Nghiên cứu phương pháp thiết kế tối ưu kết cấu vỏ khoang tên lửa đối hải dưới âm

Tối ưu kết cấu vỏ đã được nhiều nhà khoa học nghiên cứu, tuy vậy việc giải quyết một cách toàn diện bài toán này vẫn còn các hạn chế: thiết lập bài toán tối ưu chưa xây dựng được không g

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ-BỘ QUỐC PHÒNG

Người hướng dẫn khoa học:

1 PGS TS Nguyễn Văn Chúc

2 TS Trần Ngọc Thanh

Phản biện 1: GS TSKH Nguyễn Đông Anh

Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

Phản biện 2: PGS TS Đặng Ngọc Thanh

Học viện Kỹ thuật quân sự

Phản biện 3: PGS TS Nguyễn Trang Minh

Viện Khoa học và Công nghệ quân sự

Luận án được bảo vệ tại hội đồng chấm luận án tiến sĩ và họp tại Viện Khoa học và Công nghệ quân sự vào hồi .giờ, ngày tháng năm

Có thể tìm hiểu luận án tại:

- Thư viện Viện Khoa học và Công nghệ quân sự

- Thư viện Quốc gia Việt Nam

MỞ ĐẦU

Tính cấp thiết của đề tài: Nắm vững và phát triển các phương pháp

thiết kế, chế tạo và thử nghiệm khí cụ bay (KCB) trong đó có tên lửa là một yêu cầu cấp thiết nhằm tăng cường sức mạnh, hiện đại hóa quân đội Trong tên lửa, vỏ khoang là kết cấu chịu lực chính, quá trình thiết kế các kết cấu này không chỉ tính đến các chỉ tiêu độ bền, độ cứng mà còn chú ý đến các chỉ tiêu khác đặc biệt là khối lượng kết cấu Các phương pháp thiết kết truyền thống không đáp ứng được việc đánh giá đầy đủ các đặc tính của kết cấu nhanh chóng và chính xác Theo quan điểm hiện đại, thiết kế kết cấu vỏ khoang tên lửa được coi là bài toán tối ưu hóa Bài toán này là bài toán tối

ưu kết cấu vỏ mỏng với hàm mục tiêu là khối lượng và các ràng buộc chính

là độ bền, độ ổn định

Tối ưu kết cấu vỏ đã được nhiều nhà khoa học nghiên cứu, tuy vậy việc giải quyết một cách toàn diện bài toán này vẫn còn các hạn chế: thiết lập bài toán tối ưu chưa xây dựng được không gian tìm kiếm chứa đựng được đầy đủ các phương án khả dĩ; chưa hiệu quả trong giải các bài toán đa ràng buộc đặc biệt khi có kể đến các ràng buộc ổn định; việc phân tích kết cấu vỏ khi có kể đến các vấn đề về ổn định, ứng xử phi tuyến hiện nay vẫn khó khăn Từ các lý do kể trên việc nghiên cứu phương pháp thiết kế tối ưu vỏ khoang tên lửa là một vấn đề có ý cấp thiết

Mục tiêu của luận án: xây dựng được các phương pháp hiệu quả

trong thiết lập và giải quyết bài toán tối ưu cấu trúc và tham số cho vỏ khoang tên lửa chịu đồng thời ràng buộc độ bền và ổn định; xây dựng được chương trình tính toán thiết kế tối ưu, áp dụng để thiết kế tối ưu cho khoang điển hình của lớp tên lửa hành trình đối hải dưới âm

Nội dung nghiên cứu: nghiên cứu thiết lập, giải bài toán tối ưu cấu

trúc và tham số vỏ khoang tên lửa kể đến đồng thời các ràng buộc độ bền

và ổn định; xây dựng chương trình số, áp dụng giải bài toán tối ưu kết cấu cho khoang điển hình một loại tên lửa đối hải dưới âm; nghiên cứu thử nghiệm, đánh giá vỏ khoang đã thiết kế

