HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Nghiên cứu ảnh hưởng kết cấu báng súng đến dao động súng tự động cầm tay bắn Studying the effects of stock’s structure on the oscillation of rifles when shooting Tạ Văn Phúc1,*, Nguyễn Văn Dũng2, Nguyễn Việt Dũng2, Uông Sỹ Quyền2 Trường Trung cấp kỹ thuật Quân khí Học Viện kỹ thuật Quân *Email: tvphucss@gmail.com Mobile: 0984593536 Tóm tắt Từ khóa: Báng súng; Cơ sinh; Dao động; Ổn định; Súng tự động Bài báo trình bày mơ hình hóa hệ “vũ khí - xạ thủ” xây dựng hệ phương trình vi phân mơ tả chuyển động không gian hệ bắn Áp dụng cho súng tiểu liên AK tiến hành khảo sát ảnh hưởng kết cấu báng súng đến dao động súng bắn Đây sở cho phép khảo sát ảnh hưởng yếu tố đến ổn định súng tự động cầm tay bắn Abstract Keywords: Stock; Biomechanical; Oscillation; Stability; Automatic rifles This paper presents the modeling of the "weapon - shooter" system and the method for establishing a differential equations system to describe the oscillationof the "weapon - shooter" system while firing This is applied to AK rifles and to investigates the effects of stock’s structure to the oscillation of the rifle while firing This is the basis for investigating the effect of the stabilizing factors of gunswhen shooting Ngày nhận bài: 01/7/2018 Ngày nhận sửa: 06/9/2018 Ngày chấp nhận đăng: 15/9/2018 ĐẶT VẤN ĐỀ Nghiên cứu dao động hệ “vũ khí - xạ thủ” bắn có ý nghĩa quan trọng để từ phân tích ảnh hưởng yếu tố đến ổn định súng bắn Đã có nhiều nghiên cứu vấn đề này, nhiên mơ hình nghiên cứu trước chưa kể đến ảnh hưởng vị trí cầm súng đến ổn định súng bắn Vì cần xây dựng mơ hình nghiên cứu sát thực tế có kể đến ảnh hưởng vị trí cầm súng xạ thủ Để xây dựng mô hình cần có nghiên cứu hệ sinh thể người Trên sở mơ hình phương pháp Lagrange xây dựng hệ phương trình vi phân mô tả dao động hệ khảo sát ảnh hưởng kết cấu báng súng đến ổn định súng tự động cầm tay bắn HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 MƠ HÌNH CÁNH TAY XẠ THỦ Ở phần nghiên cứu cấu trúc hoạt động hệ xương, chi (cánh tay) theo quan điểm giải phẫu sinh học, thiết lập phân tích mơ hình học tương đương 2.1 Mơ hình sinh học khớp, xương cánh tay Cánh tay bao gồm phần cấu thành: Cánh tay trên, cánh tay bàn tay Các phận liên kết với thân người thông qua khớp vai, cánh tay liên kết với cánh tay khớp khuỷu tay, cánh tay liên kết với bàn tay thông qua khớp cổ tay Các phận chuyển động thơng qua điều khiển hệ thống thần kinh, nhóm cơ, gân Cánh tay có khả chuyển động theo hướng khác để thực nhiệm vụ định việc cầm nắm, giữ súng thực bắn súng Cổ tay Khuỷu tay Vai Bàn tay Cánh tay Cánh tay Hình Cánh tay Theo mơ hình Osteokinematics, cánh tay có bậc tự hình (vai 3, khuỷu tay 1, cổ tay 3) Hình Các bậc tự cánh tay 2.2 Mơ hình sinh học gân Cơ phận sinh lực, tạo chuyển động, sinh lực co, giãn trở thành thụ động Trong cấu vận động, xương khớp phần tử bị động Chúng chuyển động có tác dụng ngoại lực, có lực [7] Cơ có vai trị động máy móc Hiện nay, nghiên cứu lĩnh vực sinh học đại xét đến chuyển động phận thể người Các nhà khoa học chuyển ảnh hưởng đặc tính cơ, gân khớp xương dạng mô men đặt khớp Chúng ta kể đến mơ hình Михаил Васильевич