Phân tích động học ngược mô hình bệ phóng trên tàu biển

Bì viết Phân tích động học ngược mô hình bệ phóng trên tàu biển nghiên cứu động học ngược của mô hình bệ phóng trên tàu biển (BPT) được ổn định góc tầm và góc hướng. Sử dụng mô hình này ta sẽ xác định được quy luật của các góc trục tầm và góc trục hướng của bệ phóng. Các quy luật này làm cơ sở cho việc thiết kế bộ điều khiển và thiết kế cơ khí loại bệ phóng này.

Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Phân tích động học ngược mơ hình bệ phóng tàu biển Trần Xn Diệu* Viện Tên lửa/Viện Khoa học Công nghệ quân * Email: xuandieuvtl@gmail.com Nhận bài: 17/3/2022; Hoàn thiện: 25/4/2022; Chấp nhận đăng: 29/4/2022; Xuất bản: 28/6/2022 DOI: https://doi.org/10.54939/1859-1043.j.mst.80.2022.149-155 TÓM TẮT Bài báo nghiên cứu động học ngược mô hình bệ phóng tàu biển (BPT) ổn định góc tầm góc hướng Sử dụng mơ hình ta xác định quy luật góc trục tầm góc trục hướng bệ phóng Các quy luật làm sở cho việc thiết kế điều khiển thiết kế khí loại bệ phóng Từ khố: Góc lắc ngang; Góc lắc dọc; Lắc đứng; Góc trục tầm; Góc trục hướng MỞ ĐẦU Do BPT lắp tàu biển nên chịu tác động dao động từ sóng biển, để vật phóng đáp ứng yêu cầu tầm hướng phải ổn định góc tầm góc hướng tác động chuyển động tàu bao gồm chuyển động lắc ngang, lắc dọc lắc đứng [1] Để đánh giá tính khả thi việc thiết kế điều khiển khí cho BPT, cần giải mơ hình động học ngược bệ phóng với điều kiện góc phóng hướng phóng ln khơng đổi tác động lắc sóng biển Khi đó, xác định quy luật góc trục tầm góc trục hướng mà cấu chấp hành phải thỏa mãn Các cơng trình [2, 3] xây dựng mơ hình động học thuận bệ phóng bậc tự ứng dụng cho nhiều bệ phóng khác nhau, nhiên, mơ hình động lực học ngược ổn định góc tầm góc hướng cho bệ phóng chưa đề cập Dựa kết cơng trình này, mơ hình động học ngược tiếp tục nghiên cứu Mơ hình động học sở cho việc xây dựng mơ hình động lực học BPT cơng trình Mục xây dựng ràng buộc động học bệ phóng, giả thiết khác quy luật góc trục tầm góc trục hướng xác định Ở mục 3, kết nghiên cứu mục áp dụng cho mơ hình BPT thiết kế đặt loại tàu định mơ hình sóng cấp kết đánh giá thảo luận chi tiết mục XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐỘNG HỌC VÀ ĐỘNG HỌC NGƯỢC CỦA BỆ PHĨNG 2.1 Mơ hình động học bệ phóng Các giả thiết thiết lập mơ hình tốn Khi xây dựng mơ hình động học bệ phóng sử dụng giả thiết sau: - Chỉ xét đến ba dao động tàu lắc ngang, lắc dọc lắc đứng; - Sàn tàu, đế bệ, ray dẫn hướng vật phóng coi khối tuyệt đối cứng Khớp liên kết vật chuyển động tương không biến dạng Do ray dẫn hướng vật phóng gắn cứng với trong trình điều khiển nên coi ray dẫn hướng vật phóng một; - Do bệ phóng có khối lượng nhỏ nhiều so với tàu nên coi chuyển động thành phần bệ phóng khơng ảnh