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: phương pháp thiết lập và giải bài

toán thiết kế tối ưu cấu trúc và tham số cho vỏ khoang tên lửa đối hải dưới

âm (chỉ có các tác động cơ học) với mục tiêu tối thiểu hóa khối lượng trong khi đảm bảo độ bền và ổn định

Phương pháp nghiên cứu: kết hợp mô hình vật lý mô tả đối tượng

thiết kế và phương pháp phân tích kết cấu để thiết lập bài toán tối ưu vỏ khoang tên lửa; kết hợp và biến đổi các phương pháp tối ưu toán đã được nghiên cứu để xây dựng phương pháp giải bài toán tối ưu phù hợp; kết hợp các thuật toán tối ưu và thuật toán PTHH để xây dựng giải thuật và chương trình tính toán; sử dụng phần mềm ANSYS để thực nghiệm mô phỏng

Ý nghĩa khoa học của luận án: Bổ sung cơ sở lý luận cho các

phương pháp tính toán thiết kế kết cấu trong KCB nói chung và tên lửa nói riêng Xây dựng được phương pháp tính toán thiết kế các kết cấu vỏ khoang tên lửa theo hướng tối ưu hóa, trong đó giải quyết được các khó khăn chính trong thiết lập mô hình toán và các phương pháp hiệu quả để giải quyết bài toán; kết quả của luận án khẳng định hiệu quả của việc thiết

kế các kết cấu vỏ khí cụ bay theo hướng tối ưu và làm phong phú thêm dữ liệu tính toán thiết kế tên lửa

Ý nghĩa thực tiễn của luận án: Kết quả nghiên cứu của luận án đáp

ứng việc giải quyết các nhiệm vụ thiết kế vỏ khoang tên lửa, phục vụ trực tiếp cho công tác nghiên cứu thiết kế, chế tạo tên lửa trong nước

Luận án gồm phần mở đầu, kết luận và 4 chương được trình bày trong 128 trang, ngoài ra còn có phần phụ lục trình bày code chương trình

Chương 1 TỔNG QUAN THIẾT KẾ TỐI ƯU

VỎ KHOANG TÊN LỬA 1.1 Bài toán thiết kế tối ưu vỏ khoang tên lửa

1.1.1 Đặc điểm kết cấu của vỏ khoang tên lửa

Trong KCB nói chung và tên lửa nói riêng, các khoang thực hiện các chức năng: đảm bảo hình dạng khí động; cung cấp không gian lắp đặt thiết bị; liên kết các bộ phận; chịu lực chính Các yêu cầu cơ bản đối chúng gồm: nhận và truyền một cách tin cậy tất cả các tải trọng, đảm bảo độ bền, độ cứng, độ ổn định, có khối lượng nhỏ, đảm bảo độ kín, thuận tiện trong sử dụng Các vỏ khoang thường là các kết cấu dạng vỏ trơn, vỏ gia cường, vỏ nhiều lớp Trong thực tế chế tạo tên lửa, vỏ có các gân gia cường được áp dụng rộng rãi nhất

1.1.2 Tải trọng tác động lên vỏ khoang tên lửa

Các tải tác động lên vỏ khoang tên lửa dưới âm chủ yếu là các tải cơ học gồm (hình 1.4): áp lực khí động phân bố trên bề mặt vỏ, tải phân bố do khoang phía trước, trọng lực và lực quán tính của bản thân vỏ khoang, tải trọng của các thiết bị

Hình 1.4 Các tải trọng tác động lên khoang tên lửa

1.1.3 Thiết kế tối ưu vỏ khoang tên lửa

Thiết kế vỏ khoang tên lửa theo phương pháp thông thường (hình 1.10) có nhược điểm là chất lượng thiết kế phụ thuộc kinh nghiệm, khó có khả năng tự động hóa Thiết kế vỏ khoang theo phương pháp tối ưu (hình 1.11) có các ưu điểm chính: có thể toán học hóa ở dạng một quy hoạch với các ràng buộc dạng bất đẳng thức, không phụ thuộc quá nhiêu vào người thiết kế Bài toán thiết kế tối ưu vỏ khoang tên lửa có đặc điểm sau: các biến thiết kế đa dạng, hàm mục tiêu là khối lượng kết cấu, các ràng buộc là

