Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố đến tác dụng xuyên của đầu đạn xuyên thép

Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu trạng thái và chuyển động ứng suất, biến dạng, vận tốc, giatốc,… của vật liệu đầu đạn và mục tiêu trong quá trình va xuyên; ảnh hưởngcủa các yếu tố kết cấu

NGUYỄN QUANG DŨNG

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ

ĐẾN TÁC DỤNG XUYÊN CỦA ĐẦU ĐẠN XUYÊN THÉP

Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật

Mã số: 9.52.01.01

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 TS Trần Bá Tấn

2 PGS.TS Trần Đình Thành

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các sốliệu, kết quả nêu trong luận án là trung thực Những kết luận khoa học củaluận án chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận án

Nguyễn Quang Dũng

LỜI CẢM ƠN

Tác giả luận án xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành, sâu sắc đối với TSTrần Bá Tấn và PGS.TS Trần Đình Thành đã tận tình giúp đỡ, có nhiều chỉdẫn và định hướng khoa học giá trị giúp cho tác giả hoàn thành luận án này.Tác giả xin chân thành cảm ơn các nhà khoa học trong và ngoài Quânđội, các đồng nghiệp đã cung cấp cho tác giả nhiều tài liệu và các kiến thứckhoa học cần thiết Tác giả trân trọng cảm ơn Thủ trưởng Học viện Kỹ thuậtQuân sự, Bộ môn Đạn, Khoa Vũ khí, Phòng Sau Đại học đã tạo mọi điềukiện thuận lợi cho tác giả trong quá trình thực hiện luận án

Tác giả trân trọng cảm ơn Thủ trưởng Tổng cục Công nghiệp Quốcphòng, Nhà máy Z113/ Tổng cục Công nghiệp Quốc phòng, Trung tâm Kỹthuật Vũ khí/ Học viện Kỹ thuật Quân sự đã giúp đỡ tác giả trong quá trìnhthử nghiệm phục vụ luận án

Cuối cùng, tác giả bày tỏ lòng cảm ơn đối với những người thân tronggia đình đã luôn khích lệ tinh thần, tạo điều kiện cho tác giả hoàn thành luận án

Tác giả luận án

Nguyễn Quang Dũng

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC CÁC BẢNG vii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, BIỂU ĐỒ ix

MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH VA XUYÊN CỦA ĐẦU ĐẠN VÀO MỤC TIÊU 6

1.1 Khái quát về sự va xuyên của đầu đạn vào mục tiêu 6

1.1.1 Khái quát đầu đạn, mục tiêu 6

1.1.1.1 Đầu đạn 6

1.1.1.2 Mục tiêu 7

1.1.2 Các hiện tượng vật lý xảy ra trong quá trình va xuyên khi vận tốc chạm lớn 10

1.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình va xuyên của đầu đạn vào mục tiêu và các dạng phá hủy 13

1.1.3.1 Ảnh hưởng của tính chất vật liệu và kết cấu đầu đạn 13

1.1.3.2 Ảnh hưởng của điều kiện va chạm 14

1.1.3.3 Ảnh hưởng của tính chất vật liệu và kết cấu mục tiêu 14

1.1.3.4 Các dạng phá hủy đầu đạn và tấm thép trong quá trình va xuyên 14

1.2 Tổng quan về các công trình nghiên cứu 17

1.2.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 17

1.2.2 Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam 22

1.3 Những tồn tại của vấn đề nghiên cứu và hướng giải quyết 23

1.3.1 Những tồn tại của vấn đề nghiên cứu 23

1.3.2 Hướng nghiên cứu giải quyết các vấn đề tồn tại 26

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC MÔ TẢ QUÁ TRÌNH

VA XUYÊN CỦA ĐẦU ĐẠN VÀO MỤC TIÊU 28

2.1 Mô hình toán học mô tả tính tăng bền của vật liệu khi chịu tải trọng tốc độ cao 28

2.1.1 Ảnh hưởng của tốc độ đặt tải đến tính chất cơ học của vật liệu .28

2.1.2 Một số mô hình toán học mô tả tính tăng bền của vật liệu khi chịu tải trọng tốc độ cao 30

2.2 Xây dựng mô hình toán học mô tả quá trình va xuyên của đầu đạn vào mục tiêu kể đến tính tăng bền vật liệu khi chịu tải trọng tốc độ cao .32

2.3 Phương pháp giải hệ phương trình mô tả quá trình va xuyên của đầu đạn vào mục tiêu 43

2.3.1 Rời rạc hóa không gian theo phương pháp phần tử hữu hạn 44

2.3.2 Rời rạc hóa thời gian 48

2.3.3 Phương pháp giải Explicit Dynamic 50

2.3.4 Thuật toán tiếp xúc – va chạm 52

2.4 Phần mềm ANSYS AUTODYN 55

2.5 Mô phỏng va xuyên của đầu đạn với tấm thép bề dày hữu hạn bằng phần mềm ANSYS AUTODYN 58

Kết luận chương 2 68

CHƯƠNG 3: KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ ĐẾN TÁC DỤNG XUYÊN CỦA ĐẦU ĐẠN XUYÊN 70

3.1 Chuẩn bị mô phỏng 70

3.1.1 Mô hình hình học đầu đạn 70

3.1.2 Xác định mô hình vật liệu các thành phần đầu đạn 71

3.1.3 Xây dựng mô hình phần tử hữu hạn đầu đạn 75

3.2 Ảnh hưởng của bề dày mục tiêu đến tác dụng xuyên của đầu đạn 76

3.3 Ảnh hưởng của kết cấu mục tiêu đến tác dụng xuyên của đầu đạn 81

3.3.1 Ảnh hưởng của kết cấu ghép lớp 81

3.3.2 Ảnh hưởng của sự tăng cứng bề mặt mục tiêu 86

3.4 Ảnh hưởng của tính chất vật liệu mục tiêu đến tác dụng xuyên của đầu đạn 90

3.5 Ảnh hưởng điều kiện va chạm đến tác dụng xuyên của đầu đạn 93

3.5.1 Ảnh hưởng của vận tốc chạm 93

3.5.2 Ảnh hưởng của góc chạm 101

CHƯƠNG 4: THỬ NGHIỆM TÁC DỤNG XUYÊN CỦA ĐẦU ĐẠN XUYÊN VÀO MỤC TIÊU 107

4.1 Mục đích thử nghiệm 107

4.2 Mô tả thử nghiệm 107

4.2.1 Phân tích lựa chọn mô hình thử nghiệm 107

4.2.2 Thiết bị thử nghiệm 108

4.2.3 Trình tự tiến hành thử nghiệm 110

4.3 Kết quả thử nghiệm 117

4.4 Phân tích, so sánh kết quả thử nghiệm với tính toán mô phỏng 116

4.4.1 So sánh ảnh hưởng của bề dày mục tiêu đến tác dụng xuyên thử nghiệm và tính toán mô phỏng 116

4.4.2 So sánh ảnh hưởng của góc chạm đến tác dụng xuyên thử nghiệm và tính toán mô phỏng 119

4.4.3 So sánh giá trị vận tốc tới hạn xuyên thủng bản thép thử nghiệm và tính toán mô phỏng 121

KẾT LUẬN 124

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 129

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 130

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

Các thành phần của tenxơ tốc độ biến dạng

Các thành phần của tenxơ biến dạng

Các thành phần của tenxơ ứng suất

Áp suất

E Nội năng

Các thành phần của tenxơ tốc độ biến dạng đàn hồi

Các thành phần của tenxơ tốc độ biến dạng dẻo

Các thành phần của tenxơ lệch ứng suất

Bảng 1.2 Ứng xử của vật liệu theo vận tốc chạm 12

Bảng 3.3 Tham số vật liệu vỏ đầu đạn (mô hình Johnson – Cook) 74

Bảng 3.4 Tham số vật liệu lõi xuyên (mô hình Johnson – Cook) 75Bảng 3.5 Tham số vật liệu áo chì (mô hình Steinberg Guinan) 75

chạm 600 m/s ÷ 700 m/s); Kmptrung bình = 1401 98Bảng 3.17 Kết quả tính bề dày tới hạn của bản thép (khoảng vận tốc

Bảng 3.18 Kết quả tính bề dày tới hạn của bản thép; Kmptrung bình = 1231 100Bảng 3.19 Vận tốc còn lại của đầu đạn sau khi xuyên qua tấm thép

Bảng 4.1 Kết quả xác định vận tốc đầu đạn bằng máy đo quang Mibus 113Bảng 4.2 Kết quả kiểm tra đặc điểm kích thước vết xuyên 113Bảng 4.3 Kết quả vận tốc đầu đạn sau khi xuyên thủng mục tiêu 114Bảng 4.4 Kết quả kiểm tra đặc điểm kích thước vết xuyên 115Bảng 4.5 Kết quả vận tốc của đầu đạn sau khi xuyên thủng mục tiêu 115Bảng 4.6 Kết quả vận tốc tới hạn xuyên thủng mục tiêu 116Bảng 4.7 So sánh kết quả thử nghiệm và mô phỏng vận tốc còn lại của