hưởng đến tàu Như vậy, bệ phóng chịu tải cưỡng tàu tác động; - Ở trạng thái ban đầu mặt nước tĩnh, ray dẫn hướng nghiêng so với mặt nước biển 0, góc tương ứng góc phóng bệ phóng mặt đất Trên sở giả thiết trên, đề tài xây dựng mơ hình động học cho mơ hình hệ tàu – bệ phóng – tên lửa Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 80, - 2022 149 Cơ kỹ thuật & Cơ khí động lực Mơ hình hệ BPT bố trí tàu coi hệ bậc tự có mơ hình hình học thể hình 1, bao gồm: Vật 1: Thân bệ chi tiết gắn cứng với thân bệ Vật 2: Ray dẫn hướng chi tiết gắn cứng với ray dẫn hướng 12 O 22 q2 11 O1 O 1x Ox q1 21 31 O0 10 zg y 31 2x 30 20 Hình Mơ hình hệ bệ phóng hệ tọa độ Các hệ tọa độ Các hệ tọa độ để xây dựng mơ hình tốn thể hình bao gồm: - Hệ tọa độ cố định R0 = {O0102030}, mặt phẳng O01020 trùng với mặt phẳng đường nước khơng bị kích động, trục O030 hướng thẳng đứng từ xuống Khi tàu nằm vị trí cân bằng, trục O030 qua khối tâm tàu, trục O010 song song với trục dọc tàu - Hệ tọa độ liên kết gắn với tàu Rx = {Ox1x2x3x}, gốc tọa độ Ox đặt khối tâm tàu, mặt phẳng Ox1x2x song song với sàn tàu Trục Ox1x hướng dọc theo mũi tàu - Hệ tọa độ liên kết gắn với thân bệ R1 = {O1112131}, gốc tọa độ O1 đặt khối tâm thân bệ, trục O131 trùng với trục quay góc hướng hướng xuống Mặt phẳng O11131 trùng với mặt đối xứng thân bệ - Hệ tọa độ liên kết gắn với ray dẫn hướng R2 = {O2122232}, gốc tọa độ O2 đặt khối tâm ray dẫn hướng, trục O212 trùng với trục dọc ray hướng trước Mặt phẳng O21232 trùng với mặt đối xứng ray Tọa độ suy rộng số bậc tự hệ Cơ hệ có bậc tự gồm: - Một bậc tự chuyển động quay quanh trục O131 thân bệ, góc trục hướng q1; - Một bậc tự chuyển động quay quanh trục O222 ray dẫn hướng, góc trục tầm tầm q2; Như vậy, véc tơ tọa độ suy rộng hệ là: q = [q1 q2]T Thiết lập ràng buộc động học hệ Theo tài liệu [4], ma trận cosin hướng xác định sau: - Ma trận cosin hướng Rx0 chuyển từ Rx sang R0 Ở đây, sử dụng phép quay liên tiếp để đưa Rx thành R0 với thứ tự quay sau: 150 Trần Xn Diệu, “Phân tích động học ngược mơ hình bệ phóng tàu biển.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ + Quay quanh trục Ox1x góc , ta có ma trận cosin hướng là: R1x 0 1  = 0 cos 0 sin   − sin   cos   (1) + Quay quanh trục Ox2x góc , ta có ma trận cosin hướng là: R x0  cos =   − sin sin   cos  (2) Do đó, ta được: R x = R x R1x  cos =   − sin sin sin  cos  cos sin  sin cos  − sin   cos cos  (3) - Ma trận cosin hướng R1x chuyển từ R1 sang Rx Thực phép quay quanh trục O131 góc q1 ta đưa hệ R1 sang Rx, đó, ta ma trận cosin hướng: cos q1 − sin q1  R1x =  sin q1 cos q1    (4) - Ma trận cosin hướng R10 chuyển từ R1 sang R0 là: R10 = R x R1x (5) - Ma trận cosin hướng R21 chuyển từ R sang R : Thực phép quay quanh trục O222 góc q2 ta đưa hệ R2 sang R1, đó, ta