độ bền và ổn định Thiết kế tối kết cấu được chia thành hai bài toán: tối ưu cấu trúc xác định cấu hình tối ưu của kết cấu; tối ưu tham số tìm các tham

số tối ưu của các phần tử kết cấu

1.2 Tổng quan nghiên cứu về thiết kế tối ưu vỏ khoang tên lửa

1.2.1 Thiết lập bài toán tối ưu

Bài toán thiết kế tối ưu được thiết lập trên cơ sở các mô hình mô tả đối tượng thiết kế và phương pháp phân tích kết cấu

Có nhiều dạng mô hình mô tả đối tượng thiết kế khác nhau Mô hình trực tiếp sử dụng biến thiết kế là kích thước của đối tượng thiết kế, mô hình này khó thiết lập được không gian tìm kiếm đầy đủ Mô hình giàn coi kết cấu là hệ thanh, biến thiết kế là sự có mặt hay không của các thanh Mô hình đen trắng sử dụng biến thiết kế là có hay không vật liệu trong phần tử hữu hạn Sử dụng các mô hình này không có khả năng mở rộng, dễ suy biến Mô hình đồng nhất sử dụng biến thiết kế là các tham số vi cấu trúc của phần tử hữu hạn Nó có nhược điểm tính toán phức tạp, độ chính xác không cao Mô hình liên tục sử dụng biến thiết kế là mật độ trong mỗi một phần tử hữu hạn Sử dụng mô hình này nhanh chóng, thuận tiện, có khả

Kiểm tra

đánh giá

Thông số ban đầu

Tính toán tải trọng, hệ số an toàn

Lựa chọn sơ đồ kết cấu

Lựa chọn các tham số của phần tử

Kết cấu tối ưu

Hình 1.10 Sơ đồ quá trình thiết kế

thông thường

Hình 1.11 Sơ đồ quá trình thiết kế tối ưu

năng cải tiến và hiện nay mô hình này được sử dụng rộng rãi nhất

Để phân tích kết cấu có thể sử phương pháp giải tích, sử dụng các công thức kinh nghiệm, phương pháp số Phương pháp hiệu quả để phân tích kết cấu vỏ là các phương pháp số đặc biệt là phương pháp PTHH

1.2.2 Các phương pháp giải bài toán tối ưu kết cấu

Các phương pháp giải bài toán tối ưu kết cấu chịu lực rất đa dạng và phong phú, chúng có thể được phân chia theo sơ đồ hình 1.13

Hình 1.13 Sơ đồ phân loại các phương pháp giải bài toán tối ưu

Các phương pháp trên cơ sở đạo hàm phải tính đạo hàm riêng của hàm mục tiêu và các hàm ràng buộc đối với biến thiết kế Trong nhóm bao gồm các phương pháp: quy hoạch toán học; tiêu chuẩn tối ưu Phương pháp quy hoạch toán học tìm nghiệm tối ưu trong miền thiết kế bằng cách từ điểm thiết kế hiện tại tìm hướng đi tới điểm tốt hơn Nhóm này bao gồm các phương pháp: gradient, hướng có thể, bước lựa chọn, hướng ngẫu nhiên… Chúng có ưu điểm là có thể giải quyết hầu hết các bài toán thiết kế tối ưu Tuy nhiên chúng có nhược điểm số lượng vòng lặp lớn, phải tính toán các đạo hàm Các phương pháp tiêu chuẩn tối ưu xuất phát từ điều kiện tồn tại cực trị của hàm Lagrange Chúng có ưu điểm chính là gắn với ý nghĩa vật lý rõ ràng, chặt chẽ, hội tụ nhanh, lập trình đơn giản Tuy nhiên khó chứng minh tính hội tụ của lời giải, phạm vi áp dụng hẹp

