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

Bài viết trình bày kết quả 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 bằng phương pháp mô phỏng số; đánh giá kết quả nhận được với kết quả thử nghiệm.

Cơ học – Cơ khí động lực 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 Nguyễn Đình Hùng1*, Bùi Ngọc Hưng2, Đặng Hồng Triển3, Trần Đình Thành4 Tóm tắt: Bài báo trình bày kết nghiên cứu ảnh hưởng tỉ số chiều dài đường kính lõi xuyên đến khả xuyên thép đầu đạn xuyên động phương pháp mô số; đánh giá kết nhận với kết thử nghiệm Kết nghiên cứu đóng góp sở lý luận khoa học phục vụ cho việc tính tốn, thiết kế lõi xun thiết kế, chế tạo đạn xuyên động Từ khóa: Tỉ số L/D; Xuyên thép; Đạn xuyên động năng; Lõi xuyên ĐẶT VẤN ĐỀ Trong năm gần đây, đầu đạn xuyên bắn súng binh phát triển đưa vào trang bị nhằm tiêu diệt mục tiêu bọc thép nhẹ, phương tiện kỹ thuật mục tiêu sinh lực mặc giáp Bên cạnh đầu đạn xuyên truyền thống (xuyên thường, xuyên cháy, xuyên cháy vạch đường) với lõi xuyên thép (thép bon chất lượng cao nhiệt luyện đặc biệt) thép vonfram [2], đầu đạn xuyên theo nguyên lý đầu đạn xuyên cỡ dạng lưu tuyến, xuyên cỡ dạng thoát vỏ áp dụng vào đầu đạn súng xuyên nhằm nâng cao uy lực Đồng thời, sinh lực ngày che chắn bảo vệ tốt hơn, nguyên lý cấu tạo đầu đạn xuyên áp dụng đầu đạn dùng để tiêu diệt sinh lực địch Trong quân đội ta, nhà nghiên cứu thiết kế, chế tạo thành công Việt Nam đạn súng xuyên thép 7,62x39 mm (hình 1) bắn súng tiểu liên AK, AKM [1, 2] Hình Đạn xuyên thép 7,62 x 39 mm (K56): 1- Vỏ đầu đạn; 2- Lõi xuyên; 3- Áo đạn; 4- Liều phóng Khả xuyên thép đầu đạn chịu ảnh hưởng nhiều yếu tố, đó, hình dáng, kết cấu vật liệu lõi xuyên quan trọng nhất; ngồi cịn phải kể tới hình dáng, kết cấu vật liệu mục tiêu; điều kiện đầu đạn va chạm vào mục tiêu,…) Hiện tượng va đập tốc độ cao đầu đạn cỡ có tỉ lệ L/d (L – Chiều dài đầu đạn, d – Đường kính đầu đạn) nhỏ đầu đạn có mũi dạng hình cầu vào mục tiêu có bề dày lớn thường xảy theo bốn giai đoạn (hình 2): giai đoạn ban đầu, giai đoạn ổn định, giai đoạn tạo lỗ giai đoạn phục hồi [4, 9, 10] Trong giai đoạn trên, giai đoạn ban đầu phụ thuộc nhiều vào kết cấu phần mũi lõi xuyên; giai đoạn thâm nhập ổn định phụ thuộc vào tỉ lệ L/d Tỉ lệ L/d lớn thời gian va xuyên dài đó, ảnh hưởng trực tiếp đến chiều sâu xuyên đầu đạn xuyên động Các nghiên cứu ảnh hưởng đầu đạn vào mục tiêu nói chung lõi xuyên vào mục tiêu nói riêng cơng bố chủ yếu tập trung vào đầu đạn cỡ, kết cấu đồng Theo [10], kích thước lỗ xuyên thay đổi lớn thử nghiệm thực tế với việc thay đổi tỉ số L/d từ đến 32 đầu đạn cỡ chế tạo từ hợp kim vonfram (mp = 52 gam, 298 N Đ Hùng, …, T Đ Thành, “Nghiên cứu ảnh hưởng … đầu đạn xuyên động năng.” Nghiên cứu khoa học công nghệ vp = 2000 m/s) vào mục tiêu bán vơ hạn (hình 3) Khi tăng tỉ số L/d, chiều sâu xuyên tăng theo I II III IV Hình Các giai đoạn xuyên thép Hình Lỗ xuyên đầu