đầu đạn sau khi xuyên theo bề dày mục tiêu (vận tốc chạm 716,8 m/s) 117Bảng 4.8 So sánh kết quả thử nghiệm và mô phỏng vận tốc còn lại của

đầu đạn sau khi xuyên theo góc chạm (vận tốc chạm 697,3 m/s) 119Bảng 4.9 So sánh kết quả thử nghiệm và tính toán mô phỏng xác định

Hình 1.2 Kết cấu một số dạng tấm thép liên hợp 7Hình 1.3 Cấu trúc một số loại giáp chống đạn 8

Hình 2.1 Biến đổi hệ số  theo tốc độ đặt tải 28Hình 2.2 Biến đổi giới hạn chảy động theo vận tốc chạm 29Hình 2.3 Mô hình vật lý thời điểm đầu đạn chạm mục tiêu 33

Hình 2.16 Lực cản tác dụng lên đầu đạn trong quá trình va xuyên 60Hình 2.17 Vận tốc, gia tốc đầu đạn trong quá trình va xuyên 61Hình 2.18 Vận tốc và gia tốc nút 2 trên đầu đạn trong quá trình va xuyên 61Hình 2.19 Biến dạng của đầu đạn và mục tiêu trong quá trình va xuyên 62Hình 2.20 Phân bố áp suất trong vật liệu đầu đạn và mục tiêu 63Hình 2.21 Thay đổi áp suất tại một số phần tử trong mục tiêu 64Hình 2.22 Thay đổi áp suất tại một số phần tử trong đầu đạn 65Hình 2.23 Thay đổi biến dạng dài lớn nhất tại một số phần tử mục tiêu 66Hình 2.24 Thay đổi biến dạng dẻo tại một số phần tử mục tiêu 66Hình 2.25 Thay đổi tốc độ biến dạng dẻo tại một số phần tử mục tiêu 67Hình 2.26 Thay đổi giới hạn chảy động tại một số phần tử mục tiêu 67Hình 3.1 Đầu đạn xuyên 7,62x39mm (K56) đầu lõi thép kiểu M43 71

Hình 3.3 Đầu đạn xuyên 7,62x39 mm (K56) đầu lõi thép kiểu M43 72

Hình 3.4 Mô hình phần tử hữu hạn của đầu đạn 75Hình 3.5 Mô hình toàn phần (a) và đối xứng (b) tại thời điểm đầu đạn

Hình 3.6 Một số hình ảnh mô phỏng quá trình đầu đạn xuyên qua tấm

Hình 3.7 Kết quả vận tốc còn lại của đầu đạn sau khi xuyên qua bản

Hình 3.8 Biểu đồ quan hệ vận tốc còn lại của đầu đạn sau khi xuyên

Hình 3.9 Hai tấm mục tiêu cách nhau 2d, 3d (mm) (mỗi tấm dày 2,5 mm) 82Hình 3.10 Một số hình ảnh mô phỏng quá trình đầu đạn xuyên qua

2 tấm thép dày 2,5mm cách nhau 15,24 mm (2d) 84Hình 3.11 Kết quả vận tốc còn lại của đầu đạn sau khi xuyên qua 2

Hình 3.12 Biểu đồ quan hệ vận tốc còn lại của đầu đạn sau khi xuyên

Hình 3.13 Một số hình ảnh mô phỏng quá trình đầu đạn xuyên qua

bản thép dày 10 mm, tôi cứng 5 mm bề mặt đạt 325HB 87Hình 3.14 Kết quả vận tốc còn lại của đầu đạn sau khi xuyên qua bản

thép dày 10mm, tôi cứng 5mm bề mặt đạt 325 HB 89Hình 3.15 Biểu đồ quan hệ vận tốc còn lại của đầu đạn sau khi xuyên

Hình 3.16 Một số hình ảnh mô phỏng quá trình đầu đạn xuyên qua

Hình 3.17 Kết quả vận tốc còn lại của đầu đạn sau khi xuyên qua tấm

Hình 3.18 Hình ảnh và kết quả mô phỏng đầu đạn xuyên thủng

tấm thép CT3 dày 5mm, tương ứng với vận tốc chạm 268 m/s 94Hình 3.19 Biểu đồ quan hệ bề dày tới hạn của tấm thép với vận tốc

thép dày 8 mm với góc chạm 200 102Hình 3.22 Biểu đồ quan hệ vận tốc còn lại của đầu đạn sau khi xuyên

Hình 3.23 Hình ảnh mô phỏng đạn không xuyên, trượt trên bề mặt

mục tiêu tương ứng các góc chạm 600 (a), 700 (b)và 800 (c) 104Hình 4.1 Quá trình quan sát và phân tích dữ liệu 109

Hình 4.3 Gá lắp chắc chắn bia trên giá đỡ (a) và hệ thống camera (b) 111Hình 4.4 Thực hiện bắn (a) và đo kích thước vết xuyên (b) 111Hình 4.5 Mục tiêu dày 8 mm được gá thẳng đứng và gá nghiêng 112Hình 4.6 Vết xuyên mặt trước và sau mục tiêu dày 5 mm 113Hình 4.7 Vết xuyên mặt trước và sau mục tiêu dày 10 mm 114Hình 4.8 Vết xuyên mặt trước và sau mục tiêu dày 12 mm 114Hình 4.9 Vết xuyên mặt trước và sau mục tiêu dày 8 mm 115Hình 4.10 Đầu đạn kẹt lại trong mục tiêu dày 18 mm 116Hình 4.11 So sánh kết quả thử nghiệm và mô phỏng biểu đồ quan hệ

vận tốc còn lại sau xuyên của đầu đạn với bề dày tấm thép 117Hình 4.12 Hình ảnh mô phỏng đầu đạn xuyên qua bia dày 10 mm 118Hình 4.13 So sánh kết quả thử nghiệm và mô phỏng biểu đồ quan hệ

vận tốc còn lại sau xuyên của đầu đạn với góc chạm 119Hình 4.14 Đầu đạn xuyên qua mục tiêu dày 8 mm nghiêng góc 1100

MỞ ĐẦU

1 Lý do lựa chọn đề tài luận án

Mục tiêu hiện đại hóa, tăng cường sức mạnh chiến đấu của Quân độiđược chỉ rõ trong chủ trương, đường lối lãnh đạo của Đảng Để thực hiện mụctiêu hiện đại hóa, nâng cao năng lực tác chiến đảm bảo hoàn thành thắng lợinhiệm vụ bảo vệ Tổ quốc thì hiện đại hóa vũ khí, trang bị là nhu cầu tất yếu.Hiện nay, trang bị phòng hộ cho người lính, bảo vệ cho xe tăng có bướcphát triển vượt bậc như các loại áo giáp, xe chiến đấu bộ binh thế hệ mới cókhối lượng giảm nhưng khả năng chống đạn tốt hơn, giáp bảo vệ xe tăng chủđộng, thụ động… Song song với sự phát triển của phương tiện bảo vệ là sựphát triển của những hệ thống vũ khí với các loại đầu đạn có khả năng xuyênlớn hơn Với ưu thế trên, lực lượng lục quân của các nước Mỹ, Nga,…đã thểhiện sức mạnh vượt trội trên chiến trường trong các cuộc xung đột gần đây.Với thực tế này, muốn hiện đại hóa vũ khí, trang bị đáp ứng nhiệm vụcủa Quân đội trong tình hình mới thì việc trang bị các hệ thống vũ khí có uylực xuyên lớn và các trang bị phòng hộ, bảo vệ tiên tiến là một trong nhữngnội dung cấp thiết Tuy nhiên, những vũ khí, trang bị như thế thường khó muahoặc có giá thành rất cao Vì vậy, yêu cầu nền công nghiệp quốc phòng trongnước từng bước tự chủ nghiên cứu, thiết kế, chế tạo được các sản phẩm này.Nhiệm vụ đó đã được đặt ra từ nhiều năm và ngày càng trở nên cấp bách

Để giải quyết tốt được nhiệm vụ trên cần phải nghiên cứu, tính toán địnhlượng các yếu tố ảnh hưởng tới kết quả của quá trình đầu đạn va xuyên vàomục tiêu nói chung hay tác dụng xuyên nói riêng làm cơ sở định hướng, đềxuất hay đánh giá trong thiết kế chế tạo các mẫu vũ khí, trang bị phòng hộmong muốn… Các vấn đề này được thực hiện công phu, lâu dài và liên tụcphát triển ở các nước tiên tiến với kết quả thể hiện là các vũ khí, trang bị với

ưu thế vượt trội, nhưng do đặc thù bí mật quân sự nên chúng ta không có khả

năng tiếp cận nhiều.

