Nghiên cứu ảnh hưởng của một số tham số động học, động lực học đến độ bền kết cấu thân và cánh tên lửa hành trình đối hải tt

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ QN SỰ NGUYỄN THANH BÌNH NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG CỦA MỘT SỐ THAM SỐ ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC ĐẾN ĐỘ BỀN KẾT CẤU THÂN VÀ CÁNH TÊN LỬA HÀNH TRÌNH ĐỐI HẢI Chuyên ngành: CƠ KỸ THUẬT Mã số: 9520101 HÀ NỘI - 2018 CƠNG TRÌNH ĐƢỢC HỒN THÀNH TẠI VIỆN KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ QN SỰ-BỘ QUỐC PHỊNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Minh Tuấn TS Phan Tƣơng Lai Phản biện 1: PGS TS Đặng Ngọc Thanh Học viện Kỹ thuật quân Phản biện 2: PGS TS Nguyễn Văn Hƣng Trƣờng Sỹ quan Kỹ thuật quân Phản biện 3: PGS TS Nguyễn Văn Chúc Viện Khoa học Công nghệ quân Luận án bảo vệ hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Viện họp Viện Khoa học Công nghệ quân vào hồi giờ, ngày .tháng năm Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Viện Khoa học Công nghệ quân - Thư viện Quốc gia Việt Nam MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài luận án Việc đặt đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng số tham số động học, động lực học đến độ bền kết cấu thân cánh tên lửa hành trình đối hải” bước cần thiết cấp bách để nâng cao chất lượng, giảm chi phí, thời gian trình nghiên cứu thiết kế, chế tạo thử nghiệm thân, cánh tên lửa phục vụ chương trình trọng điểm Bộ Quốc phịng thiết kế, chế tạo TLĐH tiến tới xây dựng công nghiệp tên lửa nước ta tương lai Mục tiêu nghiên cứu Xây dựng sở xác định trường hợp chịu tải trọng nguy hiểm việc xây dựng giải toán động lực học bay tên lửa, tính tốn độ bền kết cấu thân cánh tác động số tham số động học, động lực học với lớp tên lửa hành trình đối hải phục vụ việc thiết kế, chế tạo, thử nghiệm thân, cánh tên lửa Đối tƣợng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: tên lửa hành trình đối hải kiểu Kh35-E Phạm vi nghiên cứu: kết cấu thân, cánh tên lửa hành trình đối hải chịu tải trọng khí động ảnh hưởng số tham số động học, động lực học tới độ bền thân, cánh tên lửa hành trình đối hải Phƣơng pháp nghiên cứu - Nghiên cứu phương trình lý thuyết đàn hồi nguyên lý chung phương pháp PTHH làm sở xây dựng mơ hình tính tốn kết cấu thân vỏ tên lửa; xây dựng thuật tốn tính tốn kết cấu thân, cánh TLĐH - Nghiên cứu xây dựng mơ hình động học tính tốn quỹ đạo bay tên lửa hành trình đối hải; xác định trường hợp chịu tải lớn - Xây dựng mơ hình thuật toán phương pháp PTHH xác định trường ứng suất - biến dạng thân, cánh tên lửa chịu tác động tải trọng khí động - Nghiên cứu tính toán khảo sát ảnh hưởng số tham số động học, động lực học đến độ bền kết cấu thân cánh TLĐH; phân tích, xử lý đánh giá ảnh hưởng đến độ bền