Грязев [10], Ronald L Huston [8], ví dụ xét mặt phẳng có trục quay q1, q4, q6 song song với sau: HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 S M1 M6 q1 W M4 E q q4 Hình Lực bắp thay mô men khớp Mỗi chuyển động quay thực nhóm chuyên biệt, nhiên để đơn giản giả thiết chuyển động quay quanh khớp thực độc lập nhóm Lúc lực bắp thay mô men M1 , M , M [9,10] giá trị tính sau: M i M i0 ki qi ciqi ; i 1,4,6 (1) đó: M i0 mô men bắp lúc ban đầu (mô men giữ) ki độ cứng bắp; ci hệ số giảm chấn bắp qi , qi chuyển vị góc quay vận tốc góc quay khớp Các giá trị M i0 , ki , ci xác định từ thực nghiệm tham khảo tài liệu [4,5,6] MƠ HÌNH CƠ HỆ “VŨ KHÍ - XẠ THỦ” KHI BẮN 3.1 Nguyên lý hoạt động hệ Súng tự động cầm tay làm việc theo nguyên lý trích khí thuốc qua thành nòng đẩy vào bề mặt piston làm chuyển động phận súng Do tác dụng áp suất khí thuốc đẩy đầu đạn chuyển động trước đồng thời làm cho súng chuyển động sau quanh điểm tỳ vai gây dao động cho súng 3.2 Mơ hình tính tốn Mơ hình hệ gồm vật: - Vật 1: Vai xạ thủ mô thành khối lượng tập trung m1 - Vật 2: Thân súng có khối lượng m2 - Vật 3: Khâu sở có khối lượng m3 - Vật 4: Cánh tay tay phải (APBP) có khối lượng m4 - Vật 5: Cánh tay tay phải (BPCP) có khối lượng m5 - Vật 7: Cánh tay tay trái (ATBT) có khối lượng m7 - Vật 8: Cánh tay tay trái (BTCT) có khối lượng m8 - Vật (bàn tay phải CPDP) vật (bàn tay trái CTDT) có khối lượng m6, m9 - Các khâu làm việc máy tự động có khối lượng mi HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 mi z k3 AP cv m1 y kv m2 O' CP m6 AT m4 m5 m BP Pz m3 Py Px CT DP m9 DT m8 BT O x Hình Mơ hình hệ “súng - xạ thủ” Mơ hình hệ nghiên cứu xét khơng gian có tính đến tương quan vật đồng thời hệ Để khảo sát động lực học hệ ta gắn cho hệ vật thuộc hệ hệ trục tọa độ Đề để việc mơ tả cấu hình hệ đơn giản thuận tiện tính tốn [1,3] DT DP Hình Hệ trục tọa độ địa phương gắn vật 1, 2, 3, i - Hệ toạ độ cố định (hệ toạ độ đất) O0 - Hệ tọa độ động (hệ tọa độ địa phương) O1 gắn với vật - Hệ tọa độ động O2 gắn chặt với vật - Hệ toạ độ động O3 gắn chặt với vật z AP cv CP DP m1 y O kv x BP Hình Hệ trục tọa độ địa phương gắn vật 4, 5, tay phải - Hệ tọa độ động O4 , O7 theo thứ tự gắn chặt với vật 4, - Hệ tọa độ động O5 , O8 theo thứ tự gắn chặt với vật 5, - Hệ tọa độ O6 , O9 theo thứ tự gắn chặt với vật 6, (bàn tay) - Hệ toạ độ động Oi có gốc trùng trọng tâm ban đầu vật i HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Đối với hệ nghiên cứu có 13 bậc tự do, sử dụng 22 tọa độ suy rộng để miêu tả chuyển động hệ Để thuận tiện tính tốn tọa độ suy rộng độc lập đánh số từ q1 đến q13 , tọa độ suy rộng phụ thuộc đánh số từ q14 đến q21 qi Bảng Các tọa độ suy rộng Kí hiệu Mơ tả chuyển động Kí hiệu Mơ tả chuyển động q1 Tịnh tiến dọc trục X0 vật q12 Quay quanh trục Z1 vật q2 Quay quanh trục X vật q13 Quay quanh trục Z vật q3 Quay quanh trục Y1 vật q14 Quay quanh trục X vật q4 Quay quanh trục Z1 vật q15 Quay quanh trục Y5 vật q5 Tịnh tiến theo trục X vật q16 Quay quanh trục Z vật q6 Quay quanh trục X vật q17 Tịnh tiến theo trục X vật q7 Quay quanh trục Y1 vật q18 Quay quanh trục X vật q8 Quay quanh trục Z1 vật q19 Quay quanh trục Y8 vật q9 Quay quanh trục Z vật