热激活电池 [热电池激活机构的设计分析]
摘要：热电池因其具有很高的比能量和比功率、使用环境温度宽、贮存时间长、激活迅速可靠、结构紧凑、工艺简便、造价低廉等优点，一问世就受到社会的青睐。为了缩短热电池的研制周期，本文对热电池的激活机构进行了建模和有限元仿真。
关键词：热电池；激活机构；ANSYS
中图分类号：V233.3+21文献标识码：A
电池是人们日常生活中在熟悉不过的东西，也是多种军事装备不可缺少的能源部件。如军用车辆、船舶、飞机的启动，导弹、火箭的发射点火、飞行控制和战斗部引爆，自动火炮的发射点火，各类炮弹、炸弹的引爆……都离不开电池。
热电池属于热激活型储备电池，原理是二战后期德国发明的，美国研制出的第一个热电池，它用熔融盐作电解质，在常温下呈固态、不导电；使用时利用激活机构（电点火或撞针击发火帽）点燃电池内部的加热火药，火药燃烧使熔融盐电解质立即升温至500～6000C、熔化并导电，电池被激活、输出电能。因为使用熔融盐作为电解质，所以被称为热电池。热电池的激活方式有两种方法：电激活和机械激活。电激活就是从外部向热电池的点火回路加载足够大的电流，使桥丝熔断，产生热量，从而点燃烟火药和引燃纸，完成激活电池的任务。在空空导弹中一般采用由载机提供激活信号、激活电源，由发控装置控制热电池激活的应用方式。机械激活是利用弹簧或爆炸驱动撞针结构所产生的机械力，使撞针具有一定的冲击力，撞击火帽，使其发火引燃电池内部的烟火热源把电池激活。
1 激活机构设计
图1为本次设计的热电池激活机构的原理示意图。
1―上盖；2―惯性簧筒；3―惯性筒簧；4―箱体；5―定位销；6―电池盒；7―热电池；8―保险钢珠；9―撞针；10―压缩簧；
图1 机构原理示意图
工作原理如下：平时撞针9被保险钢珠8所阻，保证运输时的安全；当受到y方向的加速度时惯性簧筒2在直线惯性力的作用下，克服惯性筒簧3的抗力向下运动，使钢珠滚出从而释放撞针；击撞针在压缩弹簧10的作用下，撞击热电池7，使热电池上端盖的蒙皮发生变形，点燃电池内部的加热火药，火药燃烧使熔融盐电解质立即升温至500～6000C，熔化并导电，电池被激活、输出电能。
1.1 激活机构主要零部件模型的建立
在pro/e软件中对激活机构进行建模，主要零部件模型如图2.1-图2.4
图2.1弹簧模型图2.2撞击击针模型
图2.3 上端盖模型图2.4 箱体的模型
1.2 用ANSYS软件分析热电池结构
本次对热电池结构进行的分析为静力学非线性分析，击针以a＝3000g的加速度冲击热电池上端盖的蒙皮，通过ANSYS分析看蒙皮取0.1mm厚度时,蒙皮本身结构是否受到破坏。
将在pore/e中建立的热电池的模型存为igs格式，再导入到ANSYS中，省略了在ANSYS中建模步骤，导入后的模型如图3
3.1 ANSYS中模型 3.2 简化模型
图4为热电池上端盖的应力图，当蒙皮的厚度取为0.1mm时，如图所示在蒙皮表面上出现了不同颜色的应力环，应力变化过程为16MPa→11.8MPa→9.6MPa→6.4MPa→3.2MPa，通过应力的变化可以说明应力集中发生在以热电池上端盖圆心为圆心半径为两毫米的面积上，蒙皮上的应力随着与击针的距离越来越远而变的越来越小。
从上端盖整体上看，上端盖上的最大应力发生在定位环与端盖内孔的接触处为28.8MPa，最小应力为3918Pa。而热电池上端盖的材料的屈服极限为196MPa，蒙皮上的最大应力值明显小于材料的屈服极限，因此从上端盖应变角度分析时，蒙皮厚度取0.1mm时，符合设计要求。
图5为热电池上端盖的应变力图，当蒙皮的厚度取为0.1mm时，如图所示在蒙皮表面上出现了不同颜色的应变力环，应力变化过程为0.104mm→0.0891mm→0.0614m→0.0416mm。通过应变变化可以说明蒙皮上的应变随着与距击针越来越远而变小。
结论
当击针撞击热电池时，热电池上端盖蒙皮厚度的不同，导致撞击后提供给火帽不同的发火能量，应用ANSYS软件对热电池结构进行分析后发现：当击针以3000g的加速度冲击热电池时，蒙皮厚度0.1mm时，热电池结构没有受到破坏。而且热电池上端盖蒙皮处都有变形出现，因此0.1mm的设计符合要求。
参考文献
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