kết cấu thân, cánh tên lửa Ý nghĩa khoa học thực tiễn luận án Ý nghĩa khoa học: Bổ sung sở lý luận cho phương pháp tính tốn, thiết kế thân, vỏ khí cụ bay nói chung tên lửa nói riêng Xây dựng thuật tốn, biểu thức quan hệ phương trình ngơn ngữ véctơ ma trận rõ ràng, thuận lợi cho việc lập trình máy tính Việc phát triển xây dựng thuật tốn phương pháp PTHH có ý nghĩa quan trọng, làm sở vững cho việc khai thác phần mềm Ansys để giải toán đặt cách xác, tin cậy Ý nghĩa thực tiễn: Kết nghiên cứu luận án đáp ứng việc giải nhiệm vụ trình nghiên cứu thiết kế, chế tạo thử nghiệm thân, cánh tên lửa phục vụ chương trình trọng điểm Bộ Quốc phòng thiết kế, chế tạo TLĐH tiến tới xây dựng công nghiệp tên lửa nước ta tương lai Bố cục luận án Nội dung luận án bao gồm phần mở đầu, nội dung trình bày chương kết luận Chƣơng TỔNG QUAN VỀ CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ĐỘ BỀN THÂN VÀ CÁNH TÊN LỬA ĐỐI HẢI 1.1 Tình hình nghiên cứu ngồi nƣớc * Một số vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu sau đây: - Xây dựng mơ hình tốn nhằm nâng cao độ xác, phù hợp với tính chất làm việc thực tế kết cấu thân, cánh tên lửa - Hồn thiện mơ hình phương pháp tính tốn quỹ đạo chuyển động tên lửa - Sử dụng phương pháp PTHH sâu nghiên cứu giải toán độ bền kết cấu thân cánh tên lửa - Nghiên cứu khảo sát, đánh giá ảnh hưởng số tham số động học động lực học đến làm việc kết cấu thân cánh tên lửa đối hạm - Nghiên cứu đánh giá độ bền thân cánh tên lửa số trường hợp động theo quỹ đạo đặc biệt ứng dụng tác chiến nâng cao khả động uy lực TLĐH 1.2 Tổng quan kết cấu thân, cánh TLĐH Kết cấu thân tên lửa bao gồm: ốp trước (đầu tự dẫn), khoang chiến đấu, khoang thiết bị, khoang động hành trình máy lái, khoang trung gian, khoang động phóng khoang ổn định Các khoang nối với khung thân dạng vòng chịu lực ngang, tăng cường gân để chịu lực dọc lớp vỏ mỏng trơn Hình dạng bề mặt cánh nâng cánh lái hình thang, ống phóng cánh nâng cánh lái trạng thái gập, tên lửa hoạt động cánh nâng cánh lái bung sau khỏi ống phóng 1.3 Tổng quan tham số động học, động lực học tính tốn độ bền kết cấu thân, cánh TLĐH 1.4 Những vấn đề chung ứng dụng phƣơng pháp phần tử hữu hạn giải toán học 1.5 Kết luận chƣơng Trên sở nghiên cứu tổng quan, nghiên cứu sinh đề xuất số vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu, hoàn thiện phương pháp tính tốn, khẳng định tính mới, tính cần thiết đề tài luận án làm rõ mục đích, nội dung phạm vi nghiên cứu luận án: - Hồn thiện mơ hình động lực học tính tốn quỹ đạo chuyển động TLĐH, sở xác định trạng thái chịu tải lớn kết cấu thân cánh TLĐH - Trên sở ứng dụng thuật toán phương pháp PTHH sâu nghiên cứu xây dựng giải toán độ bền kết cấu thân, cánh TLĐH xấp xỉ bề mặt cong phần tử phẳng dạng tam giác - Nghiên cứu khảo sát độ bền, xác