Các phương pháp trên cơ sở quy luật kinh nghiệm sử dụng các thuật toán dựa trên các quy luật mang tính xu hướng đúc kết từ thực tiễn Trong nhóm này gồm có: các phương pháp tiên hóa kết cấu, các phương pháp dựa trên các quy luật tự nhiên Các phương pháp tiên hóa kết cấu cho rằng có thể loại bỏ bớt một số phần vật liệu không được sử dụng hiệu quả Các phương pháp này hết sức đơn giản và dễ dàng thực hiện Chúng có nhược điểm: không chắc chắn có thể tìm được lời giải tối ưu, không giải được bài toán chịu ràng buộc ổn định Các phương pháp trên cơ sở mô phỏng các quá trình tự nhiên làm việc chỉ dựa trên giá trị của hàm mục tiêu và các ràng buộc Trong nhóm này có các nhóm phương pháp chính là: thuật toán tiến hóa, tối ưu bầy đàn, thuật toán mô phỏng luyện kim, thuật toán đàn kiến… Các phương pháp này có ưu điểm: có thể giải quyết được hầu hết

Các phương pháp tối ưu kết cấu

Các phương pháp trên cơ sở

Mô phỏng tự nhiên

các bài toán tối ưu, tìm được nghiệm toàn miền, không yêu cầu các quan hệ tường minh, tính toán tương đối đơn giản Nhược điểm chính của chúng là khối lượng tính toán lớn, tốc độ hội tụ của thuật toán là không xác định

1.2.3 Những tồn tại và hướng nghiên cứu của luận án

Việc giải quyết một cách toàn diện và đầy đủ bài toán thiết kế tối ưu kết cấu mới chỉ phổ biến cho các kết cấu đơn giản dạng khung, giàn… Đối với các kết cấu phức tạp như vỏ khoang tên lửa việc tính toán thiết kế tối

ưu vẫn còn khá hạn chế Để góp phần giải quyết các hạn chế này, NCS lựa

chọn đề tài “Nghiên cứu phương pháp thiết kế tối ưu kết cấu khoang tên

lửa đối hải dưới âm” với mục đích xây dựng được các phương pháp hiệu

quả trong thiết lập, giải quyết bài toán tối ưu cấu trúc và tham số kết cấu cho vỏ khoang tên lửa chịu đồng thời các ràng buộc độ bền và ổn định 1.3 Kết luận chương 1

Trong chương tổng quan đã chỉ ra các yêu cầu kỹ thuật chủ yếu đối với vỏ khoang tên lửa và các dạng kết cấu chính của chúng cũng như tải trọng tác động lên chúng; các đặc điểm chính của quá trình thiết kế vỏ khoang tên lửa bằng phương pháp thông thường và phương pháp tối ưu Đã làm rõ sự phát triển, ưu nhược điểm của các mô hình vật lý và các phương pháp phân tích kết cấu Cũng đã phân tích và đánh giá các phương pháp được áp dụng để giải quyết bài toán tối ưu kết cấu chịu lực Trên cơ sở các phân tích đã chỉ ra các vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu, giải quyết, từ đó xác định được mục tiêu, nội dung và phương hướng nghiên cứu của luận án Chương 2 TỐI ƯU CẤU TRÚC VỎ KHOANG TÊN LỬA Tối ưu cấu trúc vỏ khoang tên lửa nhằm tìm kiếm sơ đồ kế cấu vỏ khoang Bài toán phát biểu như sau: cho các thông số kích thước giới hạn; tải trọng tác dụng, yêu cầu xác định được phân bố vật liệu sao cho vỏ đảm bảo độ bền và độ ổn định với khối lượng nhỏ nhất Các giả thiết cho bài toán tối ưu cấu trúc vỏ khoang tên lửa: vật liệu đàn hồi, đồng nhất, đẳng hướng; ứng xử của kết cấu là đàn hồi tuyến tính; tải trọng được tính cho một trường hợp tải lớn nhất

