[发明专利]设计安全电流下的微平面式电发火组件参数设计方法

权利要求书

1.设计安全电流下的微平面式电发火组件参数设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：构建微平面式电发火组件的恒定直流激励时的物理模型；

步骤2：根据上述物理模型构建恒定直流激励时的数学模型；

步骤3：对上述数学模型进行求解，得出微平面式电发火组件的临界发火电流的理论计算公式；

步骤4：将若干与待设计微平面式电发火组件结构相同的微平面式电发火组件进行发火电流感度实验，并将实验数据与采用步骤3所述公式计算出的该结构的微平面式电发火组件的临界发火电流与其进行对比，验证模型是否可行；如果临界发火电流的理论计算结果与实验数据的差值小于给定阈值，输出该模型，否则，返回步骤2，修改模型参数重新构建恒定直流激励的物理模型；

步骤5：根据步骤4输出的微平面式电发火组件的临界发火电流的理论计算公式，将公式中可降低临界发火电流的参数修正为该参数加上该参数的工程偏差，将公式中的其它参数修正为该参数减去该参数的工程偏差，得到微平面式电发火组件的安全电流的理论计算公式并输入微平面式电发火组件设计参数，计算得到微平面式电发火组件的安全电流；

步骤6：计算该安全电流与设计安全电流的差值，如果该安全电流与设计安全电流的差距小于给定阈值，输出微平面式电发火组件的设计参数，流程结束；否则返回步骤5；

步骤1中，所述微平面式电发火组件由微平面换能元、发火药剂、陶瓷环组成，微平面换能元自下而上由基体、桥膜、焊盘组成，陶瓷环安装在基体上，陶瓷环内装有发火药剂；在恒定直流激励条件下，微平面换能元将电能转换为焦耳热，桥膜温度升高，同时将能量以热传导方式传递给发火药剂和基体，发火药剂和基体向环境散失热量，当发火组件产生的焦耳热与散失的热量相等时，发火组件温度保持不变，进入稳态传热阶段，当发火药剂的稳态温度恰好等于发火点时，所对应的电流为临界发火电流；

步骤1中，建立物理模型时，为使模型简化，需做如下假设：

(1)将基体看作与基体等高的一圆柱体，将方形桥膜看作位于基体顶面中心的一个一定直径r₀的等效圆形膜，将发火药剂看作等效半球；

(2)由于基体高度小于横向和纵向尺寸，基体厚度方向热阻较小，忽略基体厚度方向的温度梯度，可将基体导热看作圆筒壁模型；

(3)桥膜与基体和发火药剂均接触良好，忽略二者之间的接触热阻，即桥膜与基体和发火药剂接触处等温；

(4)忽略系统向环境的辐射散热以及上下表面向环境的对流换热；

(5)发火组件的物化参数不随温度发生变化；

(6)作用过程中忽略发火药剂的化学反应放热；

(7)只考虑装药的径向传热，忽略其它方向传热以及热辐射；

(8)换能元的导热系数取基体和桥膜的综合参数，其中基体和桥膜各占一定权重且二者之和等于1，其中桥膜的权重不大于10％；

步骤2中，所构建的数学模型主要包括两部分，具体如下：

1)发火组件进入稳态导热时，温度不随时间发生变化，保持恒定，换能元温度控制方程和定解条件为

在这个组合公式中，第一个公式为微平面式换能元的温度控制方程，第二个公式为换能元与发火药剂接触的边界，第三个公式为换能元与环境接触的边界，属于第三类边界条件；

2)装药温度控制方程和定解条件为

在这个组合公式中，第一个公式为发火药剂的温度控制方程，第二个公式为发火药剂的内边界条件，T_e＝T_m表示与桥膜接触处，装药温度和基体温度相等；第三个公式为发火药剂与环境相接触的边界，属于第三类边界条件；

以上公式中：T_m——换能元温度(K)；T_e——发火药剂温度(K)；λ_m——换能元的导热系数(W/m/K)；λ_m＝kλ_b+(1-k)λ_j，λ_b——桥膜的导热系数(W/m/K)，λ_j——基体的导热系数(W/m/K)，k——桥膜传热所占的权重；λ_e——发火药剂的导热系数(W/m/K)；r——换能元和发火药剂的空间变量；I——激励电流(A)；r₀——桥膜的等效半径(m)，l—方形桥膜边长(m)；A——等效圆筒内壁面积(m²)，A＝2πr₀H；H——基体高度(m)；L——基体长度(m)；r_m∞——基体的等效半径(m)，R₀——换能元初始电阻(Ω)；α——换能元电阻温度系数(1/K)；h_m——基体与环境的换热系数(W/m²)；h_e——发火药剂与环境的换热系数(W/m²)；T₀——环境温度(K)；S——发火药剂等效半球内壁面积(m²)，S＝l²；R——发火药剂的装药半径(m)；ξ₁，ξ₂分别代表热量分配系数，ξ₁+ξ₂＝1；

步骤3中，临界发火电流的理论计算公式为：

以上公式中：I_ec——临界发火电流(A)；T_e0——发火药剂的发火温度(K)；T₀——环境温度(K)；R₀——换能元初始电阻(Ω)；α——换能元电阻温度系数(1/K)；λ_m——换能元的导热系数(W/m/K)；λ_e——发火药剂的导热系数(W/m/K)；l——方形桥膜边长(m)；H——基体高度(m)；L——基体长度(m)；h_m——基体与环境的换热系数(W/m²)；h_e——发火药剂与环境的换热系数(W/m²)；R——发火药剂的装药半径(m)。