định khu vực chịu tải lớn đánh giá khả làm việc kết cấu thân, cánh TLĐH trạng thái chịu tải nguy hiểm Đánh giá ảnh hưởng số tham số động học, động lực học đến làm việc kết cấu thân, cánh TLĐH qua đề xuất khả cải tiến tăng độ động TLĐH Chƣơng XÂY DỰNG MƠ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC VÀ XÁC ĐỊNH CÁC TRƢỜNG HỢP CHỊU TẢI LỚN NHẤT 2.1 Tải trọng tác động lên tên lửa trình chuyển động 2.1.1 Lực hấp dẫn 2.1.2 Khí 2.1.3 Lực đẩy 2.1.4 Các lực khí động 2.1.5 Các lực điều khiển 2.1.6 Các mô men lực 2.1.7 Các mô men cản dịu 2.2 Xây dựng hệ phƣơng trình chuyển động TLĐH 2.2.1 Xây dựng phương trình chuyển động tổng quát Khảo sát toàn khối lượng chứa tên lửa thời điểm t hệ thống Bỏ qua lực tác dụng lên khối lượng tiêu hao thời gian dt qua tiết diện ống Mơ hình chuyển động tên lửa điều kiện có hệ thống ổn định kênh nghiêng, trường hợp tổng quát thể qua hệ phương trình vi phân: 1) m.dV/dt = Fđco.cos cos - X - G.sin (2.70) 2) m.V.d/dt = Fđco.sin + Y - G.cos (2.71) 3) - m.V.cos d / dt = - Fđco cos sin + Z (2.72) 4) Jy dy /dt = My (2.73) 5) Jz dz /dt = Mz (2.74) 6) d ψ/dt = y / cos (2.75) 7) d/dt = z (2.76) 8) dm/dt = -ms (2.77) 9) dx /dt = V.cos cos (2.78) 10) dh/dt = V.sin (2.79) 11) dz/dt = - V.cos sin (2.80) 12)  = ψ - (2.81) 13)  =  -  (2.82) a) Khi hệ thống điều khiển chưa vào hoạt động hệ số khí động tính sau: Cy = C y  + C y 1 (2.83) Cz = C z  + C z 2 Cx = Cxo + Cxi(, ) mz = mz  + mz 1 + mz z d / V z (2.84) (2.85) (2.86) my = m y  + my 2 + my y d / V y (2.87) b) Khi kênh điều khiển vào hoạt động: Để xác định thơng số quỹ đạo bay trường hợp có điều khiển thơng qua hệ phương trình sau: 1) m.dV/dt = Fđco.cos cos - X - G.sin (2.102) 2) m.V.d /dt = Fđco.sin + Y- G.cos (2.103) 3) - m.V.cos d / dt = - Fđco cos sin + Z (2.104) 4) dm/dt = -ms (2.105) 5) dx/dt = V.cos  cos (2.106) 6) dh/dt = V.sin (2.107) 7) dz/dt = -V.cos sin (2.108) 8) C y  + C y 1 = Ny.m.g / q (2.109) 9) C z  + C z 2 = Nz.m.g / q  1  2 10) mz = mz  + mz 1 = (2.110) (2.111) 11) my = m y β + my 2 = (2.112) 12)  =  +  (2.113) 13) ψ =  +  (2.114) 2.2.2 Xác định tham số phục vụ giải tốn tính quỹ đạo - Khối lượng, trọng tâm, mơ men qn tính (ở giai đoạn: phóng, bay hành trình, bay hành trình hết nhiên liệu); - Tính tốn đặc trưng khí động; - Kích thước tên lửa; - Lực đẩy động phóng, động hành trình; - Độ tiêu hao nhiên liệu theo thời gian; 2.2.3 Các số liệu để tính tốn quỹ đạo bay TLĐH 1.Tầm bắn tối đa đạt 130 km Độ cao bay hành trình khơng 10…15 m Độ cao bay tiếp cận mục tiêu không 3…5 m Cự li bắn tối thiểu (với góc quay vịng sau phóng 15°) km Tốc độ bay hành trình M=0,8…0.85 Góc phóng Khả vịng hướng chiến đấu sau phóng 90 Động phóng nhiên liệu rắn Động hành trình turbin phản lực khơng khí 10 Quỹ đạo bay điển hình TLĐH 2.2.4 Thuật tốn ghép nối mơ chuyển động tên lửa 2.2.5 Kết mơ phân tích Ví dụ số liệu mô phỏng: Tại thời điểm tên lửa phóng lên, tàu mục tiêu nằm cự ly cách tên lửa 100 km, hướng di chuyển mục tiêu = 90°, tàu mục tiêu di chuyển với tốc độ 10 m/giây Hướng phóng tên lửa trùng với trục X hệ tọa độ dẫn đường Góc phóng tên lửa 35°, độ cao hành trình 15 m Kết cho thấy quỹ đạo bay tên lửa theo giai đoạn phù hợp với thuyết minh kỹ thuật TLĐH QUY DAO CHUYEN DONG DOC 120 100 H[m] 80 60 40 20 0 X[m] 10 x 10 Hình 2.7; 2.8 Quỹ đạo chuyển động mặt phẳng thẳng đứng mặt phẳng nằm ngang với góc phóng  2.3 Xác định trƣờng hợp chịu tải lớn thân, cánh tên lửa Các trường hợp chịu tải nguy hiểm thân tên lửa xác định hệ số tải dọc tải ngang đạt giá trị lớn toàn quỹ đạo Trên toàn quỹ đạo, giai đoạn phóng có hệ số tải dọc lớn nx = 14,24 Từ kết giải toán quỹ đạo nhận đồ thị hệ số tải ngang thân ny, nz theo thời gian 100 giây hình 2.12 Hình 2.12 Hệ số tải ngang thân tên lửa Từ đồ thị hệ số tải nhận thấy có thời điểm thân tên lửa có q tải ngang lớn vịng hướng chiến đấu (nz = 2,89 ) hạ độ cao đồng thời tiếp tục vòng hướng chiến đấu (ny = 2,14 nz = 2,29) Đây trường hợp tính tốn độ bền kết cấu thân tên lửa bay hành trình Các trường hợp chịu tải nguy hiểm cánh nâng cánh lái tải trọng khí động tác dụng lên chúng có giá trị lớn Tải trọng khí động theo trục tương ứng hệ tọa độ tỉ lệ với hệ số khí động thường biểu diễn thơng qua hệ số khí động theo công thức: Xc = CxCN.q.Scanh (2.115) Yc = CyCN.q.Scanh (2.116) Từ cơng thức tính hệ số khí động cánh nâng nhận thấy hệ số tỉ lệ với góc làm việc Do dùng đại lượng góc làm việc để đánh giá độ lớn tải trọng khí động Có thời điểm góc cánh nâng đạt giá trị lớn : - Khi tên lửa vịng hướng chiến đấu góc trượt cạnh lớn ; - Khi tên lửa hạ độ cao đồng thời tiếp tục vịng hướng chiến đấu góc lớn góc trượt cạnh đáng kể Như vậy, ta xác định trường hợp tính tốn cần khảo sát độ bền kết cấu cánh nâng tên lửa vòng hướng chiến đấu hạ độ cao Đối với cánh lái tên lửa xuất đại lượng góc lệch cánh δ, tương tự cánh nâng hệ số khí động biểu diễn thơng qua góc làm việc αCL theo cơng thức :  CxCL  C xCL  C xiCL CL2  (2.119)   C yCL  C yCN CL Như vậy, tải trọng khí động tác dụng lên cánh lái lớn góc làm việc cánh lái lớn Đồ thị phụ thuộc góc làm việc cánh lái tầm (αCL1) cánh lái hướng (αCL2) 100 giây quỹ đạo hình 2.15 Nhận thấy góc làm việc cực đại cánh lái hướng lớn so với góc Hình 2.15 Góc làm việc làm việc cực đại cánh lái tầm cánh lái Do vậy, cánh lái hướng chọn để khảo sát độ bền Đồng thời xác định trường hợp tính tốn cánh lái tầm CL2 vòng hướng chiến đấu hạ độ cao 2.4 Kết luận chƣơng Chương xây dựng chương trình giải hệ phương trình vi phân chuyển động tên lửa ứng với kịch bắn khác môi trường Matlab Simulink Từ kết mô tham số quỹ đạo tên lửa, NCS đề xuất số