Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ảnh hưởng của một số tham số thiết kế lõi xuyên đến khả năng xuyên thép của đầu đạn xuyên động năng

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

16
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "Nghiên cứu ảnh hưởng của một số tham số thiết kế lõi xuyên đến khả năng xuyên thép của đầu đạn xuyên động năng" được nghiên cứu với mục tiêu: Nghiên cứu tổng quan về va chạm tốc độ cao giữa vật va đập với vật cản, trong đó va chạm tốc độ cao giữa đầu đạn xuyên động năng với bản thép đồng nhất là một trường hợp điển hình; Thiết kế chế tạo đạn, thiết bị thử nghiệm và tổ chức các cuộc thử nghiệm đánh giá tính sát thực của mô hình tính toán đã xây dựng.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu ảnh hưởng của một số tham số thiết kế lõi xuyên đến khả năng xuyên thép của đầu đạn xuyên động năng

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ NGUYỄN ĐÌNH HÙNG NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THAM SỐ THIẾT KẾ LÕI XUYÊN ĐẾN KHẢ NĂNG XUYÊN THÉP CỦA ĐẦU ĐẠN XUYÊN ĐỘNG NĂNG Ngành : Cơ kỹ thuật Mã số : 9 52 01 01 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2024
CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ - BỘ QUỐC PHÒNG Người hướng dẫn khoa học: TS Bùi Ngọc Hưng TS Đặng Hồng Triển Phản biện 1: GS.TS Nguyễn Hồng Lanh Học viện Kỹ thuật quân sự Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Văn Chúc Viện Khoa học và Công nghệ quân sự Phản biện 3: TS Nguyễn Phúc Linh Viện Vũ khí, Tổng cục Công nghiệp quốc phòng Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án TS cấp Viện, họp tại Viện Khoa học và Công nghệ quân sự vào hồi....giờ....phút, ngày.....tháng .... năm 2024. Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Viện Khoa học và Công nghệ quân sự - Thư viện Quốc gia Việt Nam.
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ CT1. Nguyễn Đình Hùng, Bùi Ngọc Hưng, Đặng Hồng Triển, Trần Đình Thành (2017), Nghiên cứu ảnh hưởng của kết cấu phần mũi lõi xuyên đến khả năng xuyên thép của đầu đạn xuyên động năng, Tạp chí Nghiên cứu Khoa học và Công nghệ Quân sự, số 60, tháng 4/2017, tr 170-177. CT2. Nguyễn Đình Hùng, Bùi Ngọc Hưng, Đặng Hồng Triển, Trần Đình Thành (2018), Nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ số giữa chiều dài và đường kính lõi xuyên đến khả năng xuyên thép của đầu đạn xuyên động năng, Tạp chí Nghiên cứu Khoa học và Công nghệ Quân sự, số đặc san FEE2020, tháng 10/2020, tr 298-307. CT3. Nguyễn Đình Hùng, Trần Văn Doanh, Đỗ Văn Minh, Mai Quốc Vương, Bùi Xuân Sơn, Đặng Bá Ngọc (2023), Nghiên cứu ảnh hưởng của độ cứng đầu đạn đến khả năng xuyên bản thép đồng nhất của đạn xuyên thép 7,62x39 mm hai cấu tử kiểu K56 bằng phương pháp mô phỏng số, Tạp chí Nghiên cứu Khoa học và Công nghệ Quân sự, số 86 (2023), tr 137-143. CT4. Nguyễn Đình Hùng, Bùi Ngọc Hưng, Đặng Hồng Triển, Đỗ Văn Minh, Đặng Bá Ngọc (2023), Nghiên cứu ảnh hưởng của khối lượng đầu đạn đến khả năng xuyên thép của đầu đạn xuyên thép cỡ 7,62x39 mm, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, số 302, tháng 4/2023, tr 148-154.
MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài luận án Trong những năm vừa qua, các loại đạn xuyên không ngừng nghiên cứu phát triển nhằm tăng khả năng xuyên phá các lớp bảo vệ, giành thế chủ động trong chiến đấu. Đạn xuyên động năng có cấu tạo đơn giản, không có thuốc nổ, được phát triển từ đạn cỡ nhỏ dùng cho súng bộ binh cho đến các loại đạn pháo cỡ lớn, có tầm bắn lớn, tốc độ cao, có khả năng vượt qua được hệ thống phòng vệ chủ động, giải quyết các tình huống với độ bất ngờ cao. Lõi xuyên là chi tiết đặc biệt quan trọng, quyết định khả năng xuyên thép của đầu đạn xuyên động năng, các chi tiết khác có tác dụng dẫn hướng và ổn định của đầu đạn chuyển động trong nòng và trên đường bay. Khi xuyên, chỉ có lõi xuyên xuyên qua bản thép, các chi tiết khác bị biến dạng mạnh và hầu như bị giữ lại ở mặt trước bản thép. Do các thông tin kỹ thuật quân sự có tính bảo mật cao nên các tài liệu nghiên cứu chuyên sâu về đạn xuyên động năng rất hạn chế, không ứng dụng vào thiết kế, nâng cao khả năng xuyên thép của đầu đạn chế tạo trong nước. Các nghiên cứu trong nước chưa đủ cơ sở khoa học cho việc tính toán phục vụ thiết kế đầu đạn xuyên động năng. Vì vậy, việc nghiên cứu bổ sung hoàn thiện cơ sở khoa học về lý thuyết phục vụ cho nghiên cứu thiết kế, chế tạo đầu đạn xuyên động năng có ý nghĩa khoa học và có tính cấp thiết đối với Quân đội ta. Đề tài luận án “Nghiên cứu ảnh hưởng của một số tham số thiết kế lõi xuyên đến khả năng xuyên thép của đầu đạn xuyên động năng” được thực hiện nhằm góp phần bổ sung, hoàn thiện những vấn đề còn tồn tại nêu trên, phục vụ trực tiếp cho tính toán thiết kế, chế tạo đạn xuyên động năng. 2. Mục tiêu của luận án Thiết lập cơ sở khoa học cho việc tính toán định hướng lựa chọn các tham số thiết kế lõi xuyên của đầu đạn xuyên động năng. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án - Đối tượng nghiên cứu: Đầu đạn xuyên động năng hiện đang có nhu cầu thiết kế, chế tạo trong nước, trang bị cho các lực lượng vũ trang. - Phạm vi nghiên cứu: + Xây dựng mô hình tính toán chiều sâu xuyên thép của đầu đạn xuyên động năng vào mục tiêu là bản thép đồng nhất, cho phép tính và phân tích ảnh hưởng của các tham số thiết kế lõi xuyên đến khả năng xuyên thép của đầu đạn xuyên động năng. + Nghiên cứu tính toán và thực nghiệm, cụ thể được tiến hành
2 với đạn xuyên thép 7,62x39 mm (hai cấu tử và ba cấu tử) và đạn xuyên thép 7,62x51mm (ba cấu tử). 4. Nội dung nghiên cứu của luận án - Nghiên cứu tổng quan về va chạm tốc độ cao giữa vật va đập với vật cản, trong đó va chạm tốc độ cao giữa đầu đạn xuyên động năng với bản thép đồng nhất là một trường hợp điển hình. - Xây dựng mô hình tính toán chiều sâu xuyên phản ánh đầy đủ quá trình va chạm giữa lõi xuyên với mục tiêu là bản thép đồng nhất, cho phép phân tích ảnh hưởng của một số tham số thiết kế lõi xuyên đến khả năng xuyên thép của đầu đạn xuyên động năng. - Tính toán một cách định lượng ảnh hưởng của một số tham số thiết kế lõi xuyên đến khả năng xuyên thép của đầu đạn, làm cơ sở cho việc lựa chọn kết cấu và các tham số thiết kế phù hợp cho đầu đạn. - Thiết kế chế tạo đạn, thiết bị thử nghiệm và tổ chức các cuộc thử nghiệm đánh giá tính sát thực của mô hình tính toán đã xây dựng. 5. Phương pháp nghiên cứu của luận án - Nghiên cứu lý thuyết: ứng dụng lý thuyết cơ học môi trường liên tục, lý thuyết đàn hồi, biến dạng dẻo, thiết lập hệ phương trình tính toán chiều sâu xuyên của lõi xuyên vào bản thép đồng nhất. Ứng dụng phương pháp số, các phần mềm mô phỏng và một số công thức thực nghiệm để tính toán xác định khả năng xuyên thép của đầu đạn. - Nghiên cứu thực nghiệm: Bắn đo vận tốc va chạm của đầu đạn và vận tốc còn lại của lõi xuyên sau khi xuyên qua bản thép đồng nhất (thép CT3) có chiều dày cố định, đồng thời sử dụng công thức thực nghiệm để tính toán xác định chiều sâu xuyên lớn nhất của đầu đạn, so sánh với kết quả tính toán mô phỏng bằng phương pháp đề xuất của luận án. 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn - Ý nghĩa khoa học của luận án + Đã xây dựng được một số cơ sở khoa học về lý thuyết, đề xuất được giải pháp sử dụng phần mềm Ansys mô phỏng kết hợp với một số công thức thực nghiệm để tính toán xác định khả năng xuyên thép của đầu đạn. Cho phép phân tích và lựa chọn các tham số thiết kế lõi xuyên hợp lý của đầu đạn xuyên động năng; + Đã đề xuất được phương pháp thực nghiệm đo vận tốc va chạm của đầu đạn và vận tốc còn lại của lõi xuyên sau khi xuyên qua bản thép đồng nhất, đồng thời sử dụng công thức thực nghiệm để tính toán chiều sâu xuyên lớn nhất mà lõi xuyên có thể xuyên vào bản thép đồng nhất.
3 - Ý nghĩa thực tiễn của luận án: Bước đầu cung cấp cơ sở lý luận giúp các nhà thiết kế trong nước định hướng công tác thiết kế đạn xuyên động năng đảm bảo đạt chiều sâu xuyên đề ra; các kết quả nghiên cứu và số liệu thu được của luận án có thể làm tài liệu tham khảo phục vụ công tác đào tạo, huấn luyện. 7. Bố cục của luận án Ngoài các phần mở đầu, kết luận, danh mục 04 công trình khoa học đã công bố và 51 tài liệu tham khảo, luận án bố cục thành 4 chương và kết luận chung. Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐẠN XUYÊN ĐỘNG NĂNG 1.1 Tổng quan về va chạm tốc độ cao Luận án đã trình bày tổng quan va chạm tốc độ cao, trong đó va chạm giữa đầu đạn và bản thép là trường hợp điển hình. Bài toán va chạm tốc độ cao là một bài toán vật lý rất phức tạp do hình dạng, kích thước, tính chất vật liệu, khối lượng của hai vật, điều kiện va chạm là bất kỳ. Do bề dày của vật cản ảnh hưởng lớn đến quá trình xuyên của vật va đập, nên để đảm bảo độ chính xác của nghiên cứu, độ dày vật cản được chia thành 4 kiểu: mỏng, trung bình, dày và bán vô hạn. Tốc độ va chạm (vc) là một yếu tố quan trọng trong bài toán va chạm vào vật cản của vật va đập. Ở mỗi khoảng tốc độ, các trạng thái, tính chất của vật liệu biến đổi khác nhau. Tốc độ va chạm được chia thành: nhỏ (vc
