要遵守組分守恒定律。 計(jì)算流體力學(xué)的基本方程是這些守恒定律的描述，下面詳細(xì)介紹這些基本守恒定律對(duì)應(yīng)的控制方程 [2630]。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。第一項(xiàng)表 示控制體內(nèi)部質(zhì)量增量，第二項(xiàng)表示通過(guò)控制面的凈通量。 能量守恒定律是包含有熱交換的流動(dòng)系統(tǒng)必須遵循的基本定律，其本質(zhì)是熱力學(xué)第一定律。 當(dāng)前工程研究領(lǐng)域有多種湍流模型，如 SpalartAllamaras 模型、標(biāo)準(zhǔn) kε模型， RNG kε 湍流模型等。 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。 RNG 模型還采用了解析表達(dá)式計(jì)算湍流普朗特?cái)?shù)，比標(biāo)準(zhǔn) ??k 模型中采用用戶定義常量要準(zhǔn)確。以上特征使得 RNG ??k 模型能模擬比標(biāo)準(zhǔn)??k 模型 更廣范圍地湍流流動(dòng)，并且更準(zhǔn)確可靠。 kMbkje f fkjii SYGGxkxkuxkt ????????????? ??? ??????? ?????? )()( （ ） ??????? ?????????? SRkCGCGkCxxuxt bje f fjii ????????????? ??? ??????? 2231 )()()( () 式中： kG — 由層流速度梯度而產(chǎn)生的湍流動(dòng)能； bG — 由浮力而產(chǎn)生的湍流動(dòng)能； MY — 在可壓縮湍流中過(guò)渡的擴(kuò)散產(chǎn)生的波動(dòng)； ?1C 、 ?2C 、 ?3C — 常數(shù)； k? 、 ?? — k方程和 ε 方程中的湍流普朗特?cái)?shù)； kS 、 ?S — 用戶定義的源項(xiàng)。 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。圖 是 彈丸表面網(wǎng)格 ，由于彈體結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，所以在 GAMBIT 中選用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格對(duì) 流場(chǎng)進(jìn)行劃分 ?？臻g網(wǎng)格的劃分采用 四 面體網(wǎng)格。 圖 流場(chǎng)網(wǎng)格劃分圖 圖 彈丸表面網(wǎng)格圖 基于 Fluent 的計(jì)算方法 (1) 彈丸在大氣中飛行，選取計(jì)算域 邊界條件為壓力遠(yuǎn)場(chǎng) (passfarfiled),計(jì)算域 流體物質(zhì)為理想空氣 (ideagas)：氣壓： 101325?P Pa 溫度： ?T K 密度： ?? kg/m3。 (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。 (5) 收斂準(zhǔn)則以差分方程表示的連續(xù)方程兩邊的計(jì)算差小于 為基準(zhǔn)。、 2176。、 8176。、 12176。下面是在超音速 、跨音速、亞音速 來(lái)流下的繞流流場(chǎng)圖片，從以下圖片中可以直觀地看到彈體不同位置受力情況、激波的位置、激波的強(qiáng)弱、渦流區(qū)以及壓強(qiáng)高低的區(qū)別。由此可見(jiàn)，對(duì)于超音速和跨音速?gòu)椡瑁苌鲜龅哪ψ?、渦阻作用外，還必然受伴隨激波出現(xiàn)而產(chǎn)生的所謂波阻的作用。時(shí)原彈型繞流流場(chǎng)的壓力云圖，對(duì)于原彈型在彈頭部附近由于超音速來(lái)流的作用形成了高壓區(qū)，由于彈頭是曲母線，物面的折射使氣流壓縮，產(chǎn)生一系列激波。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)。由于微氣泡作用后，氣流流經(jīng)彈體頭部時(shí)，