trạng thái chịu tải lớn kết cấu thân cánh TLĐH: - Khi phóng tải dọc trục thân tên lửa lớn nhất; - Từ kết giải toán xác định quỹ đạo tên lửa ứng với trường hợp bắn khác nhận thấy có thời điểm tải trọng tác dụng lên thân cánh tên lửa có giá trị lớn: + Khi tên lửa vòng hướng chiến đấu bắn với góc hướng bắn Ψ = 90° Lúc cánh lái hướng hoạt động với góc lệch δ2 = 11,95° tên lửa bay với góc trượt cạnh cực đại β = -6,8° + Khi tên lửa hạ độ cao đồng thời tiếp tục vòng hướng chiến đấu Lúc cánh lái tầm có góc lệch δ1 = 19,16°, cánh lái hướng có góc lệch δ2 = 10,98° Tên lửa bay với góc α = 3,6°, góc trượt cạnh β= -4,2° Các trạng thái dùng làm số liệu đầu vào để tính tốn khảo sát độ bền kết cấu thân cánh Chƣơng XÂY DỰNG MƠ HÌNH VÀ THUẬT TỐN PHƢƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN TÍNH TỐN TRƢỜNG ỨNG SUẤT BIẾN DẠNG THÂN VÀ CÁNH TÊN LỬA ĐÓI HẢI 3.1 Thiết lập mơ hình: Xấp xỉ bề mặt thân cánh TLĐH phần tử phẳng dạng tam giác hình 3.1 3.2 Xây dựng thuật toán phƣơng pháp PTHH xác định trƣờng ứng suất-biến dạng thân TLĐH sử dụng phần tử phẳng dạng tam giác Các giả thiết: - Chiều dày thân số coi vỏ mỏng - Vỏ bọc thân tên lửa gắn chặt với khung thân ghép nối khoang dọc tăng cường thân tên lửa - Bỏ qua ứng suất theo hướng z, tức z = - Không xét đến lực cắt, tức xy = yz =0 Mỗi nút phần tử chịu hai chuyển vị màng u v, độ võng w, góc xoay x, y, góc xoắn z mặt phẳng Lực tác dụng lên phần tử điển hình bao gồm hai lực màng Fx, Fy, hai mômen uốn Tx, Ty, lực pháp tuyến Fz, mơmen xoắn Tz tương ứng với góc xoay z Nhận thấy rằng, góc xoắn mặt phẳng z nhỏ bỏ qua Như vậy, thành phần chuyển vị lực phải xét đến nút phần tử Do đó, toàn chuyển vị tải trọng nút viết dạng véctơ sau đây: 1  1m  1u   z1 T F1  F1m   u1 v1  x1  y1  z1  T F  T   F T u z1 x1 Fy1 Fz1 Tx1 Ty1 Tz1  T (3.1) 3.2.1 Xác định ma trận độ cứng phần tử tam giác trạng thái màng   m Chọn hàm chuyển vị [f(x,y)] xác định véctơ chuyển vị  ( x , y ) điểm mặt phẳng hàm chuyển vị viết sau: u x y 0  (mx, y )   v   0 0 x y 1 2 3 4 5 6 T (3.4)          f m Biểu diễn chuyển vị  ( x , y ) điểm bên phần tử theo    me chuyển vị nút  :  (mx , y ) m ( x, y ) Biểu diễn quan hệ biến dạng   Am  1   me (3.8)   theo chuyển vị   theo m ( x, y ) m ( x, y ) (3.15)      C   A    Quan hệ ứng suất   theo biến dạng   chuyển vị nút (3.20)   :     A  B   me chuyển vị nút  : m ( x, y ) m m ( x, y ) me m ( x, y ) m me m 1 me m ( x, y ) 11 Từ (3.40) (3.41) véctơ biến dạng   biểu diễn qua chuyển u ( x, y )     B   vị nút {ue} sau: u ( x, y ) u ue Trong đó: ma trận biến dạng uốn [Bu] = -z[Cu][Au]-1 (3.43) Xác định ma trận độ cứng uốn phần tử [Kue] Ma trận độ cứng uốn [Kue] phần tử tam giác nút xác định:   K ue    Au    I   A  1 T u 1 (3.48) Thành lập ma trận chuyển vị - ứng suất [Hue] Quan hệ ứng suất - chuyển