4 xuyên ảnh hưởng đến khả năng xuyên thép của đầu đạn, lựa chọn điều kiện va chạm theo phương vuông góc của đầu đạn vào bề mặt bản thép. 1.4 Quá trình va chạm tốc độ cao giữa lõi xuyên và bản thép Đây là một quá trình phức tạp với nhiều hiện tượng vật lý xảy ra, có đặc trưng vật lý theo từng giai đoạn khác nhau. Theo các công trình đã công bố, quá trình va chạm xuyên giữa lõi xuyên và bản thép diễn ra 4 giai đoạn: bắt đầu, thâm nhập ổn định, tạo khe hở và phục hồi. 1.5 Các dạng phá hủy bản thép Có nhiều dạng phá hủy khác nhau như: dạng đột hoặc phá hủy bề mặt sau, phá hủy giãn dẻo đục lỗ, phá rách, ... Chúng ta cũng có thể bắt gặp nhiều dạng phá hủy trên cùng một lần bắn thử nghiệm, do đó việc phân chia các dạng phá hủy cũng chỉ mang tính chất tương đối. 1.6 Phương pháp đánh giá khả năng xuyên thép của đầu đạn Có nhiều phương pháp đánh giá khả năng xuyên thép của đầu đạn, tuy nhiên phương pháp xác định vận tốc còn lại vr khi lõi xuyên xuyên qua bản thép là phương pháp thuận lợi hơn nhờ đánh giá được kết quả lý thuyết một cách chính xác qua kết quả thử nghiệm, được đo đạc trên các thiết bị đo lường hiện đại. 1.7 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 1.7.1 Trên thế giới Các công trình nghiên cứu trên thế giới đã công bố có tính bảo mật cao nên không thể ứng dụng cho chế tạo đạn xuyên động năng trong nước. Các công thức thực nghiệm sử dụng các hệ số thực nghiệm, do vậy khi áp dụng thường cho kết quả có sai số lớn, nên chỉ mang tính định hướng ở giai đoạn thiết kế ban đầu. 1.7.1.1 Nghiên cứu lý thuyết Các công trình đã nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng như: tỉ số l/d (chiều dài trên đường kính) của lõi xuyên, kích thước phần mũi lõi xuyên, tối ưu phần mũi lõi xuyên, độ cứng của lõi xuyên,... Ngoài ra các công trình còn nghiên cứu kiểm chứng độ tin cậy của phép tính khi sử dụng mô hình bền và mô hình phá hủy Johnson-Cook. 1.7.1.2 Nghiên cứu thực nghiệm Nghiên cứu thực nghiệm là phương pháp phổ biến, đánh giá khách quan chính xác khả năng xuyên thép của vật va đập nói chung và đầu đạn nói riêng. Luận án trình bày hai công thức thực nghiệm thường được sử dụng: - Công thức Vui-tra: trường hợp tổng quát, quãng đường chuyển động của vật va đập trong khoảng thời gian t tính từ thời điểm va
5 chạm trong môi trường vật cản, tương ứng với vận tốc của vật va đập giảm từ vc đến vt: q b.vc ) (1.11) x ln .g. .d b.vt ) - Công thức Giacốp-Đơ-Ma: tính vận tốc va chạm cần thiết của vật va đập để xuyên qua vật cản có chiều dày δ (mlx –khối lượng lõi xuyên, mtv –khối lượng phần vỏ): d, . , m , √ mlx vc . ; với (1.16) mlx .mtv ) , .cos c v 1.7.2 Tình hình nghiên cứu trong nước Đã có một số công trình nghiên cứu chế tạo đạn pháo và đạn súng xuyên động năng theo mẫu, đạt tính năng chiến kỹ thuật. Công trình nghiên cứu lý thuyết và chế tạo hợp kim 8 nguyên tố phục vụ chế tạo lõi xuyên W90Fe9,6Ni0,17Cr0,08Mn0,07C0,04Mo0,025Si0,025. Tuy nhiên vật liệu chưa chế tạo lõi xuyên để bắn thử nghiệm, chỉ thử nghiệm tĩnh để so sánh, đánh giá. Công trình nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố kết cấu của mục tiêu đến khả năng xuyên thép của đầu đạn xuyên thép ,6 x39 mm đang được sản xuất. 1.8. Một số vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu Từ nghiên cứu tổng quan, nhận thấy chưa có công trình nghiên cứu về ảnh hưởng các tham số thiết kế lõi xuyên đến khả năng xuyên thép của đầu đạn. Các tính toán thiết kế chủ yếu dựa vào các công thức thực nghiệm, kinh nghiệm nghiên cứu thiết kế, nên chưa phản ánh được toàn bộ quá trình và hiện tượng lý hóa, một số tính toán còn chưa được thực nghiệm kiểm chứng, các thử nghiệm chủ yếu dựa vào kinh nghiệm hoặc các tài liệu nước ngoài,... do đó việc nghiên cứu hoàn thiện cơ sở khoa học cho việc tính toán thiết kế, chế tạo các loại đạn xuyên động năng là nhiệm vụ cấp thiết, có tính khoa học và thực tiễn cao. Kết luận chương 1 Luận án đã trình bày tổng quan về lý thuyết va chạm tốc độ cao giữa vật va đập và vật cản, các hiện tượng vật lý xảy ra trong quá trình va chạm ở các dải vận tốc khác nhau; tổng quát về các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình va chạm xuyên của đầu đạn với bản thép, phương pháp đánh giá khả năng xuyên thép của đầu đạn xuyên động năng, các công trình nghiên cứu về đạn xuyên động năng của các tác giả trên thế giới và trong nước mà chúng tôi tiếp cận được. Lõi xuyên là chi tiết đặc biệt quan trọng, quyết định đến khả năng
