Nghiên cứu trạng thái ứng suất và biến dạng thành nòng pháo SU 122mm khi bắn bằng phần mềm ANSYS

Bài viết trình bày kết quả tính toán trường nhiệt độ, ứng suất và biến dạng của nòng pháo SU 122 mm khi bắn một phát và bắn nhiều phát liên tiếp bằng phần mềm ANSYS Workbench trên cơ sở sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn.

HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Nghiên cứu trạng thái ứng suất biến dạng thành nòng pháo SU 122mm bắn phần mềm ANSYS Researching the stress and strain state of SU 122mm cannon when firing using ANSYS software Lê Cơng Ích*, Vũ Cơng Hàm, Trần Quang Dũng Học viện Kỹ thuật Quân *Email: ichlecong@gmail.com Mobile: 0983.134.436 Tóm tắt Từ khóa: Áp suất khí thuốc; Biến dạng; Nhiệt độ; SU 122 mm; Ứng suất Bài báo trình bày kết tính tốn trường nhiệt độ, ứng suất biến dạng nòng pháo SU 122 mm bắn phát bắn nhiều phát liên tiếp phần mềm ANSYS Workbench sở sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn Các kết tính tốn ứng suất biến dạng nịng pháo có kể đến đồng thời ảnh hưởng áp suất nhiệt độ khí thuốc Các kết sử dụng để đánh giá độ bền tuổi thọ nòng pháo, đồng thời thể ứng xử nòng pháo SU 122 mm bắn Abstract Keywords: Pressure of gas; Strain; Temperature; SU 122 mm; Stress This paper presents calculation results of the temperature, stress and strain of the SU 122mm cannon when firing a single shot and multiple shots by using ANSYS Workbench software based on finite element method The calculated stress and strain results simultaneously affected pressure and temperature of gas The results are used to estimate strengths and life expectancy of the cannon barrel, as well as to show behavior of the SU 122mm ‘s barrel when firing Ngày nhận bài: 03/07/2018 Ngày nhận sửa: 03/9/2018 Ngày chấp nhận đăng: 15/9/2018 GIỚI THIỆU Nòng pháo phận quan trọng vũ khí, có ảnh hưởng lớn đến độ xác bắn Những vấn đề liên quan đến động lực học nòng súng pháo nhiều tác giả quan tâm nghiên cứu Chẳng hạn tốn dao động nịng bắn [1], tuổi thọ nòng [2], [3]… Tuy nhiên, nghiên cứu nước thường tập trung vào loại vũ khí có cỡ nòng nhỏ Đối với pháo cỡ nòng lớn 100 mm SU 122 mm, SU 152 mm… chưa nhiều tác giả quan tâm nghiên cứu Trên giới, vấn đề nghiên cứu vũ khí nói chung nịng súng pháo nói riêng thường cơng bố rộng rãi nhiều lý khác Một số nghiên cứu tiếp cận [8], [9]… Trong [8], tác giả đưa lời giải HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 giải tích đơn giản tốn ứng suất biến dạng nòng súng, sử dụng phương pháp lượng tiêu chuẩn Von Mises với biến thành phần ứng suất phương trình thuật phóng biết Kết giải giải tích so sánh với phương pháp số để kiểm tra độ tin cậy Trong [9], tác nghiên cứu ổn định nhiệt nòng súng giải vấn đề tác dụng khí thuốc lên thành nòng mặt cắt pmax phương pháp phần tử hữu hạn Điều kiện làm việc nòng súng pháo nói chung khắc nghiệt, vừa chịu áp suất cao khí thuốc, vừa chịu nhiệt độ Vì vậy, nghiên cứu tác giả trình bày kết tính tốn trạng thái ứng suất biến dạng nòng pháo SU 122 mm bắn phát bắt nhiều phát liên tiếp phương pháp phần tử hữu hạn sử dụng phần mềm ANSYS Workbench MƠ HÌNH TÍNH TỐN NỊNG PHÁO SU 122 MM 2.1 Mơ hình nịng pháo Các giả thiết sau sử dụng để xây dựng mơ hình tính tốn [6, 7]: - Nịng