vị cho phương trình (3.28) u ue ue (3.29) sau  ( x , y )    H    Trong trường hợp phần tử tam giác, lấy tâm tam giác làm tọa độ x, y nhận ứng suất tâm tam giác 3.2.3 Xác định ma trận độ cứng tổng thể [Ke] phần tử tam giác đồng thời chịu lực màng chịu lực uốn Ma trận độ cứng phần tử [Ke] có kích thước (18x18) tập hợp hai ma trận độ cứng trạng thái màng ma trận độ cứng trạng thái uốn Quan hệ tất lực chuyển vị nút sau: F1m    k11m  0  1m       F1  F1u      Tz1           k11u   1u     0   z1    (3.56) Đến đây, quan hệ lực chuyển vị nút xác định Quan hệ tương tự tồn tại nút lại phần tử Chẳng hạn như, lực nút biểu diễn theo chuyển vị nút sau:  F2m    k23m  0    3m         F2    F2u    k23u  0   3u  (3.57)      0   z  Tz       Tập hợp tất quan hệ lực chuyển vị nút cho tất phần tử viết dạng phương trình tốn tính tốn trường ứng suất - biến dạng thân tên lửa xấp xỉ phần tử phẳng dạng tam giác ma trận độ cứng [Ke] có kích thước (18x18)         12   k11m  0   u   k11   0   m 0   k21   e u  K     k21   0   k m  0   31  u   k31    0  k21m  0  k  m 22 0  k  m 32 0 0  k31m   k21m  0 0 0  k33m   k  0 u 32 0  k32m  u  k22  0 0 0 0  k31m  0 m  k32  0  k33u  0  0  0  0  0  0 0  0  0 (3.58) Đối với vị trí đặt khoang thân dọc thân tên lửa ma trận độ cứng [Ke] (3.58) tính sau: với giả thiết vỏ bọc thân tên lửa gắn chặt với khung thân ghép nối dọc tăng cường thân tên lửa, với vị trí liên kết giả thiết khung thân dọc coi dầm chịu lực màng đồng thời chịu uốn Ma trận độ cứng phần tử vị trí khung thân dọc chịu lực cộng thêm độ cứng trạng thái màng uốn phần tử dầm 3.2.4 Chuyển hệ trục tọa độ Ma trận độ cứng phần tử nhận hệ tọa độ tổng thể viết dạng chuẩn quan hệ lực chuyển vị hệ tọa độ tổng thể sau: (3.68) F *e    K *e   *e  Theo phương trình Cauchy liên hệ chuyển vị biến dạng, biến dạng điểm phần tử (3.69)  *e    B *e  Ứng suất điểm thuộc phần tử vỏ trường hợp vật liệu tuân theo định luật Hooke     H   * ( x, y ) *e *e (3.70) Các biểu thức (3.69), (3.70) thiết lập mối quan hệ ứng suất chuyển vị cho phép xác định trạng thái ứng suất tâm phần tử 3.3 Xây dựng thuật toán phƣơng pháp PTHH xác định trƣờng ứng suất-biến dạng cánh TLĐH sử dụng phần tử phẳng dạng tam giác Các giả thiết: 13 - Chiều dày cánh số coi vỏ mỏng - Bỏ qua ứng suất pháp theo hướng z, tức z=0 - Không xét đến lực cắt, tức xz=yz=0 - Bỏ qua lực cản mũi gây nên ứng suất mặt phẳng tải trọng khí động tác dụng vng góc lên cánh lớn nhiều lực cản mũi Y>>X Xét phần tử điển hình dạng tam giác cánh tên lửa Tại nút phần tử chịu độ võng w hai góc xoay x y Lực tác dụng lên phần tử điển hình gồm mơmen uốn Tx , Ty lực pháp tuyến Fz Một độ võng hai góc xoay nút xem bậc tự nút Như vậy, thành phần chuyển vị phải xem xét cho phần tử cánh phần tử có bậc tự viết dạng sau    w e T  x1  y1 w2  x  y w3  x3  