ma trận cosin hướng:  cos(q2 +  ) sin(q2 +  )   R 21 =    − sin(q2 +  ) cos(q2 +  )  - Ma trận cosin hướng R20 chuyển từ R2 sang R0 là: R 20 = R10 R 21 (6) (7) Như vậy, dựa vào phép biến đổi liên tiếp từ (1) đến (7), tư vật vật hoàn tồn xác định khơng gian 2.2 Phân tích động học ngược vị trí Để xác định quy luật q1 q2 với yêu cầu góc ray dẫn hướng (vật 2) ln ổn định tư khơng gian, thực chất giải toán động học ngược hệ Để ray dẫn hướng ổn định tư khơng gian điều kiện cần đủ véc tơ gắn với ray dẫn hướng có phương cố định hệ tọa độ cố định Khơng tính tổng qt, giả thiết véc tơ đơn vị trục O212 hệ tọa độ R2 (hệ tọa độ gắn với ray dẫn hướng) ln có phương song song với véc tơ cố định nghiêng góc 0 so với trục O010 mặt phẳng O01030 hệ tọa độ R0 (hệ tọa độ cố định) Véc tơ đơn vị trục O212 hệ quy chiếu R2 là: Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 80, - 2022 151 Cơ kỹ thuật & Cơ khí động lực e1(2) = 1 0 T (8) Khi đó, véc tơ hệ tọa độ cố định là: u1(0) = R 20e1(2) (9) Biến đổi ta được: u1(0)  cos(q2 +  )sin q1 sin sin  − sin cos sin(q2 +  ) + cos(q2 +  )cos q1 cos   =  cos sin q1 cos(q2 +  ) + sin  sin(q2 +  )  cos(q2 +  )sin q1 sin  cos − cos cos  sin( q2 +  ) − cos( q2 +  )cos q1 sin  (10) Giả sử i(0) véc tơ xác định hệ tọa độ R0, có độ lớn 1, nghiêng so với trục O010 góc 0 thể hình 2, véc tơ là: i (0) =  cos  0 − sin   T (11) Điều kiện cần đủ để tên lửa ln đảm bảo góc cố định không gian véc tơ u1(0) phải cộng tuyến với véc tơ i(0) đó, thiết lập hệ phương trình sau: (0) (0)  u1 (3) = − tan  u1 (1)  u1(0) (2) =   (12) i (0) a0 O 10 30 Hình Biểu diễn véc tơ i(0) hệ tọa độ R0 Hệ phương trình (12) hệ phương trình đại số có biến q1 q2, cho trước giá trị góc lắc ngang  lắc dọc  ta hồn tồn xác định giá trị góc trục hướng q1 góc trục tầm q2 Đối với trường hợp sóng khơng lớn cấp 3, góc lắc ngang  góc lắc dọc  lớn cỡ khoảng 100, đó, q1 q2 nằm giới hạn này, với giai đoạn nghiên cứu sơ đơn giản tính tốn sử dụng phép xấp xỉ: sin q1,2  q1,2 ;cos q1,2  1; q1q2  0;sin   ,sin    ,cos  1,cos  (13) Với cách tiếp cận này, giải hệ (12) kết sau: q1 = q2 = (  ( cos − sin  ) ) sin  cos  +  cos2  + cos   cos  −  cos  sin  − −  sin  cos  +  cos  + Vận tốc góc trục hướng trục tầm xác định theo công thức: dq 1,2 = 1,2 dt 152 (14) (15) (16) Trần Xuân Diệu, “Phân tích động học ngược mơ hình bệ phóng tàu biển.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Công thức (16) cho phép tính tốn vận tốc góc khâu cuối thơng qua hộp số xác định vận tốc quay đầu trục động cơ, làm sở để lựa chọn động phù hợp KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Thơng số đầu vào Mơ hình động học ngược bệ phóng đặt tàu xây dựng mục 2.1 sử dụng cho các loại bệ phóng khác Trường hợp áp dụng mục bệ phóng đặt tàu CV-01 với góc