6 xuyên thép của đầu đạn xuyên động năng, tuy nhiên cho đến nay, chưa có công trình nghiên cứu một cách bài bản về ảnh hưởng của các tham số thiết kế lõi xuyên đến khả năng xuyên thép của đầu đạn xuyên động năng được công bố. Do đó, việc tiếp tục nghiên cứu, xây dựng cơ sở lý thuyết tính toán ảnh hưởng của các tham số thiết kế lõi xuyên đến khả năng xuyên thép của đầu đạn xuyên động năng là cần thiết. Chính vì vậy, tôi lựa chọn đề tài luận án: “Nghiên cứu ảnh hưởng của một số tham số thiết kế lõi xuyên đến khả năng xuyên thép của đầu đạn xuyên động năng” nhằm góp phần tiếp tục hoàn thiện cơ sở khoa học cho việc nghiên cứu thiết kế, chế tạo các loại đạn xuyên động năng ở trong nước. Chương 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN VA CHẠM TỐC ĐỘ CAO GIỮA ĐẦU ĐẠN VÀ BẢN THÉP ĐỒNG NHẤT 2.1 Bài toán va chạm giữa đầu đạn và bản thép đồng nhất Để xây dựng mô hình tính toán tác dụng va chạm xuyên, giả thiết va chạm giữa đầu đạn và bản thép như: bỏ qua tác động của lực trọng trường; phương chuyển động của lõi xuyên trong bản thép trùng với trục của đầu đạn; vật liệu của đầu đạn và bản thép là đồng nhất, có tính chất đàn - dẻo lý tưởng; bỏ qua chuyển động quay quanh trục của đầu đạn chúng được tính đến thông qua các hệ số của môi trường vật cản); coi quá trình va chạm xuyên là quá trình đoạn nhiệt. Khảo sát phương án thiết kế của đầu đạn: đầu đạn xuyên thép hai cấu tử và đầu đạn xuyên thép ba cấu tử. Xác lập hệ phương trình vi phân xác định trạng thái ứng suất, biến dạng và các tham số động lực học của quá trình va chạm xuyên trên hệ tọa độ Đề các. Xây dựng mô hình vật liệu phù hợp đối với đầu đạn và bản thép, tiến hành giải hệ phương trình. Hình 2.2 Mô hình hình học đối với đạn ba cấu tử và hai cấu tử
7 Hình 2.3 Mô hình nghiên cứu va chạm xuyên tại thời điểm va chạm 2.2 Hệ phương trình vi phân Luận án xây dựng hệ phương trình bao gồm: các phương trình bảo toàn khối lượng; phương trình bảo toàn động lượng; phương trình bảo toàn năng lượng; phương trình quan hệ hình học; phương trình quan hệ vận tốc và chuyển vị, vận tốc và gia tốc; các phương trình quan hệ động học và các phương trình bổ sung. (2.13) là hệ phương trình kín gồm 38 phương trình với 38 ẩn số, đủ điều kiện để giải và tìm các ẩn số. d vx vy vz ) dt x y z dvx xx xy xz dvy yx yy yz dvz zx zy zz dt x y z dt x y z dt x y z dE ̇ yy ̇ yy zz ̇ zz xy ̇ xy xz ̇ xz zy ̇ zy dt xx xx dux duy duz vx vy vz dt dt dt dvx dvy dvz ax ay az dt dt dt vx vy vz ̇ xx ̇ yy ̇ zz . 3) x y z vy vx vz vx vy vz ̇ xy ) ̇ xz ) ̇ yz ) x y x z z y xx ux ⁄ x yy uy ⁄ y zz uz ⁄ z uy ux uz uy ux uz xy ) yz ) zx ) x y y z z x ( ) ( ) [ ( )] dD xx d ̇D xx ̇ xx ) dt 3 dt dD yy d ̇D yy ̇ yy ) dt 3 dt
8 Tiếp hệ phương trình . 3) dD zz d ̇D zz ̇ zz ) dt 3 dt dD xy dD zy ̇D xy ̇ xy ̇ ̇ ̇D zy ̇ zy dt dt 3 p) p) p) p) p) p) ̇ ( xx . ̇ xx yy . ̇ yy zz . ̇ zz xy . ̇ xy yz . ̇ yz zx . ̇ zx ) T ̇p T B n) ( p Cln ( )) (T )m ) ̇p , đ t ( đ) c p t n c c{ ( t ) 3 ( ) (T 3 )} ( p) c xx p D xx zz p D zz xy D xy xz D xz zy D zy Xác định điều kiện đầu và điều kiện biên a) Điều kiện đầu Tại thời điểm va chạm, các phần tử đầu đạn chuyển động cùng vận tốc vc. Do vậy, các tham số chuyển động và trạng thái vật liệu đầu đạn có điều kiện đầu là: vi vi (xi , ) v i , ( ) , p p(xi , ) , (2.14) D ij D ij (xi , ) , E E(xi , ) E x. tương ứng, các tham số chuyển động và trạng thái vật liệu bản thép có điều kiện đầu là: vi vi (xi , ) (xi , ) n , p p(xi , ) , (2.15) D ij D ij (xi , ) , E E(xi , ) E n. b) Điều kiện biên Bề mặt tự do của lõi xuyên và bề mặt trước và sau của bản thép, áp suất luôn bằng không ( ij nj ), triển khai trên hệ tọa độ đề các, ta có: xx nx xy ny xz nz xy nx yy ny yz nz (2.16) xz nx zy ny zz nz Trong quá trình va chạm xuyên, các phần tử riêng biệt trên bề mặt biên tiếp xúc giữa lõi xuyên và bản thép đạt vật tốc giới hạn chuyển động tương ứng với điều kiện không xuyên (vlx n v t n), còn trạng thái ứng suất ở các điểm này tuân theo định luật 3 Newton , điều kiện biên cụ thể như sau:
9 [(vx )y (vx )n ]nx *(vy ) (vy ) + ny [(vz )y (vz )n ]nz y n [( xx )y ( xx )n ]nx *( xy ) ( y xy )n + ny [( xz )y ( xz )n ]nz *( yx )y -( yx )n + nx *( yy )y -( yy )n + ny *( yz )y -( yz )n + nz (2.17) [( zx )y ( zx )n ]nx *( zy )y ( zy )n + ny [( zz )y ( zz )n ]nz Để mô tả sự phá hủy của các vật liệu đầu đạn và bản thép, sử dụng tiêu chuẩn biến dạng dài lớn nhất: , trong đó: ε1 – biến dạng dài lớn nhất, εmax - giới hạn biến dạng dài khi phá hủy. 2.3 Giải bài toán va chạm bằng phương pháp mô phỏng 2.3.1 Lựa chọn phương pháp giải Do hệ phương trình . 3) rất phức tạp do vậy luận án sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để giải ( hương pháp Explicit Dynamic sử dụng trong phần mềm Ansys Autodyn), đây là một lựa chọn hiệu quả để giải bài toán trên. hương pháp giải được bắt đầu với một lưới phần tử, được gán tính chất vật liệu, tải, các ràng buộc và các điều kiện đầu và điều kiện biên. Từ phương trình chuyển động và cân bằng dẫn đến giải hệ phương trình xác định gia tốc của các nút của nE phần tử: nE ∑{ m am fin fex } m m (2.18) n Rời rạc hóa thời gian bằng phương pháp sai phân trung tâm, số gia thời gian được xác định: tn tn -tn- ; tn ( tn tn ) hi đó, gia tốc, vận tốc, dịch chuyển và tọa độ nút theo thời gian được tính như sau: n n an (fex fin ) vn vn an tn ; vn vn an tn ; un un vn tn ; xn x un Biến dạng và ứng suất tại thời điểm n được tính: n n n n ij n ij n ij ̇ ij t ; n ij n ij rn ij ij tn Các bước tính đều được tích hợp các đặc trưng của vật liệu đầu đạn và bản thép thông qua phương trình trạng thái, phương trình tăng bền, các phương trình liên hệ và các phương trình ứng xử vật lý và cơ học của môi trường biến dạng. Sơ đồ phương pháp giải bài toán nghiên cứu ảnh hưởng các tham số lõi xuyên đến khả năng xuyên thép của đầu đạn xuyên động năng được trình bày trên Hình 2.6.
10 Hình 2.6 Sơ đồ phương pháp giải bài toán 2.3.2 Xác định mô hình vật liệu hương pháp bổ sung vật liệu: Dựa vào những vật liệu sẵn có trong thư viện vật liệu của phần mềm, có thành phần hóa học gần đúng nhất so với các vật liệu sử dụng khảo sát, căn cứ vào những tham số đã biết để tiến hành điều chỉnh lại các tham số của vật liệu có sẵn trong thư viện, tạo thành bộ dữ liệu phục vụ cho khảo sát. Xây dựng mô hình vật liệu của từng loại vật liệu chế tạo đầu đạn và mục tiêu bản thép: lõi xuyên (Cacbit Vonfram, thép Y12A); áo chì và vỏ đầu đạn Đồng M1). Giá trị các hệ số mô hình bền Johnson- Cook dựa trên tham số độ cứng hc của lõi xuyên chế tạo từ thép Y được trình bày trong bảng 2.4 Bảng 2.4 Các tham số vật liệu của lõi xuyên theo mô hình tăng bền Johnson-Cook TT hc, HRC A, MPa B, MPa C, MPa m n 1 20 513,5 159,0 0,012 1 0,18 2 30 732,3 226,8 0,012 1 0,18 3 40 1 044,4 323,4 0,012 1 0,18 4 43 1 161,8 359,8 0,012 1 0,18 5 50 1 489,5 461,2 0,012 1 0,18 6 56 1 843,1 570,7 0,012 1 0,18 7 60 2 124,3 657,8 0,012 1 0,18 8 64 2 536,9 785,6 0,012 1 0,18 Tổng hợp giá trị các tham số được trình bày trong bảng 2.7.
11 Bảng 2.7 Thông số vật liệu lõi xuyên và mục tiêu các chi tiết đầu đạn Đơn Lõi xuyên Lõi xuyên Vỏ đầu Bản Thông số vật liệu vị C.vonfram Thép Y12A đạn thép Phương trình trạng thái Shock Khối lượng riêng,  kg/m3 14809 7,85 8,93 7,85 Hệ số Gruneisen  - 1,54 2,17 2,02 2,17 Hệ số C1 m/s 4029 4569 3940 4569 Hệ số S1 - 1,237 1,49 1,489 1,49 Nhiệt dung riêng J/kgK 134 477 383 452 Mô hình bền Johnson Cook ô đun cắt, G MPa 160 81800 81800 Giới hạn chảy tĩnh, A MPa 1506 Bảng . 364,9 Hệ số hóa cứng, B MPa 177 Bảng . 286,7 Số mũ hóa cứng, n - 0,12 0,18 0,36 Hệ số tốc độ biến dạng, C - 0,016 0,012 0,022 Số mũ mềm nhiệt, m - 1,0 1,0 1,0 Nhiệt độ nóng chảy, Tnc K 1723 1763 1811 Mô hình bền Steinberg Guinan iới hạn chảy tĩnh, MPa 120 Ứng suất chảy lớn nhất, MPa 640 ệ số hóa cứng, β 36 Số mũ hóa cứng, n 0,45 Điều kiện phá hủy Biến dạng dài lớn nhất, ε1 0,4 0,3 0,5 2.3.3 Giải bài toán mẫu với đầu đạn xuyên thép 7,62x51 mm Xác định ảnh hưởng kích thước phần mũi lõi xuyên hm, với các điều kiện va chạm tương ứng với thực tế thử nghiệm. Kết quả tính toán được vr của lõi xuyên, chiều sâu xuyên thép tới hạn. So sánh kết quả tính toán với kết quả thử nghiệm khẳng định tính tin cậy của tính toán lý thuyết. Mô phỏng với lõi xuyên của đầu đạn xuyên thép 7,62x51 mm được làm từ vật liệu Cacbit vonfram va chạm xuyên vào bản thép CT-3 đồng nhất có bề dày δ = 26 mm. Vận tốc va chạm vc = 720 m/s, góc va chạm θc = 0o. Thực hiện tính toán với 08 mẫu lõi xuyên có cùng đường kính d = 5,09mm và có chiều dài phần mũi khác nhau, hm mm) {3, 6; 3, 6; 3,96; , 6; , 6; ,36; , 6; , 6}, tương ứng các bán kính cong phần mũi lần lượt: Rm (mm) = {1,755; 1,655; 1,550; 1,496; 1,440; 1,340; 1286; 1,230}. Kết quả nhận được vận tốc còn lại vr của lõi xuyên, thời gian tr lõi xuyên xuyên qua bản thép dày 26 mm và chiều sâu xuyên thép tới hạn của đầu đạn δth:
12 Bảng 2.1 Kết quả tính toán vr, tr và δth khi thay đổi tham số hm ẫu đạn 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 hm,mm 3,56 3,76 3,96 4,01 4,06 4,16 4,36 4,46 4,52 4,56 vr, m/s - - - 83,2 108,0 141,5 165,6 110,6 70,4 32,8 tr, ms - - - 0,139 0,138 0,105 0,082 0,098 0,095 0,109 th, mm 23,25 24,85 26,0 26,41 26,70 26,98 27,14 26,65 26,37 26,20 Mẫu đạn , , 3, lõi xuyên không xuyên qua bia thép, trong đó, mẫu 3 (hm =3,96 mm), mũi đầu đạn đã nhìn thấy ở mặt sau bản thép. So sánh kết quả trên với kết quả tính toán giới hạn xuyên thủng theo Giacốp-Đơ-ma = 18,05 mm, nhận thấy có sai số (22,4÷ 31,1)%. Nguyên nhân do công thức thực nghiệm không tính đến ảnh hưởng của kích thước phần mũi lõi xuyên. Từ kết quả chiều sâu xuyên thép tới hạn của tính toán mô phỏng, luận án đề xuất hệ số Ktt = (1328 ÷ 1534), dùng cho thiết kế, chế tạo đầu đạn xuyên động năng. Tiến hành thử nghiệm nhằm đánh giá kết quả tính toán lý thuyết. Chế tạo 02 mẫu lõi xuyên có hm = 3,96 mm và 4,36 mm, bắn thử nghiệm xác định khả năng xuyên thép vào mục tiêu bản thép dày 26 mm. Kết quả thử nghiệm: Đối với lõi xuyên có hm = 4,36 mm: 10/10 =100% phát xuyên qua bản thép; Đối với lõi xuyên có hm = 3,96 mm, bắn 10 phát (có 2 phát không trúng bản thép), cụ thể: 04 phát xuyên qua bản thép (50%); 04 phát không xuyên qua bản thép (50%), mặt sau bia bị phồng nứt, lõi xuyên kẹt trong bản thép; Từ kết quả thực nghiệm nhận thấy, có sự sai số chấp nhận được đối với lõi xuyên có hm 3,96 mm do các nguyên nhân như dung sai chế tạo, lắp ráp đầu đạn, dung sai vận tốc va chạm,... So sánh kết quả tính toán lý thuyết với kết quả thực nghiệm đã khẳng định tính phù hợp và độ tin cậy của mô hình lý thuyết. Kết luận chương 2 Chương đã xây dựng mô hình mô tả quá trình va chạm xuyên của đầu đạn vào bản thép đồng nhất, đã lựa chọn mô hình vật liệu với từng loại vật liệu của đầu đạn và bản thép. Luận án sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn, xây dựng mô hình trên ANSYS Explicit Dynamics cùng với dữ liệu vật liệu, các tham số thiết kế lõi xuyên được lựa chọn trong vùng khảo sát, tiến hành tính toán định lượng sự ảnh hưởng của các tham số thiết kế lõi xuyên đến khả năng xuyên thép của đầu đạn xuyên động năng
13 Nghiên cứu ảnh hưởng kích thước phần mũi lõi xuyên của đầu đạn xuyên thép ,6 x mm, tính toán được vận tốc còn lại (vr) của lõi xuyên sau khi xuyên qua bản thép CT-3 có chiều dày 6 mm, tính toán chiều sâu xuyên thép tới hạn. So sánh kết quả tính toán lý thuyết với kết quả tính bằng công thức thực nghiệm Giacốp-Đơ-ma nhận thấy, có sai số tính toán lớn (22,4% ÷ 31,1%). Từ đó, đề xuất hệ số Ktt sử dụng cho tính toán thiết kế đầu đạn. Thực nghiệm bắn đối với đầu đạn xuyên thép 7,62x51 mm, khẳng định được sự phù hợp với phương pháp tính toán lý thuyết đã xác lập. Các kết quả nghiên cứu ở chương đã được công bố trên công trình [CT1] của tác giả. Chương 3. NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THAM SỐ THIẾT KẾ LÕI XUYÊN ĐẾN KHẢ NĂNG XUYÊN THÉP CỦA ĐẦU ĐẠN XUYÊN ĐỘNG NĂNG 3.1 Lựa chọn các tham số thiết kế lõi xuyên cho nghiên cứu ảnh hưởng đến khả năng xuyên thép của đầu đạn Luận án đã phân tích, lựa chọn 04 tham số thiết kế lõi xuyên (chiều dài phần mũi, tỉ số l/d, độ cứng và khối lượng) để nghiên cứu. Đây là các tham số thiết kế quan trọng, ảnh hưởng lớn đến khả năng xuyên thép. 3.2 Ảnh hưởng của chiều dài phần mũi lõi xuyên Chiều dài phần mũi của lõi xuyên ảnh hưởng trực tiếp đến giai đoạn ban đầu của quá trình va chạm xuyên của đầu đạn vào bản thép. Tính toán cho đạn xuyên thép 7,62x39 mm hai cấu tử, lõi xuyên được chế tạo từ thép Y12A, nhiệt luyện đạt độ cứng 56HRC, có khối lượng mlx = 7,90 g. Vận tốc va chạm của đầu đạn vc = 630 m/s, góc va chạm θc = 0o. Chiều dày bản thép δ = 12 mm. Các mẫu đầu đạn có kích thước phần mũi lõi xuyên hm khác nhau. Kết quả nhận được vận tốc còn lại vr của lõi xuyên, thời gian xuyên thép tr và chiều sâu xuyên thép tới hạn δth được trình bày trên bảng 3.1 Bảng 3.1 Bảng kết quả tính toán đối với các mẫu đầu đạn ẫu đạn 1 2 3 4 5 6 7 hm, mm 7,43 8,43 9,32 10,43 11,43 12,43 13,42 vr, m/s 236,5 246,1 251,3 265,4 274,2 290,7 298,4 tr, ms 0,0618 0,0611 0,0604 0,0597 0,0593 0,0589 0,0572 th, mm 14,82 15,1 15,31 15,56 16,0 16,42 16,7 Từ kết quả mô phỏng bảng 3.1, xây dựng được các đồ thị hm - vr và hm – δth.