Mặt khác, những nghiên cứu, tìm hiểu trong nước về các vấn đề này cònhạn chế, chủ yếu chỉ ở mức định tính, tính ứng dụng thấp, khó đáp ứng nhiệm

vụ đặt ra

Từ những lý do như vậy, việc lựa chọn đề tài “ Nghiên cứu ảnh hưởng

của một số yếu tố đến tác dụng xuyên của đầu đạn xuyên thép” có tính cấp

thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn góp phần giải quyết nhiệm vụ đặt ra

2 Mục đích nghiên cứu của luận án

Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố đến tác dụng xuyên của đầuđạn xuyên thép, làm cơ sở khoa học phục vụ cho thiết kế, sản xuất hay đánhgiá các mẫu đạn xuyên mới, các trang bị phòng hộ mới…đáp ứng các yêu cầucủa Quân đội

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án

Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của luận án là hệ đầu đạn – mục tiêu, trong đó tậptrung vào đầu đạn có lõi xuyên bằng thép cứng, trường hợp cụ thể đầu đạnxuyên lõi thép cứng cỡ 7,62 mm do Nhà máy Z113 sản xuất, mục tiêu có dạngtấm phẳng bằng thép

Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu trạng thái và chuyển động (ứng suất, biến dạng, vận tốc, giatốc,…) của vật liệu đầu đạn và mục tiêu trong quá trình va xuyên; ảnh hưởngcủa các yếu tố kết cấu, vật liệu mục tiêu và điều kiện va chạm tới tác dụngxuyên của đầu đạn

4 Nội dung và cấu trúc luận án

Luận án gồm có phần mở đầu, 04 chương chính và phần kết luận, danhmục các công trình nghiên cứu của tác giả, các tài liệu tham khảo và phụ lục

Phần mở đầu: Nêu lên tính cấp thiết, mục đích, đối tượng, phạm vi và

phương pháp nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài, nội dung

và cấu trúc của luận án.

Chương 1 Tổng quan về quá trình va xuyên của đầu đạn vào mục tiêu

Phân tích, đánh giá những nghiên cứu về quá trình va xuyên của đầu đạnvào mục tiêu nói chung và những nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố đếntác dụng xuyên của đầu đạn xuyên thép trên thế giới và trong nước Nêu ravấn đề tồn tại chưa được giải quyết Từ đó đưa ra hướng giải quyết và đề xuấtmục tiêu, nội dung của luận án

Chương 2 Xây dựng mô hình toán học mô tả quá trình va xuyên của

đầu đạn vào mục tiêu

Ứng dụng các lý thuyết cơ học và các nghiên cứu về tính chất vật liệuđầu đạn, mục tiêu trong quá trình va xuyên để xây dựng mô hình toán học mô

tả chuyển động và trạng thái vật liệu đầu đạn và mục tiêu trong quá trình vaxuyên kể đến tính tăng bền vật liệu khi chịu tải trọng tốc độ cao Xác định sơ

đồ thuật toán giải bằng phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) và ứng dụngphần mềm ANSYS AUTODYN để giải bài toán đặt ra

Chương 3 Khảo sát ảnh hưởng của một số yếu tố đến tác dụng xuyên

của đầu đạn xuyên thép

Nghiên cứu xác định dữ liệu vật liệu đầu đạn xuyên lõi thép cứng cỡ7,62 mm và mục tiêu tấm thép trong quá trình va xuyên để khảo sát ảnhhưởng của các yếu tố tính chất vật liệu mục tiêu, kết cấu mục tiêu, vận tốcchạm, góc chạm đến tác dụng xuyên, từ đó đánh giá mẫu đạn mới trong trang

bị này Đưa ra một số đề xuất định hướng thiết kế, chế tạo đạn xuyên cỡ nhỏcũng như kết cấu trang bị phòng hộ

Thông qua các kết quả tính toán, đề xuất hệ số đặc trưng độ cứng vật cản

K trong công thức Giacốp-Đơ-Mar cho trường hợp đầu đạn xuyên lõi thép

cứng cỡ 7,62 mm va xuyên vào mục tiêu tấm thép độ cứng thấp, phục vụ tínhtoán tác dụng xuyên bằng phương pháp kỹ thuật

Chương 4 Thử nghiệm tác dụng xuyên của đầu đạn vào mục tiêu.

Thực hiện thử nghiệm xác định các thông số đánh giá tác dụng xuyêncho một số trường hợp đã tính toán mô phỏng trong chương 3 để so sánh,

khẳng định tính tin cậy của kết quả nghiên cứu và khả năng ứng dụng phầnmềm ANSYS AUTODYN giải bài toán va xuyên của đầu đạn vào mục tiêu.

Phần kết luận nêu các kết quả nghiên cứu chính và mới của luận án, các

hướng phát triển nghiên cứu tiếp theo

Phần phụ lục bao gồm các tài liệu nghiệm thu đạn 7,62 mm lõi thép

cứng do Nhà máy Z 113 sản xuất, kết quả kiểm tra cơ tính tấm thép mục tiêu

và các kết quả thử nghiệm tại trường bắn

Phần tài liệu tham khảo giới thiệu các tài liệu đã được sử dụng tham

khảo chính trong luận án

5 Phương pháp nghiên cứu

Kết hợp giữa phương pháp lý thuyết và thực nghiệm

- Phương pháp lý thuyết: sử dụng lý thuyết cơ học môi trường liên tục, lýthuyết đàn hồi, lý thuyết dẻo và các nghiên cứu về tính chất vật liệu đầu đạn,mục tiêu trong quá trình va xuyên để xây dựng mô hình toán học mô tảchuyển động và trạng thái vật liệu đầu đạn và mục tiêu trong quá trình vaxuyên Ứng dụng phần mềm ANSYS AUTODYN giải mô hình toán học đãxây dựng để khảo sát ảnh hưởng của các yếu tố đến tác dụng xuyên của đầu đạn

- Phương pháp thực nghiệm: sử dụng các kết quả thực nghiệm đã đượccông bố kết hợp với các kết quả nhận được khi thử nghiệm tại trường bắn đểkiểm chứng, đánh giá kết quả tính toán mô phỏng

6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Ý nghĩa khoa học của luận án

- Làm rõ hơn cơ sở khoa học về tương tác giữa đầu đạn và mục tiêu, xâydựng mô hình toán học mô tả quá trình va xuyên của đầu đạn vào mục tiêu có

kể đến tính tăng bền của vật liệu vật liệu khi chịu tải trọng tốc độ cao, làmsáng tỏ quá trình va xuyên của đầu đạn vào mục tiêu thông qua các kết quả

mô phỏng số trên phần mềm ANSYS AUTODYN;

- Phương pháp và quy trình giải bài toán va xuyên của đầu đạn vào mụctiêu nghiên cứu trong luận án để tính toán định lượng ảnh hưởng của các yếu

tố đến tác dụng xuyên làm cơ sở khoa học khi lựa chọn phương án thiết kếcác trang bị phòng hộ hay các mẫu đạn xuyên đáp ứng yêu cầu đặt ra.

Ý nghĩa thực tiễn của luận án

- Phương pháp tính toán trong nghiên cứu bài toán va xuyên giữa đầuđạn vào mục tiêu có thể dùng để khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến tác dụngxuyên của đầu đạn xuyên lõi thép cứng cỡ 7,62mm;

- Các kết quả khảo sát số cùng với các kết quả thực nghiệm góp phầnđánh giá đầy đủ, chính xác uy lực và khả năng sử dụng hiệu quả của đạnxuyên lõi thép cứng cỡ 7,62 mm, mẫu đạn mới trong trang bị của Quân đội;

- Các dữ liệu vật liệu phù hợp với vật liệu đầu đạn xuyên lõi thép cứng

cỡ 7,62mm và mục tiêu tấm thép do luận án xác định được dùng mô phỏngcác bài toán trong luận án nói riêng, đồng thời phương pháp xác định dữ liệuvật liệu do luận án đề xuất có thể được sử dụng cho các vật liệu khác trongđiều kiện chịu tải trọng tương tự;

- Hệ số đặc trưng độ cứng vật cản K trong công thức Giacốp-Đơ-Mar

cho trường hợp đầu đạn xuyên lõi thép cứng cỡ 7,62 mm va xuyên vào mụctiêu tấm thép độ cứng thấp do luận án đề xuất được sử dụng khi tính toán tácdụng va xuyên bằng phương pháp kỹ thuật

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH VA XUYÊN CỦA ĐẦU ĐẠN VÀO MỤC TIÊU 1.1 Khái quát về sự va xuyên của đầu đạn vào mục tiêu

1.1.1 Khái quát đầu đạn, mục tiêu

1.1.1.1 Đầu đạn

Đầu đạn là phần tử chính dùng để giải quyết nhiệm vụ chiến đấu và thựchiện các yêu cầu chiến - kỹ thuật của đạn Đầu đạn có nhiều dạng kết cấu tùytheo công dụng, tính năng [3]