2.1 Thiết lập bài toán tối ưu cấu trúc vỏ khoang tên lửa

2.1.1 Mô hình vật lý và biến thiết kế

Để thiết lập bài toán sử dụng mô hình vật rắn biến dạng có mật độ

thay đổi, coi vật liệu trong kết cấu có dạng xốp đặc trưng bởi mật độ ρ, đặc

tính cơ học của vật liệu được coi là tỷ lệ thuận với mật độ:

trong đó: E, E, σ cp,cp: mô đun đàn hồi, giới hạn bền khi vật liệu có mật

độ bằng ρ và bằng đơn vị Biến thiết kế là mật độ của vật liệu trong mỗi một phần tử:

với n: số lượng phần tử hữu hạn và là số lượng biến thiết kế

Ràng buộc về biến thiết kế được cho như sau:

Bằng các thuật toán của phương pháp PTHH ta tính toán được các

ma trận độ cứng [K], véc tơ lực nút {Q}, giải hệ phương trình cân bằng: [K]{d}={Q}, xác định được chuyển vị nút từ đó tính được giá trị ứng suất

tương đương tại một điểm bất kỳ trong kết cấu Ràng buộc về độ bền được cho dưới dạng:

Từ giá trị ứng suất tính được ma trận độ cứng hình học [K G], giải bài

toán trị riêng ([K]-λ[K G ]){ψ}=0 xác định được các hệ số ổn định λ j và véc

tơ dạng mất ổn định {ψ} j tương ứng Điều kiện ổn định cho dưới dạng sau:

2.2 Phương pháp giải bài toán tối ưu cấu trúc vỏ khoang tên lửa

2.2.1 Lựa chọn phương pháp giải

Bài toán tối ưu cấu trúc vỏ có số lượng biến thiết kế và các ràng buộc lớn, quan hệ giữa các ràng buộc với biến thiết kế phức tạp nên sử dụng phương pháp tiêu chuẩn tối ưu là phù hợp hơn cả

2.2.2 Tối ưu cấu trúc chịu ràng buộc độ bền

Chỉ chỉ chịu ràng buộc độ bền thì chỉ có các điều kiện đối với ứng

suất Để giải bài toán ta sử dụng nguyên lý bền đều: “Đối với bài toán cực

tiểu hóa trọng lượng kết cấu chịu ràng buộc về ứng suất, ở trạng thái tối ưu ứng suất cực đại trong các phần tử đều đạt đến ứng suất cho phép” Khi đó

hàm tiêu chuẩn tối ưu được tính như sau:

2.2.3 Tối ưu cấu trúc chịu ràng buộc ổn định

Khi chỉ có ràng buộc ổn định thì hàm tiêu chuẩn tối ưu cho bài toán được viết dưới dạng:

2.2.4 Tối ưu cấu trúc chịu ràng buộc độ bền và ổn định

Phương pháp giải bài toán là sự kết hợp của tối ưu câu trúc chịu ràng buộc độ bền và tối ưu cấu trúc chịu ràng buộc ổn định Nguyên lý bền đều được sử dụng để xác định giới hạn biến thiết kế cho bài toán tối ưu cấu trúc chịu ràng buộc ổn định Sơ đồ thuật giải được cho trong hình 2.2

Hình 2.2: Sơ đồ giải thuật giải bài toán tối ưu tổng quát

Giá trị của biến thiết kế trong vòng lặp thứ (g) theo công thức sau:

Việc xác định nhân tử Lagrange được tiến hành theo vòng lặp (k) với

giả thiết trạng thái ứng suất không đổi

Begin Khởi tạo miền thiết kế

2.3 Xây dựng chương trình và áp dụng tính toán

2.3.1 Xây dựng chương trình số

Chương trình số được xây dựng bằng phần mềm Matlab Số liệu đầu vào gồm: thông số hình học giới hạn, đặc trưng vật liệu, tải trọng, điều kiện biên Kết quả đầu ra gồm: ảnh đồ phân bố vật liệu trong kết cấu tối ưu, biểu