đạn hợp kim vonfram thay đổi tỉ số L/d Nếu chiều sâu xuyên hiểu hiệu theo chiều dọc đạn, cịn đường kính lỗ xuyên hiểu hiệu theo chiều ngang thay đổi L/d, hai đại lượng có xu hướng biến đổi trái ngược Trong [11] mô khảo sát va xuyên đầu đạn cỡ dạng hình trụ, mũi hình cầu, làm thép У12, khối lượng 65g vào thép 45 bề dày khác nhau, kết cho thấy tăng tỉ số L/d từ lên 10, vận tốc xuyên thủng giới hạn vào thép giảm khoảng 8,6-10% Như vậy, tỉ số L/d lõi xuyên có ảnh hưởng lớn đến khả xuyên thép đầu đạn xuyên động Để nghiên cứu phát triển loại đạn súng xuyên, cần phải có nghiên cứu lý thuyết, kết hợp với thực nghiệm ảnh hưởng tỉ số điều kiện cụ thể để tạo sở liệu phục vụ tính tốn, thiết kế loại tương tự Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 10 - 2020 299 Cơ học – Cơ khí động lực MƠ PHỎNG Q TRÌNH XUN THÉP CỦA ĐẦU ĐẠN SÚNG XUYÊN VÀO BẢN THÉP ĐỒNG NHẤT Theo [1], đạn xuyên giáp 7,62x39 mm có khả xuyên thủng áo giáp chống đạn cấp III+ Việt Nam với tỉ lệ không nhỏ 80% (khi bắn 06 viên, có 05 viên xun thủng khoảng cách 15 m) xuyên qua thép đồng CT-3 dày 18 mm, đặt cách miệng nòng 100 m với tỉ lệ không nhỏ 80% (khi bắn 10 viên, có 08 viên xun thủng) Do đó, để giải vấn đề này, nhóm tác giả xây dựng mơ hình với mục tiêu thép đồng dày 18 mm phần mềm ANSYS AUTODYN để mơ q trình xun 2.1 Mơ hình khảo sát Xem xét toán va xuyên đầu đạn xuyên giáp 7,62x39 mm mục tiêu Do vỏ bọc ảnh hưởng tới q trình va xun, để đơn giản hóa tốn, xem xét q trình va xuyên lõi xuyên mục tiêu Lõi xuyên làm cacbit vonfram, dạng hình trụ, phần mũi có dạng côn kết hợp với chỏm cầu – kết cấu thông dụng đầu đạn xuyên thép đại Các kích thước lõi xun hình Mục tiêu thép đồng nhất, bề dày 18mm, kích thước bề mặt 100x100 mm – kích thước đủ lớn để nghiên cứu q trình va xuyên đầu đạn vào mục tiêu (theo [8], ảnh hưởng sóng va đập đến q trình xun nằm phạm vi lần cỡ đạn) Tại thời điểm ban đầu, lõi xuyên chuyển động tịnh tiến đến va chạm vng góc với bề mặt mục tiêu Vận tốc va chạm đầu đạn tính tốn dựa vận tốc đo V25 đầu đạn thông số tài liệu thiết kế [1] tốn thuật phóng ngồi [2, 3] Hình Lõi xun đạn 7,62x39 mm (K56) Để đánh giá ảnh hưởng tỉ số L/d, tiến hành khảo sát trình va xuyên 06 lõi xuyên có tỉ số L/d thay đổi đảm bảo khối lượng lõi xuyên không đổi (mloi = 5,297 gam), thay đổi tham số L dựa tham số thiết kế 21,73 theo tài liệu thiết kế ta có tham số đường kính lõi xuyên tương ứng, tham số L/d khảo sát sau (bảng 1) Bảng Thông số L/D mẫu lõi xuyên khảo sát mô TT lõi xuyên L 17,73 19,73 21,73 23,73 25,73 27,73 29,73 d 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 Khi mơ phỏng, thực xây dựng mơ hình hình học ứng dụng Design Modeler tích hợp sẵn ANSYS Workbench [7] Xây dựng mơ hình 2D sử dụng trục đối xứng để tiết kiệm dung lượng nhớ máy tính 300 N Đ Hùng, …, T Đ Thành, “Nghiên cứu ảnh hưởng … đầu đạn xuyên động năng.” Nghiên cứu khoa học công nghệ Mô hình phần tử hữu hạn (hình 5) xây dựng ANSYS Explicit Dynamics, sau chuyển sang ANSYS AUTODYN chỉnh sửa mơ hình vật liệu đặt điều kiện giải tốn Hình Mơ hình phần tử hữu hạn Để mơ tả tính vật liệu lõi xuyên thép điều kiện tương tác tốc độ cao, sử dụng mơ hình dịng chảy dẻo có tính tới tăng bền tốc độ biến dạng: - Mơ hình tăng bền Johnson Cook: Theo mơ hình này, ứng suất chảy động xác định theo công thức sau [5, 8, 9]: n  y   A  B   ip   C ln eip0  T m        Trong đó: A, B, C, m n – Các hệ số vật liệu xác định qua thực nghiệm;  ip T  T0 p Cường độ biến dạng dẻo; ei – Cường độ tốc độ biến dạng dẻo; T  , T  Nhiệt độ Tnc  T0 quy đổi (oK), T0 – Nhiệt độ mơi trường (oK), Тnc – Nhiệt độ nóng chảy vật liệu (oK) - Phương trình trạng thái Shock [5, 8, 9]: p  pH   p ( E  EH ) pH  p0 c02  (1   ) 1   s  1   pH    EH    p0     Vận tốc sóng va đập U tính theo cơng thức: U  C1  S1u p  S2u 2p , Trong đó: C1, S1, S2 – Các hệ số; up – Vận tốc môi trường;  – Hệ số Greneisen Giá trị thông số vật liệu bảng [5] Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 10 - 2020 301 Cơ học – Cơ khí động lực Thơng số vật liệu Bảng Thông số vật liệu lõi xuyên mục tiêu Lõi xuyên Mục tiêu Đơn vị (Tung.alloy) (Thép 1006) Phương trình trạng thái Gruneisen Khối lượng riêng,  kg/m3 Hệ số Gruneisen  Hệ số C1 m/s Hệ số S1 Hệ số S2 14809 7850 1,54 2,17 4029 4569 1,237 1,49 s/m Nhiệt dung riêng J/kgK 134 452 Mô đun cắt GPa 160 81,8 Giới hạn chảy tĩnh, A MPa 1506 350 Hệ số hóa cứng, B MPa 177 275 Số mũ hóa cứng, n - 0,12 0,36 Hệ số tốc độ biến dạng, C - 0,016 0,022 - 1,0 1,0 K 1723 1811 - 0,4 0,5 Mơ hình bền Johnson Cook Số mũ mềm nhiệt, m Nhiệt độ nóng chảy, Tnc Điều kiện phá hủy: Biến dạng lớn cho phép Sau mô cần xác định chiều sâu xuyên đầu đạn xuyên vào thép đồng phương án thiết kế tỉ số L/d lõi xuyên khác So sánh với kết thực nghiệm để đánh giá khả ứng dụng mơ hình tính tốn mơ Để tiến hành giải tốn, bổ sung số giả thiết như: bỏ qua chuyển động quay đạn gia tốc trọng trường 2.2 Các kết tính tốn Sau giải, nhận đồ thị vận tốc hình ảnh lõi xuyên sau xuyên thủng mục tiêu ứng với tỉ số L/d thay đổi hình 612 Qua đồ thị nhận vận tốc lại lõi xuyên vr khỏi mục tiêu Hình Kết mô L/D=3,21, vr = 130,02 m/s 302 N Đ Hùng, …, T Đ Thành, “Nghiên cứu ảnh hưởng … đầu đạn xuyên động năng.” Nghiên cứu khoa học cơng nghệ Hình Kết mơ L/D=3,83, vr = 136,84 m/s Hình Kết mơ L/D=4,48, vr = 138,70 m/s Hình Kết mơ L/D=5,16, vr = 140,86 m/s Hình 10 Kết mơ L/D=5,87, vr = 144,84 m/s Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 10 - 2020 303 Cơ học – Cơ khí động lực Hình 11 Kết mơ L/D=6,61, vr = 148,46 m/s Hình 12 Kết mơ L/D=7,37, vr = 152,65 m/s Căn kết tính tốn mô phỏng, xây dựng đồ thị mối quan hệ vr tỉ số L/d hình 13: 155 152.65 150 148.46 145 144.84 140 136.84 135 130 138.7 140.86 130.02 125 120 115 3.21 3.83 4.48 5.16 5.87 6.61 7.37 Hình 13 Mối quan hệ vr tỉ số L/D Qua kết mô nhận thấy, hình ảnh va xuyên phù