Trong luận án, xem xét đầu đạn tác dụng xuyên (sau đây gọi tắt là đầuđạn xuyên) có lõi xuyên thép cứng Đầu đạn loại này thường dùng để bắnmục tiêu bọc thép nhẹ hoặc các phương tiện kỹ thuật

Đầu đạn xuyên (hình 1.1) có dạng thon dài, phần đuôi có dạng côn hoặcthon Đầu đạn loại này thường có vỏ bằng thép ghép đồng, bên trong có lõibằng thép tôi có độ cứng lớn Giữa thân vỏ và lõi xuyên có đệm một lớp chì

sau đó tôi đến độ cứng 64 ÷ 67 HRC và ủ ở nhiệt độ thấp để khử ứng suất dư

và nâng cao độ bền Điều kiện tốt nhất để bảo đảm độ bền của lõi xuyên khixuyên vào tấm thép là phần mũi có độ cứng cao và độ cứng giảm dần theochiều dài về phía phần đuôi lõi xuyên

1.1.1.2 Mục tiêu

- Với mục tiêu là tấm thép

Theo kết cấu, mục tiêu là tấm thép chia thành nguyên khối và liên hợp.Tấm thép nguyên khối là tấm thép chỉ có một lớp chia thành hai dạng: đồngnhất hoặc không đồng nhất Tấm thép liên hợp là tấm thép có nhiều lớp ghéplại theo cấu trúc đặc biệt và thường có nhiều dạng (hình 1.2)

Hình 1.2 Kết cấu một số dạng tấm thép liên hợpTheo bề dày, mục tiêu được chia thành các loại: mỏng, trung bình, dày,nửa vô tận với cách phân loại tùy theo các đặc tính của quá trình va xuyêngiữa đầu đạn với mục tiêu, sự xuất hiện và phát triển ứng suất, biến dạngtrong vật liệu mục tiêu [1] (bảng 1.1)

Bảng 1.1 Phân loại mục tiêu theo bề dày

Các dạng mục tiêu Các đặc tính của quá trình va xuyên

Mỏng Ứng suất, biến dạng vật liệu không đổi theo bề dày.Trung bình

Bề mặt sau của mục tiêu có ảnh hưởng lớn tới quátrình va xuyên trong suốt thời gian chuyển độngcủa đầu đạn trong vật liệu mục tiêu

Bảng 1.1 Phân loại mục tiêu theo bề dày (tiếp)

Các dạng mục tiêu Các đặc tính của quá trình va xuyên

Dày

Ảnh hưởng của bề mặt sau mục tiêu tới quá trình

va xuyên chỉ sau khi đầu đạn đã đi vào trong mụctiêu một khoảng cách đáng kể

Nửa vô tận Bề mặt sau của mục tiêu không ảnh hưởng tới quá

trình va xuyên

- Với mục tiêu là giáp chống đạn có một số dạng kết cấu [40] (hình 1.3)

Hình 1.3 Cấu trúc một số loại giáp chống đạna) Loại 3 lớp có các thỏi gốm đặt bên trong; b) Loại 2 lớp có bề mặt ngoàibằng gốm; c) Loại 2 lớp có mặt ngoài bằng thép; d) Loại bằng thép nhưng bêntrong có thỏi gốm; 1- lớp ngoài bằng sợi composite; 2- thỏi gốm (hình cầuhoặc hình trụ); 3- lớp bên trong bằng sợi thuỷ tinh; 4- các tấm gốm; 5- lớp caosu; 6- hợp kim nhôm; 7- lớp thép; 8- lớp dưới bằng nhựa thuỷ tinh.Một số vật liệu phổ biến sử dụng để chế tạo các phương tiện bảo vệ cánhân như: kim loại, gốm, composite…

Theo truyền thống, để chống lại các vũ khí có động năng lớn (ví dụ nhưđạn của súng máy, súng trường) có thể sử dụng các phần tử bảo vệ được làm

hoàn toàn từ kim loại hoặc kết hợp kim loại với các vật liệu khác Các kimloại được sử dụng chế tạo các phần tử bảo vệ có thể là thép chống đạn, thép

có độ bền cao, hợp kim nhôm hoặc titan Vật liệu được sử dụng rộng rãi hơn

cả là thép Thép chống đạn là loại thép các bon trung bình hoặc thép hợp kim

có cấu trúc Mactenxit Khi sử dụng thép đồng nhất, độ cứng tăng thì khả năngchống đạn cũng có xu hướng tăng lên Tuy nhiên khi độ cứng của thép đồngnhất lớn hơn 55 HRC thì trở nên giòn, khi bị bắn (thậm chí bằng các đầu đạnlàm bằng thép thường) có thể bị nứt vỡ Để tăng khả năng chống đạn cho tấmthép đơn có thể sử dụng các giải pháp sao cho độ cứng của tấm thép tại bềmặt tiếp xúc trước tiên với đầu đạn có độ cứng rất cao, độ cứng này sẽ giảmdần theo bề dày của tấm thép, theo đó độ dẻo và dai va đập theo hướng đótăng lên Có thể nhận được tấm thép như vậy từ tấm thép đồng nhất đã qua tôi

và ram nhiệt độ cao bằng các giải pháp tăng cứng bề mặt như bắn bi, đặt tảitrọng nổ

Gốm là loại vật liệu có cấu trúc tinh thể bao gồm các hợp chất giữa kimloại và á kim như: kim loại với oxi (oxit), kim loại với nitơ (nitrua), kim loạivới cacbon (cacbua), kim loại với silic (silixua), kim loại với lưu huỳnh(sunfua) Để chế tạo các phương tiện bảo vệ cá nhân người ta thường sử dụngcác gốm oxit, nitrua, các bua, và gốm hỗn hợp Công nghệ chế tạo các chi tiếtlàm từ gốm thường là thiêu kết ở nhiệt độ cao

Giáp mềm làm từ các loại sợi có độ bền và mô đun đàn hồi rất cao, điểnhình là họ para-aramid: kevla, terlon, tvaron Các giá trị trung bình của cácđặc trưng họ sợi này là: khối lượng riêng 1,45 ÷ 1,47 g/cm3, môđun đàn hồi

100 ÷ 150 GPa, độ bền kéo khoảng 3,5 GPa, độ giãn dài khi kéo đứt khoảng3% Từ polyetilen cao phân tử có thể tạo ra sợi siêu bền, các sợi này có độbền kéo thấp hơn so với các sợi para-aramid nhưng khối lượng riêng lại thấphơn, chỉ bằng 2/3 Tất cả các loại sợi này có một thông số quan trọng là vận

tốc truyền âm thanh trong vật liệu, giá trị này lên tới 9 ÷ 11 km/s Điều đó cónghĩa là khi đầu đạn va xuyên vào giáp làm từ các sợi trên, năng lượng củađầu đạn được phân tán nhanh chóng ra khắp bề mặt giáp, nhờ đó mà đầu đạncũng nhanh chóng mất động năng và bị giữ lại trong tấm giáp

Vật liệu composite [29] là một loại vật liệu tổng hợp có cấu tạo từ mộthay nhiều pha gián đoạn được phân bố trong một pha liên tục duy nhất Bằngcách lựa chọn hợp lý thành phần và tính chất của vật liệu cốt và vật liệu nền ta

có thể nhận được loại vật liệu composite có các tính chất cơ lý, tính côngnghệ và khai thác để chế tạo các phần tử bảo vệ Phổ biến là loại composite sửdụng các loại vật liệu polyme làm vật liệu nền còn các vật liệu dạng sợi, lớplàm từ các loại para - aramid hoặc polyetilen có độ bền cao làm vật liệu cốt.Loại vật liệu này thường được gọi là vật liệu composite nền hữu cơ(composite hữu cơ) Composite hữu cơ thường được ứng dụng làm các loại

mũ bảo vệ hoặc sử dụng trong các loại giáp làm bằng vật liệu kết hợp, ví dụnhư giáp nhiều lớp làm từ gốm và composite hữu cơ

1.1.2 Các hiện tượng vật lý xảy ra trong quá trình va xuyên khi vận tốc chạm lớn

Theo các tài liệu [27], [43], có thể khái quát: trong quá trình va xuyênvới vận tốc chạm (vận tốc tại thời điểm bắt đầu quá trình va xuyên) lớn, trongvật liệu của các vật va chạm lan truyền các sóng va đập cường độ cao, entropicủa hệ trong quá trình nén va đập tăng lên và ở trạng thái cuối cùng, môitrường của hệ bị nung nóng Phụ thuộc vào độ lớn của vận tốc chạm có thểdiễn ra các sự thay đổi cấu trúc vật chất, như là phá huỷ tính đối xứng củamạng tinh thể, nóng chảy, bốc hơi và có thể còn quan sát thấy cả hiệu ứng toảnăng lượng bức xạ