pháo ống hình trụ dày, thành trụ trơn, khơng tính đến dịng nhiệt chảy bao - Sự nung nóng nịng khí thuốc ma sát đai dẫn với bề mặt rãnh nòng bắn - Trong khoảng thời gian sau phát bắn, coi hệ số tỏa nhiệt vào thành nòng khơng - Khơng tồn dịng nguồn nhiệt bên vật liệu thành nòng - Bỏ qua biến dạng nhiệt thay đổi chiều dày thành nòng mài mòn bắn Với giả thiết nêu trên, mơ hình nịng pháo SU 122mm xây dựng mơ hình 2D phần tư mặt cắt nịng Mơ hình tải trọng tác dụng lên nịng pháo mơ hình phẳng 2D phần tư nòng thể hình hình Khóa nịng Buồng đốt d bd1 pt , Tt d bd2 d Đầu đạn Nòng vd Hình Mơ hình tải trọng tác dụng lên nịng pháo SU 122mm Hình Mơ hình phẳng 2D mặt cắt nịng mơ hình PTHH phần tư mặt cắt nịng Khi thuốc phóng cháy, tồn phần lòng nòng sau đáy đạn chịu tác dụng áp lực khí thuốc pt nhiệt độ khí thuốc Tt Các giá trị pt Tt thay đổi theo q trình chuyển động đạn lịng nịng nhận giải tốn thuật phóng HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 2.2 Các thuộc tính vật liệu nịng pháo SU 122 mm Các thơng số vật liệu nịng pháo SU 122mm sử dụng làm thơng số đầu vào cho tốn khảo sát trường nhiệt độ, ứng suất biến dạng trình bày bảng Bảng Tính chất vật liệu nòng pháo SU 122 mm (theo OCT 4543-71) T-nhiệt độ E-mơ đun -hệ số giản nở -hệ số dẫn nhiệt đàn hồi (Pa) (C) (W/m.0K) nhiệt (1/K) 48 20 2,141011 10,110-6 11 -6 46 100 2,1110 11,910 42,7 200 2,061011 12,510-6 42,3 300 2,031011 13,210-6 11 -6 38,5 400 1,8510 13,810 11 -6 35,6 500 1,7610 14,110 31,9 600 1,641011 14,410-6 11 -6 28,8 700 1,4310 14,610 11 -6 26 800 1,3210 14,910 -mật độ C-nhiệt dung riêng (J/(kg.K)) (kg/m3) 7820 440 7800 466 7770 508 7740 529 7700 563 7670 592 7630 622 7590 634 7610 664 -hệ số Poisson 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 0,3 2.3 Bài tốn thuật phóng xác định nhiệt độ áp suất khí thuốc 2.3.1 Hệ phương trình vi phân thuật phóng Với giả thiết [4], HPTVP thuật phóng pháo SU 122mm thiết lập sau: dz / dt  s  p / I k  d / dt  s1    (1  2 z  3 z )  dz/ dt  (1) dv / dt  s2  p  S /  m  dl / dt  v  dT / dt   T / f    f  /     d / dt   T   f  /  T     d / dt    mv   dv / dt  1    đó: z - bề dày cháy tương đối thuốc phóng;  - thể tích tương đối thuốc phóng cháy; v - vận tốc chuyển động đạn lòng nòng; l - quãng đường chuyển động đạn nịng; T - nhiệt độ khí thuốc lòng nòng, s1, s2 - hệ số điều khiển (khi thuốc phóng cháy s1 = 1, thuốc phóng cháy hết s1 = 0, đầu đạn chưa chuyển động s2 = 0, đạn chuyển động s2 = 1), p - áp suất thuật phóng, Ik - xung lượng tồn phần áp suất khí thuốc, , ,  - đặc trưng hình dạng thuốc phóng, S - diện tích tiết diện lịng nịng,  - hệ số tính cơng thứ yếu, m - khối lượng đầu đạn,  - số đa biến sản phẩm khí, phụ thuộc vào thành phần thuốc phóng nhiệt độ,  - trọng lượng liều thuốc phóng, f - lực thuốc phóng, T1 - nhiệt độ trung bình khí thuốc thời điểm tạo thành cháy thuốc phóng 2.3.2 Phương pháp giải hệ phương trình vi phân thuật phóng Hệ phương trình thuật phóng (1) giải phương pháp Runge-Kutta, sử dụng phần mềm MATLAB Đối với pháo SU 122mm, thông số đầu vào bao gồm đặc trưng cấu tạo súng pháo, đạn, đặc trưng thuốc phóng điều kiện nhồi xác định [5] cách tra cứu số liệu vũ khí, đạn HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 2.4 Bài tốn truyền nhiệt nịng pháo SU 122 mm Q trình truyền nhiệt nịng súng pháo bắn có đặc trưng phức tạp bao gồm có trao đổi nhiệt đối lưu, dẫn nhiệt xạ nhiệt 2.4.1 Sự trao đổi nhiệt lòng nòng Theo A S Chasikhin [6], giá trị trung bình hệ số toả nhiệt khoảng thời gian tác dụng nhiệt phát bắn tính theo công thức:    r  A  p.u 0,8 x / d k0,2 x  xmin (2) đó: x - vị trí mặt cắt tương ứng so với mặt cắt nịng; xmin - mặt cắt đầu rãnh xoắn   nòng; p.u - giá trị trung bình tích áp suất với vận tốc khí thuốc mặt cắt x khoảng x thời gian tác dụng nhiệt phát bắn; dk - đường kính tương đương rãnh nịng, xác định theo công thức: d k  4S /  (với S diện tích mặt cắt ngang rãnh nịng khoảng cách x tính từ mặt cắt nịng); Aα - hệ số phù hợp với thực nghiệm 2.4.2 Sự tỏa nhiệt bề mặt ngồi nịng Hệ số toả nhiệt bề mặt ngồi nịng t có tính đến q trình trao đổi nhiệt đối lưu xạ nhiệt [6] tính theo cơng thức: t = dl + bx (3) đó: dl: hệ số tỏa nhiệt đối lưu tự cưỡng bức, bx: hệ số tỏa nhiệt có xạ nhiệt Các hệ số dl bx xác định theo [6] 2.4.3 Sự tỏa nhiệt buồng đốt Theo chiều dài phần buồng đốt nòng, hệ số dẫn nhiệt [6] lấy xấp xỉ theo công thức sau:  r  z    HH  z / z HH  A  d / d KM 1  z / z HH   (4) đó: A - hệ số phụ thuộc dạng thuốc phóng; HH - hệ số dẫn nhiệt tiết diện đầu rãnh xoắn; z, zHH - tương ứng khoảng cách từ đáy buồng đốt tiết diện cần tính đến tiết diện đầu rãnh xoắn; d, dKM - cỡ nịng đường kính buồng đốt tiết diện tính 2.5 Kết tốn thuật phóng toán truyền nhiệt Kết giải toán thuật phóng trình bày hình (các trục hồnh có đơn vị chiều dài L [dm] - hình bên trái, thời gian t [s] - hình bên phải, trục tung có đồng thời hai đơn vị khác nhau, ứng với đường đứt đơn vị vận tốc V [m/s], đường liền đơn vị áp suất P [KG/cm2], thông số đơn vị thể phần thích legend đồ thị) Các kết tính tốn kết [5] có sai khác nhỏ, khoảng 6,12%, đủ tin cậy để làm thơng số đầu vào cho tốn truyền nhiệt tốn tính ứng suất biến dạng nịng pháo HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Hình Đồ thị thuật phóng theo quãng đường chuyển động đạn theo thời gian Từ kết giải tốn cơng thức (2), (3) (4), hệ số tỏa nhiệt đối lưu thành nịng mơi trường, nhiệt độ trung bình khí thuốc, hệ số tỏa nhiệt đối lưu khí thuốc vào lịng nịng buồng đốt tính phần mềm MATLAB thể hình hình Tương tự trền hình 3, trục đồ thị có đồng thời nhiều thơng số đơn vị khác nhau, chúng thể phần thích legend đồ thị, trục có thông số đơn vị, chúng thể trục đồ thị Hình Hệ số tỏa nhiệt đối lưu thành nịng với mơi trường nhiệt độ khí thuốc, nhiệt độ trung bình khí thuốc Hình Hệ số tỏa nhiệt đối lưu khí thuốc vào lòng nòng buồng đốt HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 2.6 Phương pháp xác định ứng suất, biến dạng nòng pháo SU 122mm Để xác định trường nhiệt độ, ứng suất biến dạng nòng pháo, nhóm tác giả sử dụng phần mềm ANSYS Workbench với hai mô đun Transient Thermal Transient Structural Kết khảo sát thực mặt cắt nòng pháo Trên bảng bảng thông số số mặt cắt tiêu biểu nịng pháo Theo tính kỹ chiến thuật, pháo SU 122 mm bắn đạt tốc độ  phát/phút (điều phụ thuộc thời gian thao tác kíp chiến đấu điều kiện hoạt động pháo), nhóm tác giả tính tốn bắn liên tục phát thời gian 60s Khi bắn phát, thời gian tính tốn 15s, thời gian đạn chuyển động nịng  