phóng (góc tầm) ln giữ ổn định 500 ln hướng phía mục tiêu, trường hợp điển hình để vật bay đạt tầm bắn lớn phóng Tàu hoạt động điều kiện sóng biển cấp trường hợp xác định phục vụ cho tính tốn thiết kế sơ bệ phóng với cấp độ sóng áp dụng cơng thức (13-15) Bảng Các thông số kết cấu thủy động học tàu TT Tên thông số Ký hiệu Giá trị Đơn vị Lượng chiếm nước D 85000 T  Trọng lượng riêng nước biển 10250 N/m3 Thể tích chiếm nước V 82,93 m3 Chiều dài lớn Lmax 12,16 m Chiều dài đường nước thiết kế LKW 10,9 m Chiều rộng tàu B 3,13 m Chiều cao tàu H 1,5 m Mớn nước T 0,58 m Diện tích mặt đường nước AW 28,9 m2 10 Diện tích phần chìm sườn tàu AM 0,9 m2 11 Hệ số béo thể tích CB 0,42 12 Hệ số béo đường nước CW 0,85 16 Chiều cao trọng tâm tàu zg 0,9 m Theo tài liệu [6], thông số kết cấu thủy động tàu đưa bảng Mơ hình sóng biển cấp có chiều cao sóng trung bình 1,25 m; bước sóng trung bình 15,24 m; chu kỳ sóng trung bình 4,25 s [5] Dựa vào mơ hình tốn mơ tả dao động tàu sóng biển trình bày tài liệu [3, 6, 7], ta xác định chuyển động lắc tàu CV-01 sóng cấp đưa bảng 3.2 Kết tính tốn Với thơng số đầu vào xác định 3.1, sử dụng phần mềm Matlab R2012b, hồn tồn tính tốn quy luật góc trục hướng góc trục tầm vận tốc quay dựa vào mơ hình động học xây dựng mục Với thời gian mơ 20 s, góc trục hướng trục tầm bệ phóng thể hình cho thấy để ổn định góc tầm góc hướng góc trục hướng phải dao động với biên độ 16,4o với chu kỳ 3,1 s, đó, góc trục tầm phải dao động với biên độ lớn 8,1o với chu kỳ 3,1 s Kết cho thấy để bệ phóng ổn định sóng cấp góc trục hướng góc trục tầm phải thiết kế lớn giá trị Mô cho thấy góc tầm ln ổn định thời gian mơ phỏng, điều cho thấy tính tốn tin cậy Kết thể hình cho thấy để đảm bảo bệ phóng ổn định sóng cấp vận tốc góc trục hướng lớn phải có giá trị tối thiểu lớn 30,6o/s vận tốc góc trục tầm lớn phải có giá trị tối thiểu lớn 19,4o/s Theo tài liệu [8], cấu chấp hành bệ phóng thiết kế đáp ứng với góc trục hướng đến 90o/s góc trục tầm đến Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 80, - 2022 153 Cơ kỹ thuật & Cơ khí động lực 60o/s, vậy, kết cho thấy hồn tồn thiết kế điều khiển bệ phóng sở cho thiết kế sơ phần khí bệ phóng Bảng Bảng thơng số dao động tàu sóng cấp Lắc ngang Lắc dọc Lắc đứng Chu kỳ lắc trung bình 3,1 s 3,1 s 2,2 s Biên độ lắc lớn 12,3o 9,3o 0,56 m Hình Quy luật góc trục hướng, góc trục tầm góc tầm Hình Vận tốc góc trục hướng trục tầm KẾT LUẬN Bài báo xây dựng sở lý thuyết mô hình động học ngược bệ phóng ổn định góc tầm góc hướng tàu biển Sử dụng mơ hình cho phóng ổn định góc tầm 50 góc hướng ln ổn định, bố trí tàu điều kiện sóng cấp cho thấy góc trục hướng phải dao động với biên độ 16,40 với chu kỳ 3,1 s, góc trục tầm phải dao động với biên độ lớn 8,1o với chu kỳ 3,1 s; vận tốc góc