hợp với lý thuyết tài liệu tham khảo Các đầu đạn khảo sát xuyên thủng bia thép dày 18 mm 304 N Đ Hùng, …, T Đ Thành, “Nghiên cứu ảnh hưởng … đầu đạn xuyên động năng.” Nghiên cứu khoa học công nghệ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 3.1 Điều kiện tiến hành thực nghiệm Để đánh giá khả xuyên thép đầu đạn xuyên động 7,62x39 mm, nhóm tác giả thực thử nghiệm với điều kiện thử sau: - Đạn 7,62 x39 mm - số lượng 10 viên, loại có kết cấu kích thước đầu đạn, lõi xuyên, áo chì thiết kế theo Tài liệu thiết kế; thành phần vật liệu, tính lõi xuyên, áo chì, vỏ đầu đạn vật liệu sẵn có nước, đáp ứng tiêu chiến kỹ thuật [1] Với kết cấu khảo sát, việc tăng chiều dài lõi xuyên so với thiết kế mẫu khó khả thi chiều dài tổng thể viên đạn khối lượng chuẩn đầu đạn 7,62 x 39 mm tiêu thuật phóng bắn đạn 7,62x39 mm súng AK, AKM Kết cấu đạn trình bày hình 14 Hình 14 Kết cấu đầu đạn xuyên giáp 7,62x39 mm - Súng thử nghiệm kiểm định định kỳ theo quy định sử dụng thiết bị thử nghiệm chuyên dụng - Bia thép mục tiêu thép CT-3 có độ dày 18 mm đạt yêu cầu theo tiêu chuẩn sở thử nghiệm Sơ đồ thử nghiệm bố trí hình 15: Hình 15 Sơ đồ bố trí thử nghiệm Cách thức tiến hành thử nghiệm: Mục tiêu đặt cách miệng nịng 100 m Góc hợp mặt bia trục nịng súng đạt (90±2) độ Nịng súng đặt vng góc với mục tiêu; Yêu cầu khả xuyên bia mục tiêu lõi xuyên không nhỏ 80% 3.2 Kết thử nghiệm 10/10 phát xuyên thủng bia, kết bắn thể hình 16 a) Chiều dày bia 18 mm b) Mặt trước bia c) Mặt sau bia Hình 16 Thử nghiệm bắn nghiệm thu đạn 7,62x39 mm xuyên bia thép dày 18 mm Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 10 - 2020 305 Cơ học – Cơ khí động lực KẾT LUẬN Tính tốn mơ phần mềm ANSYS AUTODYN xây dựng đường cong mối quan hệ L/D – vr, qua đánh giá khả xuyên thép loại đạn thiết kế với phương án thiết kế lõi xuyên khác Với đường cong có được, vào kết cấu tổng thể đầu đạn, thông số súng yêu cầu xuyên thép đầu đạn vào mục tiêu để lựa chọn tỉ số L/d hợp lý Khi đó, đầu đạn đảm bảo độ bền kết cấu, ổn định đường bay tiêu chiến - kỹ thuật đặt Thực nghiệm đạn chế tạo theo mẫu đạn 7,62x39 mm khẳng định với tỉ số L/d = 4,48, điều kiện chuẩn đạn đảm bảo xuyên qua bia thép dày 18 mm Kết thử nghiệm phù hợp với kết tính tốn lý thuyết Việc quy định tài liệu thiết kế điều kiện xuyên bia mục tiêu lõi xuyên không nhỏ 80% chấp nhận thực tế sản xuất có sai số chi tiết chế tạo, lắp ghép, sai số thuật phóng điều kiện mơi trường thử nghiệm Như vậy, với tham số vật liệu xác định với tham số vật liệu thư viện ANSYS AUTODYN, sử dụng tính tốn mơ q trình xuyên đầu đạn xuyên động vào thép cho kết phù hợp với kết thử nghiệm, áp dụng q trình thiết kế sản phẩm đánh giá khả xuyên thép đạn xuyên động TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Đề tài cấp Tổng cục Cơng nghiệp Quốc phịng: “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo đạn xuyên giáp 7,62×39 mm” [2] G.A Đanhilin, V.P