Khi xem xét tỉ số M0 = v0/c, trong đó v0  vận tốc chạm, c  vận tốctruyền âm thanh trong vật liệu V N Ap-tu-kôv cùng nhiều nhà khoa học [21]

đã đưa ra kết luận:

- Khi M0 << 0,1, biến dạng của môi trường diễn ra trong giới hạn đànhồi;

- Khi M0 0,75, tenxơ ứng suất phụ thuộc phi tuyến vào tenxơ biến dạng;

- Khi M0  0,75, quan sát thấy hiện tượng gần giống hiện tượng nổ Khi

đó cấu trúc tinh thể của các vật va chạm tại vùng tương tác bị phá huỷ và diễn

ra sự chuyển đổi pha vật chất (hoá lỏng, hoá hơi, …), hoặc phá huỷ dưới dạngđập vỡ và văng mảnh ra xung quanh;

- Khi M0 > 0,75, trong trường hợp này qui luật nén có tính phi tuyến cao.Bắt đầu xuất hiện vùng vật chất biến đổi pha, tại vùng đó một phần hoặc toàn

bộ các nguyên tử mất đi tính chất riêng;

- Khi M0  1,5 xảy ra hiện tượng bức xạ điện từ (hồng ngoại, nhìn thấy,

tử ngoại…);

- Khi Mo > 1,5 có thể xảy ra ion hoá và chuyển hóa điện tử

Chú ý rằng, cách phân loại này mang tính định tính, mỗi khoảng đó lại

có thể chia thành các khoảng nhỏ hơn với các hiện tượng vật lý cơ bản riêng.Khi nghiên cứu quá trình va xuyên của đầu đạn xuyên có lõi xuyênthép cứng vào mục tiêu, xảy ra với vận tốc chạm cỡ vài trăm m/s đến 1000m/s Đối với phần lớn các kim loại, hợp kim và các vật liệu khác, khoảng

vận tốc chạm này tương ứng với điều kiện M0 < 0,75 Với điều kiện này, vật

liệu đầu đạn và mục tiêu thể hiện chủ yếu tính đàn hồi – dẻo – nhớt và đặcbiệt là sự tăng giới hạn đàn hồi, giới hạn chảy, giới hạn bền khi tăng tốc độbiến dạng

Trong bảng 1.2 thể hiện ứng xử của vật liệu tương ứng với khoảng vậntốc chạm và phương pháp tạo chuyển động cho đầu đạn [36]

Bảng 1.2 Ứng xử của vật liệu theo vận tốc chạm

Vận tốc chạm

v 0 , (m/s)

Tốc độ biến dạng &, (1/s)

Phương pháp đặt tải Ứng xử vật liệu

đẩy cơ khí,súng hơi

Biến dạng đàn hồithể hiện rõ nét, cóbiến dạng dẻo cụcbộ

hiện rõ

Súng pháo sửdụng thuốcphóng

Độ bền của vậtliệu vẫn tồn tại,

độ nhớt thể hiệnmạnh

1000 ÷ 3000

Súng pháo sửdụng thuốcphóng, cơ cấuđẩy xung nhiệtnhẹ

Các vật rắn thểhiện như chấtlỏng, áp suất gầnbằng hoặc vượtquá giới hạn bền

nổ

Vật rắn thể hiệnnhư chất lỏng,không thể bỏ qua

chất vật liệu, kết cấu của mục tiêu; điều kiện va chạm.

Để đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố này chúng ta xét sự thay đổi cácđặc tính của quá trình va xuyên khi thay đổi các yếu tố ảnh hưởng Các đặctính của quá trình va xuyên đầu đạn vào mục tiêu bao gồm: các dạng phá hủycủa đầu đạn, độ sâu xuyên của đầu đạn vào mục tiêu, vận tốc tới hạn xuyên

thủng v gh – vận tốc chạm nhỏ nhất mà đầu đạn xuyên thủng mục tiêu

1.1.3.1 Ảnh hưởng của tính chất vật liệu và kết cấu đầu đạn

Với vận tốc chạm vừa phải, khi tăng độ cứng và độ bền nén của đầu đạn,khả năng xuyên vào mục tiêu tốt hơn, mức độ bị phá hủy của đầu đạn giảm đi[36] Tuy nhiên nếu vận tốc chạm lớn, đầu đạn cứng có thể bị phá hủy giòn[21] và lúc đó khả năng xuyên lại giảm đi

Khối lượng riêng của vật liệu đầu đạn ảnh hưởng lớn đến vận tốc tới hạnxuyên thủng Với các vận tốc chạm lớn và bề dày mục tiêu lớn, các đầu đạnlàm bằng vật liệu có khối lượng riêng lớn có khả năng xuyên tốt hơn Tuynhiên với các vận tốc chạm nhỏ và mục tiêu mỏng thì đầu đạn làm bằng thép

và cacbit vonfram xuyên tốt hơn cả [36]

Với vận tốc chạm nhỏ, ứng suất xuất hiện trong đầu đạn nhỏ hơn giớihạn chảy của vật liệu thì hình dạng phần mũi đầu đạn có ảnh hưởng lớn tớiquá trình va xuyên Đầu đạn với phần mũi tù có khả năng xuyên nhỏ hơn cácđầu đạn với phần mũi nhọn Tuy nhiên, với vận tốc chạm mà khi đó ứng suấtxuất hiện trong đầu đạn lớn hơn giới hạn chảy động của vật liệu thì hình dạngphần mũi thực tế không ảnh hưởng tới vận tốc tới hạn xuyên thủng [36]

Các kết quả thực nghiệm cũng chỉ ra rằng, đầu đạn có tỉ số giữa chiềudài và đường kính đầu đạn lớn có khả năng xuyên tốt Điều này được giảithích là khi đó, đầu đạn có năng lượng ngang lớn (năng lượng ngang , trong

đó m – khối lượng đầu đạn, v0 – vận tốc chạm của đầu đạn và S – diện tích tiết

diện ngang của đầu đạn) Tuy nhiên, đầu đạn được kéo dài có thể bị uốn cong

khi va đập nghiêng với vận tốc chạm nhỏ.

1.1.3.2 Ảnh hưởng của điều kiện va chạm

Các điều kiện va chạm gồm vận tốc chạm của đầu đạn và góc chạm giữađầu đạn với mục tiêu Trong trường hợp tổng quát, đầu đạn có thể vừa chuyểnđộng tịnh tiến và chuyển động quay trong không gian khi gặp mục tiêu Đểgiảm tính phức tạp của quá trình va xuyên, người ta thường xem xét đầu đạn

có chuyển động tịnh tiến theo phương trùng với trục đối xứng của đầu đạn.Khi vận tốc chạm tăng thì khả năng xuyên thép của đầu đạn tăng lên

Góc chạm giữa đầu đạn với mục tiêu là góc giữa hướng véctơ vận tốcthẳng của đầu đạn và pháp tuyến bề mặt mục tiêu Khi đầu đạn gặp mục tiêudưới một góc chạm lớn nào đó thì có thể xảy ra hiện tượng trượt

1.1.3.3 Ảnh hưởng của tính chất vật liệu và kết cấu mục tiêu

Bề dày mục tiêu cùng với tính chất vật liệu của nó ảnh hưởng rất lớn đếncác hiện tượng của quá trình va xuyên Với vận tốc chạm lớn, đặc tính cơ bảncủa vật liệu mục tiêu làm giảm tác dụng xuyên là khối lượng riêng và giới hạnbền nén [21] Theo tài liệu [3], để hạn chế khả năng xuyên phá của các loạiđạn xuyên, tấm thép thường có độ cứng và độ bền cao, để tăng bề dày tươngđối của tấm thép và tăng khả trượt của đầu đạn xuyên, kết cấu bản thépthường có góc vát lớn, ngoài ra đặc biệt là các dạng kết cấu liên hợp khácnhau của mục tiêu có ảnh hưởng lớn đến khả năng chống xuyên

1.1.3.4 Các dạng phá hủy đầu đạn và tấm thép trong quá trình va xuyên

Kết quả nghiên cứu thực nghiệm quá trình va xuyên giữa đầu đạn xuyên

và mục tiêu kim loại được trình bày trong tài liệu [31], [32], [36], [38], [39],[41], [42] Tùy từng trường hợp, đầu đạn có thể hoàn toàn không bị phá hủy,hoặc bị phá hủy ở phần đầu, hoặc bị vỡ thành nhiều mảnh

Khi đầu đạn va chạm vào tấm thép làm phát sinh trên nó sóng (nén) vađập Sóng này lan truyền từ mặt trước tới mặt sau của tấm thép và phản xạ trở

lại ở dạng sóng giãn Khi cường độ sóng giãn đủ lớn (lớn hơn giới hạn bềnkéo của tấm thép) mặt sau tấm thép có thể xảy ra hiện tượng phá hậu (mộtphần kim loại phía sau bản thép bị tách rời ra) Ngoài ra, trong quá trình lantruyền sóng va đập, các vết nứt vỡ có khả năng xuất hiện trong vật liệu.