x3  T (3.69) Việc giải tốn tính trường ứng suất - biến dạng cánh sử dụng phần tử phẳng dạng tam giác, thực chất giải tốn chịu uốn cánh chịu tải trọng khí động Từ khâu chọn hàm xấp xỉ chuyển vị, xác định véctơ chuyển vị, xác định biến dạng qua chuyển vị nút đến việc xác định ma trận độ cứng phần tử xác định theo trình tự từ công thức (3.31) đến (3.53) Sau xác định ma trận độ cứng phần tử [Kue] cánh tiến hành lập ma trận chuyển vị - ứng suất [Hue] xác định quan hệ ứng suất - chuyển vị Tiếp theo xác định véctơ tải phần tử, chuyển hệ tọa độ tập hợp ghép nối phần tử toàn hệ nhận ma trận độ cứng [K] véctơ tải trọng quy nút {P} tổng thể thiết lập nên hệ phương trình đại số tuyến tính, sau giải tìm chuyển vị nút từ xác định trường ứng suất - biến dạng toàn cánh tên lửa 3.4 Kiểm chứng tính đắn mơ hình tốn Trên sở mơ hình tốn trình bày kết hợp với giải thuật phương pháp phần tử hữu hạn, tác giả tiến hành xây dựng giải thuật phân tích kết cấu vỏ mỏng Chương trình phân tích học kết cấu vỏ xây dựng phần mềm Matlab sở thuật toán xây dựng Số liệu đầu vào chương trình thơng tin thơng số hình học giới hạn, đặc trưng vật liệu, tải trọng, điều kiện biên Kết đầu chương trình ảnh đồ chuyển vị, ứng suất tương đương, giá trị nhỏ lớn chuyển vị, ứng suất Sau so sánh kiểm chứng kết với phần mềm ANSYS 14 Hình 3.10 Phân bố chuyển vị tổng phân tích chương trình Hình 3.11 Phân bố ứng suất tương đương phân tích chương trình Hình 3.12 Phân bố chuyển vị Hình 3.13 Phân bố ứng suất tương tổng phân tích ANSYS đương phân tích ANSYS Bảng 3.2 Bảng so sánh kết tính tốn Tính theo Tính theo Sai lệch TT Đặc tính ANSYS chương trình (%) Chuyển vị lớn 0,01917 0,019 0,88 Ứng suất lớn 5,0234 5,0626 0,78 Ta nhận thấy kết tính phần mềm xây dựng phù hợp tốt với kết tính tốn nhận phần mềm ANSYS Sai số lớn chương trình tính khơng vượt q 5% Như mơ hình PTHH chương trình xây dựng xác tin cậy 3.5 Kết luận chƣơng - Trong chương này, sử dụng kết nghiên cứu tổng hợp trạng thái ứng suất - biến dạng, quan hệ biến dạng - chuyển vị lý thuyết mỏng, cơng thức phương trình phương pháp phần tử hữu hạn để nghiên cứu xây dựng thuật toán phương pháp phần tử 15 hữu hạn giải toán xác định trường ứng suất - biến dạng thân cánh tên lửa - Chương nghiên cứu thiết lập mơ hình tốn thân tên lửa rời rạc hóa phần tử phẳng dạng tam giác liên tục chịu tải trọng khí động, xây dựng thuật tốn phần tử tam giác nút, nút bậc tự phần tử 18 bậc tự do, tiến hành phân tích lựa chọn hàm xấp xỉ chuyển vị, xây dựng biểu thức biểu diễn quan hệ chuyển vị, quan hệ biến dạng, quan hệ ứng suất theo chuyển vị dựa vào phiến hàm toàn phần tối thiểu xác định ma trận độ cứng phần tử vừa chịu lực màng uốn đồng thời, từ thiết lập quan hệ ứng suất - chuyển vị để xác định trạng thái ứng suất tâm phần tử - Chương nghiên cứu