trục hướng lớn phải có giá trị tối thiểu lớn 30,6o/s vận tốc góc trục tầm lớn phải có giá trị tối thiểu lớn 19,4o/s Các kết cho thấy tính khả thi việc bố trí bệ phóng tàu sóng không cấp 3, làm sở cho việc thiết kế điều khiển thiết kế khí cho bệ 154 Trần Xuân Diệu, “Phân tích động học ngược mơ hình bệ phóng tàu biển.” Nghiên cứu khoa học công nghệ TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Yanpeng Dong, “Dynamic simulation of shipborne vertical Launching System”, International Conference on Education, Management and Computing Technology, pp 422-426, (2018) [2] Phan Văn Chương, “Khảo sát ảnh hưởng giảm chấn đa chiều đến tải tác dụng lên tên lửa đối hải lắp tàu hải quân”, Tuyển tập cơng trình hội nghị học kỹ thuật toàn quốc, tr 15-20, (2014) [3] Tăng Xuân Long, “Xây dựng tốn động lực học phóng tên lửa KH35-E tàu hải quân”, Tạp chí Nghiên cứu Khoa học Công nghệ quân sự, số 21, tr 37-48, (2012) [4] Ahmed A.Shabana, “Computational Dynamics”, John Wiley & Sons, Inc pp 95-150, (2001) [5] http://www.vncold.vn [6] Tăng Xuân Long, “Về giải pháp xác định nội lực liên kết khâu bệ phóng vũ khí phá vật cản FMV-T2-HQ đặt xuồng CV-01”, Tạp chí Nghiên cứu Khoa học Công nghệ quân sự, số Đặc san Cơ học Điều khiển thiết bị bay, tr 184-190, (2021) [7] Nguyễn Lạc Hồng, “Khảo sát dao động lắc tàu hải quân bắn tên lửa rải nhiễu PK-16”, Tạp chí Nghiên cứu Khoa học Cơng nghệ qn sự, số 52, tr 247-255, (2014) [8] Nguyễn Trung Kiên, Lê Trần Thắng, “Pháo phịng khơng tầm thấp 37mm-2N đánh đêm bán tự độngThuyết minh kỹ thuật hướng dẫn sử dụng”, NXB QĐND (2017) ABSTRACT Inverse kinematic analysis of the shipborne launcher In this paper, the reverse kinematic model of the shipborne launcher with the stabilized elevation and azimuth angle is investigated These results are motion laws of the elevation and azimuth shaft angle determined These rules are the basis for the design of the controller and the mechanical design of this type of launcher Keywords: Roll angle; Pitch angle; Heave translation; Elevation shaft angle; Azimuth shaft angle Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 80, - 2022 155 ... bố trí bệ phóng tàu sóng không cấp 3, làm sở cho việc thiết kế điều khiển thiết kế khí cho bệ 154 Trần Xuân Diệu, ? ?Phân tích động học ngược mơ hình bệ phóng tàu biển. ” Nghiên cứu khoa học công... chọn động phù hợp KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Thơng số đầu vào Mơ hình động học ngược bệ phóng đặt tàu xây dựng mục 2.1 sử dụng cho các loại bệ phóng khác Trường hợp áp dụng mục bệ phóng đặt tàu. .. trục tầm góc tầm Hình Vận tốc góc trục hướng trục tầm KẾT LUẬN Bài báo xây dựng sở lý thuyết mô hình động học ngược bệ phóng ổn định góc tầm góc hướng tàu biển Sử dụng mơ hình cho phóng ổn định