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引信微型射流压电发电装置的设计及数值分析

作　者: 张亚东
导　师: 聂伟荣
学　校: 南京理工大学
专　业: 武器系统与运用工程
关键词: 微机电系统 引信电源 气动 压电效应 悬臂梁
分类号: TJ430.38
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


随着引信小型化、智能化水平的提高,其小型化电源技术,特别是引信小型物理电源技术越来越受到人们的关注。引信射流发电机的能量来源为弹道气动能,它能够全弹道给引信电路供电,并且保证弹丸的勤务处理安全性；此外,它还可以为某些弹种引信提供解除保险的第二环境信息。但传统的射流发电机体积大、重量大,使用范围有限。本文结合MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems)工艺技术的发展,提出了一种利用弹道气动能发电的微型引信物理电源方案。首先结合课题的研究背景,介绍了引信气动技术、现代引信对物理电源的要求以及MEMS能量采集技术的发展；其次介绍了射流发电机的工作原理、弹丸头部气流环境,以及振动能转化原理和压电材料的发电特性等；结合引信电源的战术技术要求、压电材料的发电特性及MEMS技术特点,设计了一种微型射流压电发电装置的结构,并对10mm×6mm×1.5mm的结构在亚音速的入口流速下(取100m/s)进行了性能分析和数值仿真,得到其比功率为0.134mW/cm3,研究了其能量采集电路,结果表明该微型发电装置的输出电压、能量大小以及响应时间等可以满足引信电路的使用要求,具有一定的可行性；最后分别设计了该射流压电发电装置中压电膜片和谐振腔体的MEMS加工工艺流程。以上对该微型射流压电发电装置原理的分析和特性的仿真、计算研究等得出的初步结论,为引信微型射流压电发电技术的进一步研究积累了经验,并提供了参考。

全文目录


摘要  3-4
Abstract  4-5
目录  5-7
1. 绪论  7-14
  1.1 课题研究的背景与意义  7-8
  1.2 引信气动技术现状和发展  8-9
  1.3 现代引信电源的发展  9-10
    1.3.1 引信物理电源的种类和特性  9
    1.3.2 现代引信对电源的要求  9-10
  1.4 MEMS技术应用  10-12
    1.4.1 MEMS技术的发展概述  10-11
    1.4.2 MEMS能量采集技术  11-12
  1.5 本文的主要研究内容  12-14
2. 射流压电发电机工作原理及其气流环境分析  14-24
  2.1 射流发电机  14-15
    2.1.1 射流发电机工作原理  14-15
    2.1.2 射流发电机的应用  15
  2.2 弹丸头部激波现象分析  15-18
  2.3 空气射流激振原理  18-21
    2.3.1 旋涡脱落与涡激振荡  18-21
    2.3.2 谐振器效应  21
  2.4 流体动力型声波发生器  21-23
  2.5 本章小结  23-24
3. 微型压电振动发电装置的理论分析  24-34
  3.1 振动能转换的原理模型  24-25
  3.2 压电微型振动能量采集国内外研究现状  25-27
  3.3 压电效应与压电材料  27-30
  3.4 悬臂梁式压电振子  30-33
    3.4.1 悬臂梁式压电振子的电能输出公式  30-32
    3.4.2 悬臂梁式压电振子的频率特性  32
    3.4.3 压电材料的最佳粘贴位置  32-33
  3.5 本章小结  33-34
4. 微型射流压电发电装置的设计与数值仿真  34-53
  4.1 微型射流压电发电装置的结构设计  34-35
  4.2 弹丸头部气流环境的仿真验证  35-37
  4.3 射流压电发电装置的数值仿真分析  37-43
    4.3.1 发电装置的单向流固耦合  37-39
    4.3.2 多物理场耦合计算方法  39
    4.3.3 发电装置的流固双向耦合流程  39-43
  4.4 射流压电发电装置各参数对压电振子振幅的影响  43-45
  4.5 微型射流压电发电装置的电能输出  45-49
    4.5.1 压电膜片基板厚度比选择  45-46
    4.5.2 压电膜片的压电耦合分析  46-47
    4.5.3 压电膜片模态和谐响应分析  47-49
  4.6 能量采集基础  49-52
  4.7 本章小结  52-53
5. 射流压电发电装置的工艺技术研究  53-60
  5.1 MEMS加工工艺介绍  53-56
  5.2 压电膜片的MEMS工艺过程  56-58
  5.3 谐振腔体的MEMS工艺过程  58-59
  5.4 本章小结  59-60
6. 总结与展望  60-62
  6.1 主要研究工作和创新点  60-61
  6.2 后续工作展望  61-62
致谢  62-63
参考文献  63-67
附录  67

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