Ogorodnhicov, A.B Davolocin, (Người dịch: Nguyễn Văn Thủy, Trần Văn Định, Trần Đình Thành), “Cơ sở thiết kế đạn súng binh”, Học viện KTQS, 2007 [3] Nguyễn Văn Thọ, Nguyễn Đình Sại, “Giáo trình Thuật phóng ngồi”, Học viện Kỹ thuật Quân sự, 2003 [4] Nguyễn Đình Hùng, Bùi Ngọc Hưng, Đặng Hồng Triển, Trần Đình Thành, “Nghiên cứu ảnh hưởng kết cấu mũi lõi xuyên đến khả xuyên thép đầu đạn xuyên động năng”, Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Cơng nghệ Quân sự, số 60/2019, trang 170-177 [5] Autodyn Training Course Ansys Workbench Release 11.0.2006 [6] Hallquist, John O LS-DYNA theoretical manual Livermore Software Technology Corporation, 2006 [7] Jane’s Ammunition Handbook 2001 – 2002 [8] LA-4167-MS May 1969 Selected Hugoniots: EOS 7th Int Symp Ballistics Johnson & Cook [9] Зукас Дж А., Киколас Т., Свифт Х Ф., Грешук Л Б., Курран Д Р и др Динамика удара: пер с англ М., Мир, 1985 [10] Высокоскоростные ударные явления: пер с англ, М., Мир, 1973 [11] Чан Динь Тхань, “Влияние удлинения ударника на предельную скорость пробития плиты, Динамика машин и рабочих процессов: cб статей Всероссийской научно-технической конференции” Челябинск, изд ЮУрГУ, 2007 306 N Đ Hùng, …, T Đ Thành, “Nghiên cứu ảnh hưởng … đầu đạn xuyên động năng.” Nghiên cứu khoa học công nghệ ABSTRACT A STUDY ON THE EFFECTS OF PENETRATOR WITH A LENGTH TO DIAMETER RATIO (L/D) TO PENETRATION CAPABILITY OF ARMOR-PIERCING ROUNDS Numerical simulations were performed to study the effect of the length to diameter ratio of penetrator on the penetration capability of armor piercing rounds Balistic results, deformations of the targets and bullets, the residual velocity yields were discussed in comparition with the firing results The research results can be of interest for size and structure selection during design or manufacture of state armor piercing bullets Keyword: L/D ratio; Penetration; Armor piercing bullets; Penetrator Nhận ngày 29 tháng năm 2020 Hoàn thiện ngày 05 tháng 10 năm 2020 Chấp nhận đăng ngày 05 tháng 10 năm 2020 Địa chỉ: 1Viện Vũ khí/Tổng cục Cơng nghiệp Quốc phịng; Cục Quản lý Cơng nghệ/Tổng cục Cơng nghiệp Quốc phòng; Trung tâm Nhiệt đới Việt - Nga; Học viện Kỹ thuật quân *Email: dhungvvk@gmail.com Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 10 - 2020 307 ... vậy, tỉ số L/d lõi xuyên có ảnh hưởng lớn đến khả xuyên thép đầu đạn xuyên động Để nghiên cứu phát triển loại đạn súng xuyên, cần phải có nghiên cứu lý thuyết, kết hợp với thực nghiệm ảnh hưởng tỉ. .. hình ảnh va xuyên phù hợp với lý thuyết tài liệu tham khảo Các đầu đạn khảo sát xuyên thủng bia thép dày 18 mm 304 N Đ Hùng, …, T Đ Thành, ? ?Nghiên cứu ảnh hưởng … đầu đạn xuyên động năng. ” Nghiên. .. Hồng Triển, Trần Đình Thành, ? ?Nghiên cứu ảnh hưởng kết cấu mũi lõi xuyên đến khả xuyên thép đầu đạn xuyên động năng? ??, Tạp chí Khoa học Kỹ thuật Công nghệ Quân sự, số 60/2019, trang 170-177 [5]