1,175×10-2s Bảng Các thơng số tính tốn mặt cắt buồng đốt Nhiệt độ TB khí thuốc (K) 1300,15 1300,15 Vị trí mặt cắt Mặt cắt buồng đốt thứ Mặt cắt buồng đốt thứ Áp suất khí thuốc (KG/cm2) 470,56 470,56 HSTNĐL lòng nòng (W/m2.K) 373580 327070 Bảng Các thơng số tính tốn mặt cắt lịng nịng Vị trí mặt cắt Đầu rãnh xoắn pmax Thuốc phóng cháy hết Đầu nịng HSTNĐL lịng Áp suất khí Thời gian Chiều dài Vận tốc đầu Nhiệt độ TB (s) nịng (dm) đạn (m/s) khí thuốc (K) thuốc (KG/cm2) nòng (W/m2.K) 0,0041 0,0066 0,0110 3,375 13,225 39,225 240,45 484,89 658,67 1300,15 1232,32 1188,72 1129,04 470,56 2501,27 1676,05 523,58 35724,03 35238,46 33637,45 31647,97 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Trường nhiệt độ, ứng suất, biến dạng nòng pháo bắn phát Sự thay đổi nhiệt độ lớn theo thời gian mặt cắt tiêu biểu thể hình Kết tính tốn cho thấy nhiệt độ phân bố buồng đốt tương đối giống Nhiệt độ lớn mặt cắt buồng đốt đạt 986  991C Nhiệt độ lớn mặt cắt lòng nòng nhỏ mặt cắt buồng đốt giảm dần theo thời gian tỏa nhiệt bề mặt nịng mơi trường a Các mặt cắt buồng đốt b Các mặt cắt lịng nịng Hình Sự thay đổi nhiệt độ lớn mặt cắt tiêu biểu HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Hình thể kết tính tốn trường nhiệt độ, ứng suất biến dạng thời điểm áp suất khí thuốc lớn tmax = 0,0041s mặt cắt ứng với áp suất khí thuốc lớn Các giá trị ứng suất biến dạng lớn mặt cắt tiêu biểu buồng đốt lòng nịng trình bày bảng Hình Phân bố nhiệt độ, ứng suất biến dạng mặt cắt pmax thời điểm tmax Bảng Giá trị ứng suất biến dạng lớn mặt cắt tiêu biểu Mặt cắt Mặt cắt buồng đốt thứ Mặt cắt buồng đốt thứ Mặt cắt đầu rãnh xoắn Mặt cắt pmax Mặt cắt thuốc phóng cháy hết pk Mặt cắt đầu nòng tm = 0,0041s ƯSLN [Pa] BDLN [mm] 0,234 4,33010 0,217 4,172108 0,168 5,06810 0,173 4,00310 - t = 15s ƯSLN [Pa] BDLN [mm] 0,099 3,24710 0,095 3,111108 0,035 1,03310 0,067 1,67810 0,051 2,742107 0,116 1,18110 3.2 Trường nhiệt độ, ứng suất biến dạng nòng pháo bắn phát Tương tự bắn phát, thay đổi nhiệt độ lớn theo thời gian mặt cắt tiêu biểu bắn liên tục phát phút thể hình a Các mặt cắt buồng đốt b Các mặt cắt lịng nịng Hình Sự thay đổi nhiệt độ lớn mặt cắt tiêu biểu bắn liên tục phát HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Sự phân bố trường nhiệt độ, ứng suất biến dạng mặt cắt ứng với vị trí thuốc phóng cháy hết thời điểm tk = 45,0066s thể hình Các giá trị ứng suất biến dạng lớn mặt cắt tiêu biểu thời điểm 45,0041s 60s thể bảng Hình Phân bố nhiệt độ, ứng suất biến dạng mặt cắt pk thời điểm tk Bảng Giá trị ứng suất biến dạng lớn mặt cắt tiêu biểu Mặt cắt Mặt cắt buồng đốt thứ Mặt cắt buồng đốt thứ Mặt cắt đầu rãnh xoắn Mặt cắt pmax Mặt cắt thuốc phóng cháy hết pk Mặt cắt đầu nòng tm = 45,0041s ƯSLN [Pa] BDLN [mm] 0,441 5,33910 0,419 5,11710 0,125 4,52110 0,334 3,83110 0,178 3,04610 0,386 1,994107 t = 60s ƯSLN [Pa] BDLN [mm] 0,314 4,91910 0,304 3,11110 0,122 1,61310 0,235 2,52610 0,178 3,04610 0,386 1,994107 3.3 Nhận xét kết tính tốn Qua kết khảo sát trường nhiệt độ, ứng suất biến dạng nòng pháo bắn phát bắn nhiều phát liên tiếp rút số nhận xét sau: - Nhiệt độ trong buồng đốt lớn nhiệt độ phần rãnh xoắn nhiệt độ mặt cắt nòng pháo bắn khác chứng tỏ có phân bố nhiệt độ theo chiều dài nịng - Sau phát