q20 Quay quanh trục Z vật q10 Quay quanh trục X vật q21 Tịnh tiến theo trục X vật q11 Quay quanh trục Y1 vật qi Tịnh tiến theo trục X i vật i 3.3 Động Động hệ tổng động vật hệ, xét vật thứ k có: RR T Tk RkT M k Rk kT Ak J k Ak k đó: (2) Rk véctơ vị trí khối tâm vật k hệ trục cố định O0 M kRR ma trận khối lượng chuyển động tịnh tiến vật k k véctơ vận tốc góc vật k biểu diễn hệ trục O0 Ak ma trận quay tuyệt đối vật k J k tenxơ quán tính vật k hệ trục Ok 3.4 Công khả dĩ, lực suy rộng Xét công khả dĩ, lực suy rộng lực Fk: WFk - F Tk Rk Rk Rk qj j 1 q j 13 Trường hợp công khả dĩ, lực suy rộng mô men Mk: 13 T WM k M k k k k q j j 1 q j Từ phương trình liên kết, ta tính biến phân phụ thuộc biểu diễn qua biến phân độc lập cho phép tính lực suy rộng hệ HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Thay giá trị tìm vào phương trình Lagrange ta có hệ phương trình vi phân mơ tả dao động hệ: T d T T Q C P qi dt q q (3) T đó: q qTd qiT với qi , qd tọa độ suy rộng độc lập phụ thuộc T, Q tổng động năng, lực suy rộng hệ 1 C p Cqd Cqi xác định theo hệ phương trình liên kết đủ hệ Hệ phương trình thuật phóng phương trình nhiệt động buồng khí [2] súng bắn: p.S dv dz p dv dt 13 m ; dt 13 v ; dt I ; k d c αδ p dw p t 1 2 z bGb 1 Gd ; ξ2 χ.ωt 1 λz sv ; Ik dt δ Ik dt dp p t f Kp αδ 1 2 z KpSV K G 1 G K p p b b t d 3 dt w I k δ dωb dwb dpb ξi X.S k.R.T.Gb k.R.Tb k.pb wb ξi b ; dt ξi Gb Gbk ; dt dt wb (4) KẾT QUẢ TÍNH TỐN Áp dụng cho xạ thủ có chiều cao 165 cm, cân nặng 66 kg [8] bắn súng tiểu liên AK với hai báng súng có kết cấu khác nhau: không đàn hồi báng súng đàn hồi hình: Hình Cấu tạo báng súng đàn hồi Hình Vị trí lắp đầu đo Tiến hành bắn đo thông số thực nghiệm để so sánh với kết tính tốn lý thuyết thực hầm bắn thử nghiệm với điều kiện thử nghiệm sau: nhiệt độ 300C, độ HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 ẩm 70% Thực nghiệm sử dụng cảm biến (sensor) gắn nòng súng, vị trí tay xạ thủ gồm cổ tay, khuỷu tay, vai để xác định thông số dịch chuyển Để so sánh dịch chuyển xác, thực nghiệm sử dụng 02 camera tốc độ cao Fastcam SA1.1, model 675K - C1 với khả ghi tối đa 675 000 hình/giây (fr.s-1), đặt theo phương ngang phương đứng hình Kết thực nghiệm sử lý phần mềm DASYLab Camera Camera Sensors Hình Hình ảnh thực nghiệm Giải đồng thời hệ phương trình dao động hệ với phương trình thuật phóng phương trình nhiệt động buồng khí [2] Với thơng số đầu vào xác định thực nghiệm đo tính tốn phần mềm Solidworks sử dụng kết thực nghiệm, tiến hành giải so sánh kết tính tốn sau chạy chương trình phần mềm Matlab với báng súng không đàn hồi báng súng đàn hồi thể hình 10, hình 11 0 Bang khong dan hoi Bang dan hoi -0.04 -0.06 -0.08 -0.02 -0.03 -0.04 -0.05 -0.1 -0.12 Bang khong dan hoi Bang dan hoi -0.01 Goc quay [rad] Goc [rad] -0.02 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 Thoi gian [s] Hình 10 Đồ thị góc nảy đầu nịng mặt phẳng thẳng đứng (lý thuyết) 0.3 -0.06 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 Thoi gian [s] Hình 11 Đồ thị góc quay đầu nịng mặt phẳng nằm ngang (lý thuyết) So sánh kết tính tốn lý thuyết kết đo thực nghiệm với xạ thủ nằm bắn súng AK có báng khơng đàn hồi thể hình 12, hình 13 Hình 