14 Hình 3.5 Đồ thị mối quan hệ Hình 3.6 Đồ thị mối quan hệ giữa hm và vr giữa hm và δth Từ đồ thị hm - vr, sử dụng phương pháp hồi quy toán học, xây dựng hàm xấp xỉ tính toán vr phụ thuộc vào hm: vr = P1.hm3 + P2.hm2 + P3.hm + P4 với: P1 = -0,1136; P2 = 3,932; P3 = -33,49; P4 = 315,2. So sánh kết quả tính toán chiều sâu xuyên thép tới hạn (δth) bằng công thức thực nghiệm Giacốp-Đơ-ma (1.16) với tính toán lý thuyết, nhận thấy có sai số (11,47 ÷ 21,44) %. Nguyên nhân, do công thức thực nghiệm không kể đến ảnh hưởng của chiều dài phần mũi lõi xuyên đến khả năng xuyên thép. Đề xuất hệ số thực nghiệm Ktt đối với mỗi trường hợp khảo sát, Ktt = 1351 ÷ 1469 khi sử dụng công thức thực nghiệm. 3.3 Ảnh hưởng của khối lượng lõi xuyên Tính toán đối với các mẫu đầu đạn 7,62x39 mm hai cấu tử có khối lượng lõi xuyên thay đổi (độ cứng 56 HRC). Điều chỉnh vận tốc chạm bia thép vc để động năng va chạm Ec của các mẫu lõi xuyên là không đổi. Khảo sát tính toán với 09 mẫu lõi xuyên, tính toán xác định vận tốc còn lại vr của lõi xuyên sau khi xuyên qua bản thép, thời gian xuyên tr, xác định chiều sâu xuyên tới hạn đối với mỗi trường hợp khảo sát mlx. Bảng 3.4 Bảng kết quả tính toán đối với các mẫu đầu đạn Mẫu đạn 1 2 3 4 5 6 7 8 9 mlx, g 9,24 9,0 8,79 8,55 8,32 7,9 7,74 7,56 7,33 vc , m/s 582,5 589,9 597,3 605,6 613,9 630,0 636,5 644,0 654,0 vr, m/s 255,4 258,2 263,3 280,6 282,8 287,1 290,4 297,4 311,2 tr, ms 0,069 0,067 0,065 0,064 0,061 0,060 0,055 0,054 0,050 δth, mm 14,64 14,84 15,20 15,68 16,36 16,82 16,98 17,22 17,46 Từ kết quả mô phỏng bảng 3.4, xây dựng đồ thị mlx - vr, mlx - δth.
15 Hình 3.10 Đồ thị vr và mlx Hình 3.11 Đồ thị δth và mlx Từ đồ thị mlx - vr, sử dụng phương pháp hồi quy toán học, xây dựng hàm xấp xỉ tính toán vr phụ thuộc vào mlx: vr = P1.m3 + P2. mlx + P3.mlx + P4 lx với: P1 = - 0,1136; P2 = 3,932; P3 = - 33,49; P4 = 315,2 Tính toán chiều sâu xuyên thép tới hạn (δth) bằng công thức thực nghiệm Giacốp-Đơ-ma (1.16) so sánh với kết quả tính toán lý thuyết, nhận thấy có sai số (17,82 ÷ 31,09) %. Nguyên nhân do công thức thực nghiệm chỉ chứa 02 tham số mlx và vận tốc va chạm vc, do đó kết quả tính toán chiều sâu xuyên gần như không thay đổi. Đề xuất hệ số thực nghiệm Ktt đối với mỗi trường hợp khảo sát, Ktt = 1310 ÷ 1409 khi sử dụng công thức thực nghiệm. 3.4 Ảnh hưởng của độ cứng lõi xuyên Độ cứng lõi xuyên của đầu đạn xuyên động năng có mối quan hệ chặt chẽ với độ bền và ảnh hưởng trực tiếp tới khả năng xuyên thép của đầu đạn. Tính toán mô phỏng đối với đầu đạn 7,62x39 mm hai cấu tử. Các mẫu lõi xuyên đưa vào tính toán có độ cứng thay đổi lần lượt {20, 30, 40, 43, 50, 56, 60, 65} HRC phù hợp với công nghệ nhiệt luyện thép Y12A. Kết quả nghiên cứu mô phỏng xác định ảnh hưởng của độ cứng lõi xuyên: xác định vận tốc còn lại vr của lõi xuyên sau khi xuyên qua bản thép, thời gian xuyên tr, xác định chiều sâu xuyên thép tới hạn đối với từng mẫu lõi xuyên có độ cứng hc khác nhau. Bảng 3.9 Kết quả tính toán đối với các mẫu đạn Mẫu đạn 1 2 3 4 5 6 7 8 hc, HRC 20 30 40 43 50 56 60 64 vr, m/s - 164,1 182,2 202,9 264,1 289,3 294,1 296,4 tr, ms 0,0483 0,0809 0,0752 0,0735 0,0679 0,0604 0,0562 0,0548 δth, mm - 13,68 14,34 14,95 16,24 17,08 17,34 17,48