Đồng thời với quá trình hình thành và lan truyền sóng va đập, đầu đạnbắt đầu xuyên sâu vào tấm thép, nhưng với vận tốc nhỏ hơn rất nhiều vận tốclan truyền sóng Tuỳ thuộc vào ứng suất trên bề mặt tiếp xúc và các tính chấtvật liệu khi chịu va đập, quá trình xuyên sâu này có thể được đặc trưng bởiquá trình phá huỷ đồng thời đầu đạn và tấm thép hoặc chỉ bởi quá trình pháhuỷ tấm thép Ứng suất tiếp xúc bị giảm dần theo mức độ xuyên sâu và mức

độ giảm tốc độ của đầu đạn Tại một thời điểm xác định, ứng suất này có thểnhỏ hơn ứng suất cần thiết để phá huỷ đầu đạn và bắt đầu từ thời điểm nàyđầu đạn tiếp tục xuyên vào tấm thép nhưng không bị phá huỷ Lực cản củatấm thép tác dụng vào đầu đạn bắt đầu giảm dần Cuối cùng, ở thời điểm nào

đó có thể xảy ra trạng thái áp lực đầu đạn vào đáy vết xuyên dẫn đến hiệntượng cắt đột

Như vậy, khi đầu đạn va xuyên vào tấm thép, dưới tác dụng va đập, mốiliên kết giữa các phần tử tấm thép bị phá vỡ, tạo ra các vết nứt và cuối cùngphá huỷ kết cấu tấm thép Tấm thép bị phá huỷ do động năng của đầu đạn.Ngoài ra, trong quá trình va xuyên do vận tốc đầu đạn lớn, nên ở bề mặt giữađầu đạn và bản thép xuất hiện lực ma sát rất lớn, có thể gây cháy các vật liệu.Thông thường tấm thép bị phá huỷ theo 4 dạng Mỗi dạng phá huỷ đều

có cơ chế riêng và tương ứng với mô hình toán học riêng Sự tồn tại mỗi dạng

và mức độ tồn tại của nó trong sơ đồ phá hủy chung phụ thuộc vào điều kiện

va chạm, hình dáng và kết cấu đầu đạn, các tính chất của vật liệu khi chịu vađập và bề dày mục tiêu

Các dạng phá huỷ tấm thép (hình 1.4) và điều kiện xuất hiện

Hình 1.4 Các dạng phá hủy tấm thép1) Xuyên lách; 2) Xuyên đột; 3) Phá rách; 4) Phá hậu

1 Dạng xuyên lách: dạng xuyên này thường xảy ra đối với đầu đạnnhọn, tấm thép đồng nhất có độ bền cao, tỉ số b/d > 1,25 (b – bề dày tấmthép, d – đường kính đầu đạn)

2 Dạng xuyên đột (tấm thép bị phá huỷ như dạng bị đột): dạng xuyênnày thường xảy ra đối với đầu đạn tù, tấm thép không đồng nhất và cứnggiòn, tỉ số b/d < 1,25

3 Dạng phá rách: dạng phá này thường xảy ra đối với đầu đạn nhọn, tấmthép mỏng (b << d) và có độ dẻo cao Phía trước lỗ xuyên tròn đều, mặt sauthì bị sơ rách không đối xứng

4 Dạng phá hậu: dạng phá này thường xảy ra đối với đầu đạn tù, tấmthép có độ bền cao Tấm thép không bị xuyên thủng nhưng phía sau tấm thép

bị rạn, nứt và vỡ tạo các mảnh bay tản ra xung quanh

1.2 Tổng quan về các công trình nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố đến tác dụng xuyên

Nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố đến tác dụng xuyên của đầu đạnxuyên được đặt ra và đòi hỏi các nhà khoa học giải quyết trong suốt lịch sử

phát triển của hệ thống vũ khí - đạn và trang bị chống đạn Nghiên cứu vấn đềnày được thực hiện bằng các phương pháp thực nghiệm và lý thuyết.

1.2.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới

Các công trình nghiên cứu theo phương pháp thực nghiệm

Thực nghiệm là phương pháp truyền thống để nghiên cứu ảnh hưởng củacác yếu tố đến tác dụng xuyên của đầu đạn xuyên Trong các thực nghiệm xácđịnh: vận tốc và quĩ đạo của đầu đạn trước khi va xuyên vào mục tiêu; biếndạng của đầu đạn và mục tiêu khi chúng tương tác; các thông số vết xuyêntrong mục tiêu; vận tốc và khối lượng còn lại của đầu đạn sau khi xuyên quamục tiêu; vận tốc tới hạn xuyên thủng; khối lượng, tốc độ và phân bố cácmảnh có kích cỡ lớn hình thành trong quá trình va xuyên… Thiết bị để thựchiện nghiên cứu là các phương tiện đo như: cảm biến điện, máy chụp ảnh tốc

độ cao, dụng cụ chụp tia X… [23], [24], [25], [36] Từ số liệu thực nghiệm,xây dựng các đường cong phụ thuộc giữa các thông số của quá trình va xuyên

ở dạng các công thức toán học Mỗi công thức được xây dựng từ kết quả củamột số lượng thực nghiệm đủ lớn với các dạng đầu đạn và mục tiêu nhất định.Một số công trình thực nghiệm nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố đếntác dụng xuyên của đầu đạn xuyên:

* Công thức Giacốp-Đơ-Mar

Giacốp-Đơ-Mar [33] tiến hành thực nghiệm, đưa ra công thức tính vận

tốc tới hạn xuyên thủng của đầu đạn xuyên vào mục tiêu tấm thép bề dày b:

Trong đó: K - hệ số đặc trưng độ cứng của mục tiêu:

K = 1600…1800 - đối với mục tiêu có độ cứng thấp;

K = 1800…2000 - đối với mục tiêu có độ cứng trung bình;

K = 2000…2200 - đối với mục tiêu có độ cứng cao;

d - đường kính đầu đạn (dm); b - bề dày mục tiêu (dm);

m - khối lượng đầu đạn (kg);  - góc chạm;

- vận tốc tới hạn xuyên thủng (m/s)

Công thức Giacốp-Đơ-Mar xác định vận tốc tới hạn xuyên thủng tấmthép bề dày cho trước hay xác định bề dày tấm thép bị xuyên thủng với vậntốc chạm đã biết của đầu đạn Phạm vi áp dụng là đầu đạn xuyên bằng cỡ vàotấm thép, phù hợp tốt với các số liệu thực tế khi vận tốc chạm cỡ 600 m/s Công thức Giacốp-Đơ-Mar kể đến ảnh hưởng của vận tốc chạm, đườngkính, khối lượng, góc chạm của đầu đạn với tấm thép đến bề dày xuyên thủngtới hạn Tính chất vật liệu đầu đạn, mục tiêu và kết cấu của đầu đạn trong quá

trình va xuyên được xác định qua hệ số K Kết quả vận tốc tới hạn xuyên

thủng tính toán lớn hơn so với thực tế, khi tính toán xác định bề dày tấm thép

bị xuyên thủng phải lựa chọn hệ số K phù hợp, tránh sai số quá nhiều so với

thực tế

* Công thức Lambert và Johnac

Lambert và Johnac [44] đưa ra công thức tính vận tốc còn lại sau khixuyên thủng tấm thép khi đầu đạn va xuyên vào tấm thép:

trong đó: v r - vận tốc còn lại của đầu đạn sau khi xuyên thủng tấm thép (m/s);

v0 - vận tốc chạm (m/s);

vgh - vận tốc tới hạn xuyên thủng của đầu đạn (m/s);

 và  - các hệ số thực nghiệm, với đầu đạn cứng tuyệt đối  = 2

Trong công thức Lambert và Johnac, để tính được vận tốc còn lại củađầu đạn sau khi xuyên qua mục tiêu cần phải tính vận tốc tới hạn xuyên thủngcủa đầu đạn theo công thức Giacốp-Đơ-Mar

Công thức Lambert và Johnac xác định ảnh hưởng của vận tốc chạm,vận tốc tới hạn xuyên thủng của đầu đạn với tấm thép đến vận tốc còn lại củađầu đạn sau khi xuyên thủng tấm thép Tất cả các yếu tố ảnh hưởng khác đều

được tính đến đơn giản qua hệ số thực nghiệm  và .