đồ tiêu chuẩn hội tụ theo vòng lặp, hệ số tối ưu

2.3.2 Kiểm tra tính chính xác của mô đun phân tích kết cấu

Kiểm tra tiến hành bằng cách so sánh kết quả phân tích kết cấu đơn giản bằng phần mềm ANSYS và chương trình tự xây dựng Mô hình kết cấu cho trong hình 2.3, các thông đầu vào cho trong bảng 2.1

Các kết quả dạng ảnh đồ cho trong hình 2.4, 2.5, 2.6, 2.7, kết quả dạng số tổng hợp trong bảng 2.2

Hình 2.4 Ảnh đồ chuyển vị tổng khi phân

Hình 2.3 Mô hình kết cấu đối chứng

Bảng 2.1 Các thông số đầu vào

TTTham số Ký hiệu Đơn vị Giá trị

Bảng 2.2 Các kết quả kiểm tra

TT Đặc tính ANSYS Chương trình Sai lệch (%)

Kết quả: Trường hợp 1 hệ số tối ưu đạt 0,8022; biểu đồ hội tụ và ảnh đồ

phân bố vật liệu cho trong hình 2.9, 2.10

Trường hợp 2 hệ số tối ưu đạt 0,9356; biểu đồ hội tụ và ảnh đồ phân bố vật liệu cho trong hình 2.8

Hình 2.8 Dạng hình học và điều kiện tải trọng

Bảng2.3 Các tham số đầu vào

TTTham số Kí hiệu Đơn vị Giá trị

Từ kết quả trên nhận thấy bài toán hội tụ nhanh, chương trình tính toán chạy ổn định; kết quả cho thấy rõ các vùng tập trung vật liệu, từ đó có thể xây dựng cấu hình vỏ phù hợp với các tài liệu kinh nghiệm sử dụng trong thiết kế kết cấu vỏ

2.3.4 Tối ưu cấu trúc vỏ khoang chiến đấu tên lửa đối hải dưới âm điển hình

Bài toán nhằm xác định sơ đồ kết cấu tối ưu cho vỏ có điều kiện làm việc tương tự như vỏ KCĐ của một loại tên lửa đối hải điển hình Vỏ có dạng trụ một đầu ngàm, một đầu tự do, các kích thước giới hạn là đường kính trong, ngoài và chiều dài, vật liệu hợp kim nhôm Aмг6 Tải trọng, lấy

ở thời điểm nguy hiểm nhất là khi tên lửa ra khỏi ống phóng (bảng 2.10, 2.11, 2.12) Giới hạn ổn định lấy bằng hệ số ổn định của kết cấu mẫu

Bảng 2.10 Giá trị lực phân bố trên mặt đầu của KCĐ

Lực phân bố q z (N/m) q y (N/m) q x (N/m)

Bảng 2.11 Cường độ tải trọng khối tác dụng lên vỏ KCĐ

Cường độ tải trọng khối n kz (m/s2) n ky (m/s2) n kx (m/s2)

Bảng 2.12 Giá trị tải trọng gây ra do vật nhồi trong KCĐ

Tải trọng vật nhồi P nz (N) P ny (N) P nx (N)

Mô hình hình học, tải trọng, điều kiện biên như hình 2.14

Hình 2.14 Mô hình hình học tải trọng của KCĐ

Kết quả biểu đồ tiêu chuẩn hội tụ, ảnh đồ phân bố vật liệu tối ưu

trong vỏ khoang như hình 2.15, 2.16, với hệ số tối ưu h qm=0,8126

Hình 2.15 Biểu đồ tiêu chuẩn hội tụ theo

vòng lặp khi tối ưu KCĐ

Hình 2.16 Ảnh đồ phân bố vật liệu tối ưu

trong kết cấu vỏ KCĐ