12 Đồ thị góc nảy đầu nịng mặt phẳng thẳng đứng (lý thuyết - thực nghiệm) Hình 13 Đồ thị góc quay đầu nòng mặt phẳng nằm ngang (lý thuyết - thực nghiệm) HỘI NGHỊ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ TỒN QUỐC VỀ CƠ KHÍ LẦN THỨ V - VCME 2018 Nhận xét: Kết tính tốn cho thấy giá trị góc nảy theo phương đứng phương ngang nòng súng hai trường hợp khác Đối với báng súng đàn hồi giá trị góc nảy, góc quay nhỏ bắn với báng súng khơng đàn hồi Vì vậy, thiết kế báng súng đàn hồi giúp cho súng ổn định Tuy nhiên, giá trị độ cứng báng đàn hồi cần khảo sát dải rộng (trong báo sử dụng độ cứng k = 0,3 N/mm) Kết thực nghiệm cho thấy kết tính tốn lý thuyết tương đối phù hợp Do đó, mơ hình dùng để khảo sát ảnh hưởng thông số khác ảnh hưởng đến độ ổn định súng tự động cầm tay bắn KẾT LUẬN Bài báo trình bày sở xây dựng mơ hình sinh cánh tay xạ thủ Đã xây dựng mơ hình nghiên cứu dao động hệ “vũ khí - xạ thủ” có kể đến ảnh hưởng vai hai tay xạ thủ bắn Bài báo áp dụng khảo sát dao động súng với loại báng súng khác súng tiểu liên AK Kết thực nghiệm cho thấy mơ hình dùng để khảo sát độ ổn định hệ với điều kiện đầu vào khác làm sở cho việc đánh giá mức độ ảnh hưởng số thông số tới độ xác bắn súng TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Đông Anh, 2000, Động lực học hệ vật rắn, Tài liệu dịch, NXB Xây dựng [2] Trần Đăng Điện, 2006, Bài tập thuật phóng trong, Học viện Kỹ thuật quân sự, Hà Nội [3] Nguyễn Văn Khang, 2007, Động lực học hệ nhiều vật, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [4] Jurgen Konczak , Kai Brommann, Karl Theodor Kalveram, 1999, "Identification of Time-Varying Stiffness, Damping, and Equilibrium Position in Human Forearm Movements", Motor Control, Dusseldorf, Germany 3, tr 394-413 [5] M M Rahman , R Ikeura and K Mizutani, 2002, "Impedance characteristic of human arm for cooperative robot", Muju Resort, Jeonbuk, Korea October 16 - 19, tr 1455-1460 [6] E Churchill et al, Anthropometric Source Book, 1978, Tập I: Anthropometry for Designers, III-84 to III-97, and IV-37, NASA Reference Publication, Yellow Spring, OH [7] Hill A.V & Sec R.S, 1938, "The Heat of Shortening and the Dynamic Constants of Muscle", Proceedings of the Royal Society of London Series B, Biological Sciences, Vol.126, tr 136-195 [8] Ronald L Huston, 2009, Principles of Biomechanics, Press Taylor & Francis Group [9] Yamaguchi G.T, 2001, Dynamic Modeling of Musculoskeletal Motion, Kluwer Academic Publishers, Springer [10] А.Г.Шипунов, В.П.Грязев, Э.Н.Давыдов, В.Ф.Матасов, Ф.В.Матасов, В.П.Танаев, 2004, система "стрелок - оружие", Тула ... khảo sát ảnh hưởng thông số khác ảnh hưởng đến độ ổn định súng tự động cầm tay bắn KẾT LUẬN Bài báo trình bày sở xây dựng mơ hình sinh cánh tay xạ thủ Đã xây dựng mơ hình nghiên cứu dao động hệ... Cánh tay bao gồm phần cấu thành: Cánh tay trên, cánh tay bàn tay Các phận liên kết với thân người thông qua khớp vai, cánh tay liên kết với cánh tay khớp khuỷu tay, cánh tay liên kết với bàn tay. .. dao động hệ “vũ khí - xạ thủ” có kể đến ảnh hưởng vai hai tay xạ thủ bắn Bài báo áp dụng khảo sát dao động súng với loại báng súng khác súng tiểu liên AK Kết thực nghiệm cho thấy mơ hình dùng