* Công thức Thor

Thor [17], [18] thực hiện dự án thực nghiệm năm 1961-1963, đưa racông thức xác định vận tốc còn lại sau khi xuyên qua mục tiêu, vận tốc tớihạn xuyên thủng mục tiêu và khối lượng còn lại sau khi xuyên thủng mục tiêucủa đầu đạn:

(1.4)

Trong đó: , , - vận tốc còn lại sau khi xuyên, vận tốc chạm, vận tốc

xuyên thủng tới hạn của đầu đạn (fps); h - bề dày mục tiêu (in);

A - diện tích tiết diện ngang của đầu đạn (in 2);

, – khối lượng ban đầu và sau khi xuyên thủng mục tiêu của đầu đạn (gr); - góc chạm.

c, , , , , c1, 1, 1, 1, - các hệ số được xác định riêng cho mỗi vậtliệu mục tiêu

Phạm vi áp dụng cho đầu đạn kết cấu hình trụ va xuyên vào mục tiêutấm kim loại, phù hợp tốt với thực tế trong trường hợp đầu đạn có tỷ lệ l/d  3(l, d – chiều dài và đường kính đầu đạn) Hạn chế của dự án là chỉ xác địnhcác hệ số đối với một số vật liệu kim loại mục tiêu Trong phạm vi áp dụng,các công thức đã xác định ảnh hưởng của khối lượng, diện tích tiết diệnngang, vận tốc chạm, góc chạm của đầu đạn, bề dày mục tiêu đến vận tốcxuyên thủng giới hạn, vận tốc và khối lượng còn lại sau khi xuyên của đầuđạn Tính chất vật liệu mục tiêu được tính đến qua các hệ số thực nghiệm

Các công trình nghiên cứu theo phương pháp lý thuyết

Phương pháp lý thuyết thực hiện xây dựng mô hình toán học mô tả quátrình va xuyên từ các hiện tượng, quá trình vật lý xảy ra khi đầu đạn va xuyên

vào mục tiêu, giải mô hình toán học được xây dựng Từ các kết quả có đượcảnh hưởng của các yếu tố đến tác dụng xuyên.

Thời gian gần đây, nhờ sự phát triển vượt bậc của trang thiết bị, các nhàkhoa học trên thế giới đã có những nghiên cứu sâu hơn về các hiện tượng, quátrình xảy ra khi va xuyên ở tốc độ cao, đặc tính vật liệu trong quá trình vaxuyên từ đó có các mô hình toán học mô tả tính chất vật liệu (sau đây gọi tắt

là mô hình vật liệu) trong quá trình Kết hợp kết quả nghiên cứu này với các

lý thuyết cơ học, xây dựng mô hình toán học mô tả đầy đủ các hiện tượng, đặctính quá trình va xuyên của đầu đạn vào mục tiêu Song song với đó là sự pháttriển của các máy tính cấu hình cao và các phương pháp số hiện đại cho phépgiải các mô hình toán học phức tạp một cách nhanh chóng, hiệu quả Từnhững kết quả trên có nhiều phần mềm ra đời và được ứng dụng để giải cácbài toán va chạm tốc độ cao nói chung, bài toán va xuyên của đầu đạn xuyênvào mục tiêu nói riêng (ANSYS, LS-DYNA, AUTODYN, NASTRAN,COSMOSWork…)

Khi ứng dụng các phần mềm nói trên để giải bài toán va xuyên của đầuđạn xuyên vào mục tiêu cho phép tính đến các đặc tính, hiện tượng của quátrình va xuyên, đặc điểm hình học và kết cấu của đầu đạn và mục tiêu, điềukiện va chạm giúp cho các nhà nghiên cứu xác định tất cả các thông số củaquá trình va xuyên, quan sát trực quan quá trình va xuyên, sáng tỏ quá trình

va xuyên… Từ đó có kết quả định lượng ảnh hưởng của các yếu tố đến tácdụng xuyên trong trường hợp cụ thể một cách nhanh chóng, chính xác, giảmđáng kể số lượng thử nghiệm, cho phép đánh giá toàn diện được mẫu đạn haykhả năng chống đạn của các trang bị phòng hộ mới thiết kế, phục vụ tốt hoặc

có định hướng tin cậy, giá trị trong công tác thiết kế, chế tạo các sản phẩm này.Các công trình nghiên cứu theo phương pháp lý thuyết hiện nay pháttriển và rất phong phú Tổng hợp và phân tích một số kết quả nghiên cứu ảnh

hưởng của các yếu tố đến tác dụng xuyên của đầu đạn xuyên:

Nsiampa [15] trong năm 2007 đã thực hiện mô phỏng số và tiến hành

thử nghiệm về quá trình va xuyên của đạn xuyên giáp 7,62 mm vào các tấmnhôm 5083 Mô phỏng số phù hợp tốt với kết quả thử nghiệm Ảnh hưởng của

vỏ đầu đạn và áo chì đến tác dụng xuyên được nghiên cứu, kết quả cho thấyảnh hưởng của áo chì đến tác dụng xuyên lớn hơn ảnh hưởng của vỏ đầu đạnmặc dù động năng ban đầu của vỏ đầu đạn gấp đôi của áo chì;

Wisnievski [19] trong năm 2009 đã nghiên cứu mô phỏng số quá trình va

xuyên của đạn xuyên giáp 7,62 mm vào tấm giáp thép đồng nhất và đưa ra kếtluận: thời gian xuyên tăng với sự tăng giới hạn chảy của vật liệu đầu đạn;

A.A Ramadhan [16] trong năm 2012 đã nghiên cứu năng lượng được

hấp thụ khi đầu đạn 7,62 mm va xuyên vào mục tiêu vật liệu compositeKevlar-29/Polyester ở khoảng vận tốc 160 ÷ 400 m/s Các kết quả mô phỏngđược so sánh với thử nghiệm ở các độ dày mục tiêu khác nhau Kết quả thuđược là tấm composite độ dày 20 mm hấp thụ hoàn toàn năng lượng của đầuđạn có vận tốc chạm 320 m/s Các kết quả đạt được khá hợp lý với kết quảthử nghiệm;

J.Hub [14] trong năm 2013 đã ứng dụng phần mềm AUTODYN mô

phỏng sự va xuyên của đầu đạn 7,62 × 54R vào ba vật liệu thép HARDOX

450, hợp kim nhôm 7039 và hợp kim titanium Ti-6Al-4V Các kết quả môphỏng xác định độ dày của mục tiêu chống sự xuyên thủng của đầu đạn vàcho kết quả: sử dụng hợp kim titan làm giảm trọng lượng của hệ thống bảo vệhai lần so với thép và vật liệu hợp kim nhôm;

Aswani Kumar Bandaru [10] trong năm 2016 đã nghiên cứu quá trình

va xuyên của đầu đạn 9 mm vào giáp composite Kevlar®/propylene (PP) Cácloại vải Kevlar® với kiến trúc khác nhau gồm dệt thô 2D, 3D trực giao và 3Ddệt chéo, được sử dụng làm vật liệu gia cố cho giáp composite Các kết quả

phá hủy sau va chạm thu được từ mô phỏng được so sánh với các kết quả thửnghiệm để đánh giá hiệu quả của mô phỏng Kết quả có sự tương quan tốtgiữa các mô phỏng và thử nghiệm Giáp composite 3D có thể chống được đầuđạn 9mm, giáp 2D thì không Sự tăng vận tốc tới hạn từ giáp dệt thô 2D sanggiáp 3D trực giao và 3D dệt chéo là 16,44% và 20%, cho thấy hiệu quả củakiến trúc vải cho khả năng chống xuyên.

Qua một số kết quả nghiên cứu trong những năm gần đây có thể nhậnxét: khi nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố đến tác dụng xuyên của đạnxuyên, các tác giả đều ứng dụng các phần mềm để thực hiện khảo sát số quátrình va xuyên, đánh giá định lượng ảnh hưởng của yếu tố cụ thể đến tác dụngxuyên Sau đó sử dụng các kết quả thử nghiệm để kiểm chứng, đánh giá cáckết quả tính toán

1.2.2 Tình hình nghiên cứu ở Việt Nam

Ở trong nước, từ trước đến nay do điều kiện kinh tế, cơ sở vật chất hạnchế, không có cơ sở nào đầy đủ các trang thiết bị đảm bảo khả năng nghiêncứu thực nghiệm về va xuyên của đầu đạn xuyên vào mục tiêu nên chưa cókết quả nghiên cứu thực nghiệm nào được công bố

Công thức thực nghiệm tính vận tốc tới hạn xuyên thủng của đầu đạnxuyên bằng cỡ vào mục tiêu tấm thép được sử dụng trong các giáo trình giảngdạy chuyên ngành Đạn là công thức Giacốp-Đơ-Mar, đây là công thức ứngdụng để đánh giá uy lực đạn xuyên được sử dụng trong nước [3], [6], [33].Các công thức thực nghiệm khác không phổ biến

Gần đây, với những ưu điểm nổi bật của phương pháp lý thuyết đểnghiên cứu quá trình va xuyên của đầu đạn vào mục tiêu cùng với sự pháttriển nhanh chóng của cơ sở hạ tầng công nghệ thông tin, bắt đầu có nhữngcông trình nghiên cứu bằng phương pháp lý thuyết ở trong nước Một vài luậnvăn cao học bước đầu khai thác các phần mềm LS-DYNA, AUTODYN để mô

phỏng quá trình va xuyên của một số dạng kết cấu đầu đạn với các mục tiêukhác nhau [7].