16 Từ kết quả mô phỏng bảng 3.9, xây dựng đồ thị hc - vr, hc - δth. Hình 3.17 ối quan hệ giữa vr và hc Hình 3.18 Đồ thị mối quan hệ giữa δth và hc Từ đồ thị hc - vr, sử dụng phương pháp hồi quy toán học, xây dựng hàm xấp xỉ tính toán vr phụ thuộc vào hc: vr = P1.(hc)4 +P2.(hc)3+P3.(hc)2+P4.(hc) +P5 với: P1 = -0,00069; P2 = 0,1216; P3 = -7,736; P4=216,72; P5 =-2099. So sánh kết quả tính toán chiều sâu xuyên thép tới hạn (δth) khi tính bằng công thức thực nghiệm Giacốp-Đơ-ma (1.16) với kết quả tính toán lý thuyết, nhận thấy có sai số (4,09 ÷ 24,94) %. Nguyên nhân do công thức thực nghiệm không có tham số độc lập kể đến độ cứng lõi xuyên. Đề xuất hệ số thực nghiệm Ktt đối với từng trường hợp khảo sát, Ktt = 1309 ÷ 1554 khi sử dụng công thức thực nghiệm. 3.5 Ảnh hưởng của tỉ số l/d của lõi xuyên Nghiên cứu các mẫu lõi xuyên có cùng khối lượng mlx =7,9 g. Tính toán thay đổi tỉ số l/d = {3,21; 3,83; 4,48; 5,16; 5,87; 6,61; 7,37} mm; đầu đạn va chạm xuyên với vận tốc vc = 630 m/s vào bản thép CT-3 dày δ =18 mm; góc va chạm θc= 0o. Tính toán xác định vận tốc còn lại vr của lõi xuyên sau khi xuyên qua bản thép, thời gian xuyên tr, xác định chiều sâu xuyên thép tới hạn đối với từng trường hợp tỉ số l/d khác nhau. Bảng 3.12 Kết quả tính toán đối với các mẫu đạn Lõi xuyên 1 2 3 4 5 6 7 l, mm 17,73 19,73 21,73 23,73 25,73 27,73 29,73 d, mm 5,526 5,150 4,848 4,596 4,382 4,196 4,034 l/d 3,21 3,83 4,48 5,16 5,87 6,61 7,37 vr, m/s 130,2 136,84 138,7 140,86 144,84 148,46 152,65 tr, ms 0,132 0,129 0,125 0,118 0,112 0,109 0,105 δth, mm 18,54 19,28 19,65 19,88 20,46 20,94 21,52 Từ kết quả mô phỏng bảng 3.12, xây dựng đồ thị l/d- vr, l/d - δth được trình bày trên hình 3.21 và hình 3.22
17 Hình 3.21 ối quan hệ giữa Hình 3.22 Đồ thị mối quan hệ giữa vr và tỉ số l/d bề dày bia thép tới hạn và tỉ số l/d Từ đồ thị l/d- vr, sử dụng phương pháp hồi quy toán học xây dựng hàm xấp xỉ tính toán vận tốc còn lại vr của lõi xuyên: vr = P1.(l/d)4 +P2.(l/d)3+P3.(l/d)2+P4.(l/d) +P5 với: P1 = -0,3413; P2 = 7,584; P3 = -61,6; P4 = 220,9; P5 = -158,6. Tính toán chiều sâu xuyên thép tới hạn (δth) khi tính bằng công thức thực nghiệm Giacốp-Đơ-ma (1.16) so sánh với kết quả tính toán lý thuyết, nhận thấy có sai số (10,59 ÷ 25,94) %. Nguyên nhân do công thức thực nghiệm chỉ cập nhật tham số đường kính lõi xuyên d, bỏ qua chiều dài l của lõi xuyên mà cập nhật thông qua khối lượng mlx. Đề xuất hệ số thực nghiệm Ktt đối với mỗi trường hợp khảo sát: Ktt = 1268,2 ÷ 1529,4 khi sử dụng công thức thực nghiệm. Kết luận chương 3 Luận án đã tiến hành tính toán mô phỏng, khảo sát ảnh hưởng của các tham số thiết kế lõi xuyên độ cứng, khối lượng, chiều dài phần mũi và tỉ số l d) đến khả năng xuyên thép của đầu đạn xuyên động năng vào bản thép đồng nhất. Đã xây dựng được các đồ thị mối quan hệ giữa vận tốc còn lại của lõi xuyên sau khi xuyên qua bản thép với các tham số thiết kế lõi xuyên, cụ thể: - Đối với độ cứng của lõi xuyên (chế tạo từ thép chất lượng cao): khi độ cứng của lõi xuyên tăng, khả năng xuyên thép của đầu đạn tăng. Tuy nhiên, khả năng xuyên thép của đầu đạn tăng không tuyến tính với độ cứng của lõi xuyên. Kết quả nghiên cứu này đã được công bố ở công trình [CT3] của tác giả. - Đối với khối lượng của lõi xuyên: có ảnh hưởng rõ rệt của khối lượng lõi xuyên đến khả năng xuyên thép của đầu đạn. Cùng một giá trị năng lượng va chạm vào mục tiêu, khối lượng lõi xuyên tăng, khả năng xuyên thép của lõi xuyên giảm. Kết quả nghiên cứu này đã được công bố ở công trình [CT4] của tác giả.