bắn, nhiệt độ lớn mặt cắt lịng nịng tăng lên đáng kể (hình 8) Đó ảnh hưởng phát bắn trước, nhiệt độ ban đầu trước bắn phát nịng pháo cao phát bắn trước - Khi bắn phát, ứng suất lớn mặt cắt buồng đốt đạt khoảng 4,330108 Pa, mặt cắt lịng nịng ứng suất mặt cắt lòng nòng số lớn 5,068108Pa Khi bắn liên tục phát phút, ứng suất lớn buồng đốt đạt khoảng 5,339108Pa, mặt cắt lòng nòng 4,521108Pa So với vật liệu chế nòng pháo SU 122mm (σb = 7,85108  9,00108Pa [2, 5], hệ số an tồn n = 1,1  1,2) chứng tỏ nịng đủ bền - Khi bắn liên tục phát phút, biến dạng nòng pháo tăng lên đáng kể, ví dụ mặt cắt đầu nịng, biến dạng thời điểm t = 60s bắn phát/phút tăng lên 3,3 lần so với bắn phút thời điểm t = 15s KẾT LUẬN Bài báo trình bày kết giải tốn thuật phóng tính tốn nhiệt pháo SU 122mm sử dụng để khảo sát trường nhiệt độ, ứng suất biến dạng nòng pháo HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Kết tính toán cho thấy phân bố nhiệt độ theo chiều dài nòng pháo nhiệt độ thành nòng pháo sau phát bắn bắn liên tục tăng lên đáng kể Điều dẫn đến ứng suất, biến dạng nhiệt độ nịng pháo tăng ảnh hưởng đến độ xác bắn tuổi thọ nịng pháo Các kết khảo sát tính tốn sở cho việc tính tốn tuổi thọ nịng - giới hạn số phát bắn, thiết kế chế tạo nòng pháo SU 122mm DANH MỤC DANH PHÁP/KÝ HIỆU HPTVP : HSTNDL : PTHH : USLN : BDLN : Hệ phương trình vi phân Hệ số tỏa nhiệt đối lưu Phần tử hữu hạn Ứng suất lớn Biến dạng lớn TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Lanh, N H., 1996 Nghiên cứu dao động nòng bắn, Học viện KTQS, Luận án tiến sĩ [2] Nguyện, H H., 2017 Nghiên cứu trường nhiệt, ứng suất, biến dạng nịng pháo phịng khơng 37mm K65-2 bắn liên thanh, Học viện KTQS, Luận văn cao học [3] Lanh, N H., Hải, N T., Thuấn, N Q., 2006, Q trình xung nhiệt nịng súng pháo, Nhà xuất Quân đội nhân dân, Hà Nội [4] Điện, T Đ., Lượng, N Q., Doanh, T V., 2003 Thuật phóng trong, Học viện Kỹ thuật Quân sự, Hà Nội [5] Lượng, N Q., Trình, T Q., 2010 Số liệu vũ khí - đạn, Học viện Kỹ thuật Quân sự, Hà Nội [6] Lanh, N H., Hải, N T., Thuấn, N Q., 2006 Q trình xung nhiệt nịng súng pháo, NXB Quân đội nhân dân, Hà Nội [7] Chương, P H., 2001 Tuổi thọ nòng, Nhà xuất Quân đội nhân dân, Hà Nội [8] Babaei, H., Malakzadeh, M., Asgari, H 2015 “Stress Analysis of Gun Barrel Subjected to Dynamic Pressure”, International Journal of Mechanical Engineering and Applications, Vol 3, No 4, pp 71-80 [9] Akcay, M., and Yukselen, M A., 2014 Unsteady thermal studies of gun barrels during the interior ballistic cycle with non-homogenous gun barrel material thermal characteristics, Military Academy Defense Institute, Turkey  ... áp su? ??t cao khí thuốc, vừa chịu nhiệt độ Vì vậy, nghiên cứu tác giả trình bày kết tính tốn trạng thái ứng su? ??t biến dạng nòng pháo SU 122 mm bắn phát bắt nhiều phát liên tiếp phương pháp phần. .. Các giá trị ứng su? ??t biến dạng lớn mặt cắt tiêu biểu buồng đốt lịng nịng trình bày bảng Hình Phân bố nhiệt độ, ứng su? ??t biến dạng mặt cắt pmax thời điểm tmax Bảng Giá trị ứng su? ??t biến dạng lớn... Các giá trị ứng su? ??t biến dạng lớn mặt cắt tiêu biểu thời điểm 45,0041s 60s thể bảng Hình Phân bố nhiệt độ, ứng su? ??t biến dạng mặt cắt pk thời điểm tk Bảng Giá trị ứng su? ??t biến dạng lớn mặt