Trong những năm qua một số trang thiết bị phục vụ nghiên cứu thiết kế,chế tạo đạn nói chung, phục vụ nghiên cứu va xuyên giữa đầu đạn và mục tiêunói riêng được trang bị cho các phòng thí nghiệm chuyên dùng, cơ sở nghiêncứu thiết kế, nhà máy của Tổng cục Công nghiệp Quốc phòng (TCCNQP)như camera thuật phóng, thiết bị đo vận tốc đầu đạn…, các cơ sở trường bắn,hầm bắn đảm bảo tổ chức thử nghiệm được xây dựng góp phần đẩy mạnh khảnăng nghiên cứu

Đặc biệt, liên tiếp những năm gần đây các nhà máy của TCCNQP đãthiết kế, chế tạo thành công các loại đạn, trang bị phòng hộ có một số ưu điểmnhư đạn xuyên cỡ 7,62x39 mm (K56) đầu lõi thép kiểu M43 [5] (năm 2013),đạn cỡ 7,62 – K56 lõi hợp kim cứng xuyên áo giáp (năm 2016) [4], áo giápchống đạn trên cơ sở gốm Al2O3 tăng bền (năm 2012), giáp sợi polyme (năm2016)

1.3 Những tồn tại của vấn đề nghiên cứu và hướng giải quyết

1.3.1 Những tồn tại của vấn đề nghiên cứu

Qua tổng hợp, phân tích những công trình nghiên cứu ảnh hưởng của cácyếu tố đến tác dụng xuyên của đầu đạn xuyên ở trong nước và trên thế giới cóthể thấy những tồn tại:

- Đối với các công trình nghiên cứu theo phương pháp thực nghiệm:

+ Mỗi công thức thực nghiệm được xây dựng từ kết quả tiến hành một sốlượng thử nghiệm, khi xây dựng chỉ kể đến một số yếu tố ảnh hưởng, các yếu

tố ảnh hưởng khó xác định còn lại sẽ được tính đến thông qua các hệ số thựcnghiệm Vì thế, hạn chế của các công thức này là phạm vi sử dụng hẹp(thường có phạm vi áp dụng giống với điều kiện thử nghiệm khi xây dựngcông thức), việc lựa chọn giá trị hệ số thực nghiệm để có kết quả chính xác

trong các trường hợp cụ thể rất khó Với mỗi công thức chỉ xác định được ảnhhưởng của một số yếu tố nhất định đến tác dụng xuyên;

+ Ngoài ra, mỗi công thức thực nghiệm không thể phản ánh đầy đủthông tin, sáng tỏ quá trình va xuyên nên khó khăn trong đánh giá toàn diệnmột mẫu đạn hay trang bị mới hoặc định hướng hiệu quả cho công tác thiết

kế, chế tạo đạn và các trang bị chống đạn đáp ứng yêu cầu nhiệm vụ;

+ Hiện nay, trong nước khả năng tổ chức nghiên cứu thực nghiệm mớikhó khăn do đòi hỏi số lượng lớn thử nghiệm rất tốn kém kinh phí, thời gian

Vì những tồn tại như vậy, trong điều kiện hiện nay phương pháp thựcnghiệm ít được lựa chọn khi nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố đến tácdụng xuyên của đầu đạn xuyên

- Đối với các công trình nghiên cứu theo phương pháp lý thuyết:

Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ thì nghiên cứutheo phương pháp lý thuyết khắc phục được các hạn chế của phương phápthực nghiệm, cho phép tính toán định lượng ảnh hưởng của các yếu tố đến tácdụng xuyên của đầu đạn xuyên vào mục tiêu trong trường hợp cụ thể đáp ứngtốt công tác thiết kế, chế tạo các mẫu đạn hay trang bị chống đạn Phươngpháp này hiện nay trở thành lựa chọn chủ yếu khi nghiên cứu ảnh hưởng củacác yếu tố đến tác dụng xuyên của đầu đạn xuyên cả trên thế giới và trongnước Tuy nhiên, qua một số công trình nghiên cứu còn tồn tại các hạn chế: + Do đặc điểm của phương pháp nên khi tính toán ảnh hưởng của cácyếu tố đến tác dụng xuyên của đầu đạn xuyên đều gắn liền với một quá trình

va xuyên cụ thể, đầu đạn và mục tiêu cụ thể Các vật liệu cụ thể của đầu đạn

và mục tiêu phải có dữ liệu vật liệu (bao gồm mô hình vật liệu và các tham sốvật liệu cụ thể) chính xác Vì vậy, với một quá trình va xuyên cụ thể phảinghiên cứu xác định các dữ liệu vật liệu cụ thể Các công trình nghiên cứutrên thế giới thường sử dụng các dữ liệu vật liệu do phần mềm cung cấp hoặc

tiến hành thử nghiệm xác định dữ liệu vật liệu Khó khăn cho nghiên cứutrong nước là các đối tượng đầu đạn hay trang bị thiết kế chế tạo trong nướcthiếu dữ liệu vật liệu cần phải được nghiên cứu xác định;

+ Mặt khác, vì đặc thù bí mật quân sự nên việc công bố, khả năng tiếpcận các kết quả nghiên cứu rất hạn chế Các công trình nghiên cứu được công

bố ở các bài báo khoa học chỉ nêu kết quả nghiên cứu theo từng yếu tố ảnhhưởng riêng lẻ, không trình bày toàn diện, không thể hiện đầy đủ các yếu tốảnh hưởng rất khó định hướng cho thiết kế chế tạo trong nước;

+ Các công trình đều ứng dụng phần mềm để nghiên cứu ảnh hưởng củacác yếu tố đến tác dụng xuyên trong trường hợp va xuyên cụ thể nhưng khôngthể hiện mô hình toán học quá trình va xuyên, không thể hiện thuật toán giảinên khả năng khai thác phục vụ thiết kế các mẫu đạn xuyên hay trang bịchống đạn mới trong nước không đạt được hiệu quả cao;

+ Nghiên cứu trong nước mới chỉ bước đầu khai thác, ứng dụng phầnmềm LS-DYNA mô phỏng số quá trình va xuyên của đầu đạn với mục tiêu,

sử dụng dữ liệu vật liệu theo thư viện phần mềm, khả năng định lượng hạnchế, chưa có thử nghiệm kiểm chứng để đánh giá kết quả tính toán

Từ những tồn tại đã phân tích, đặt ra hướng nghiên cứu giải quyết cácvấn đề tồn tại này và qua đó xác định mục tiêu của đề tài

1.3.2 Hướng nghiên cứu giải quyết các vấn đề tồn tại

Phương pháp lý thuyết được lựa chọn để nghiên cứu ảnh hưởng của cácyếu tố đến tác dụng xuyên của đầu đạn xuyên

Để khắc phục hạn chế của các công trình nghiên cứu trên thế giới vàtrong nước hiện nay, nhằm mục đích nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tốđến tác dụng xuyên của đầu đạn xuyên toàn diện, chính xác phục vụ hiệu quảcho công tác thiết kế chế tạo đầu đạn xuyên hay trang bị phòng hộ mới, luận

án đưa ra hướng giải quyết:

- Nghiên cứu phương pháp xác định dữ liệu vật liệu phù hợp các vật liệu

sử dụng trong đầu đạn, mục tiêu trong nước;

- Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết cơ học môi trường liên tục, lý thuyếtđàn hồi, lý thuyết dẻo kết hợp với mô hình vật liệu đầu đạn, mục tiêu trongquá trình va xuyên để xây dựng mô hình toán học mô tả chuyển động và trạngthái vật liệu đầu đạn và mục tiêu trong quá trình va xuyên, xác định rõ cácđiều kiện đầu, điều kiện biên của bài toán;

- Nghiên cứu thuật toán giải bằng phương pháp PTHH trên phần mềmANSYS AUTODYN để giải mô hình toán học được xây dựng, xác địnhchuyển động và trạng thái vật liệu đầu đạn và mục tiêu trong quá trình vaxuyên từ đó định lượng ảnh hưởng của các yếu tố đến tác dụng xuyên;

- Tổ chức thử nghiệm với điều kiện như tính toán mô phỏng trên phầnmềm để kiểm chứng, đánh giá kết quả tính toán

Từ hướng giải quyết các vấn đề tồn tại và đối tượng, phạm vi nghiên cứucủa luận án xác định mục tiêu của luận án

Mục tiêu của luận án:

Luận án xác định được trạng thái và chuyển động của vật liệu đầu đạn vàmục tiêu trong quá trình va xuyên; khảo sát, tính toán định lượng ảnh hưởngcủa các yếu tố tính chất vật liệu, kết cấu mục tiêu, vận tốc chạm và góc chạmđến tác dụng xuyên của đầu đạn xuyên lõi thép cứng cỡ 7,62 mm xuyên vàomục tiêu tấm thép