xây dựng mơ hình thuật toán phần tử hữu hạn để giải toán tính ứng suất - biến dạng cánh tên lửa cánh rời rạc hóa phần tử tam giác phẳng liên tục chịu tải trọng khí động Đã xây dựng thuật toán cánh chịu uốn phần tử tam giác nút, nút bậc tự phần tử bậc tự do, thiết lập ma trận độ cứng phần tử chịu uốn, từ xác định trường ứng suất tâm phần tử - Quá trình xây dựng thuật tốn, biểu thức quan hệ phương trình trình bày ngơn ngữ ma trận rõ ràng, thuận lợi cho việc lập trình máy tính cho phép giải nhanh toán độ bền kết cấu, phục vụ cho thiết kế sơ thân, cánh TLĐH - Việc sử dụng thuật toán phương pháp phần tử hữu hạn có ý nghĩa quan trọng, làm sở vững cho việc khai thác phần mềm ANSYS để giải tốn đặt cách xác, tin cậy Chƣơng KHẢO SÁT ẢNH HƢỞNG CỦA MỘT SỐ THAM SỐ ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HOC ĐẾN ĐỘ BỀN KẾT CẤU THÂN VÀ CÁNH TÊN LỬA ĐỐI HẢI Nội dung chương giải vấn đề: - Giải toán xác định trường ứng suất, biến dạng kết cấu thân cánh tên lửa ứng với số trường hợp chịu tải nguy hiểm chương Mục đích nhằm khảo sát độ bền, xác định khu vực chịu tải lớn đánh giá khả làm việc kết cấu trạng thái - Trên sở mơ hình tốn trường hợp chịu tải nguy hiểm tiến hành giải toán tăng số tham số vận tốc bay hành trình, góc lệch cánh lái cực đại Qua đánh giá khả cải tiến tên lửa để bay với vận 16 tốc hành trình lớn hơn, tăng độ động tên lửa việc tăng góc lệch cánh lái tối đa nhằm tránh phịng thủ đối phương 4.1 Mơ hình tốn * Các giả thiết tính tốn: - Thân vỏ tên lửa gồm khoang gắn chặt với mặt bích đoạn Khối lượng khoang tác dụng lên kết cấu có điểm đặt trọng tâm - Các cụm cánh tên lửa cấu tạo từ vỏ mỏng hệ thống gân tăng cứng Trong tính tốn giả thiết xét ảnh hưởng tải trọng khí động tính bỏ qua tải trọng khối lượng cụm cánh Coi liên kết bề mặt tiếp xúc chi tiết cấu tạo cụm cánh liên kết gắn chặt - Coi tải trọng khí động tác dụng lên khoang phân bố bề mặt chảy bao có điểm đặt tâm áp Tải trọng khí động tác dụng lên bề mặt cánh nâng cánh lái tải phân bố dạng áp suất * Xác định tải trọng tác dụng lên kết cấu: Tải trọng tác dụng lên thân tên lửa bay gồm lực đẩy động cơ, tải trọng khí động tải trọng khối lượng Khi tên lửa chuyển động có gia tốc, tải trọng khối lượng thể dạng lực quán tính theo phương Đối với toán khảo sát độ bền cánh giả thiết bỏ qua ảnh hưởng lực khối cánh chịu tác dụng chủ yếu lực khí động Tải trọng khí động đưa từ kết mơ động lực học dịng chảy phần mềm ANSYS CFX dạng áp suất phân bố bề mặt chảy bao liên kết FSI Đặt điều kiện biên cho bề mặt gốc cánh gắn với thân ngàm cố định * Xây dựng mơ hình 3D chia lưới Hình 4.3 Mơ hình lưới thân TLĐH Hình 4.4 Mơ hình lưới cánh nâng TLĐH Hình 4.5 Mơ hình lưới cánh lái TLĐH 4.2 Nghiệm bền kết cấu thân cánh tên lửa số trƣờng hợp chịu tải nguy hiểm 4.2.1 Nghiệm bền kết cấu thân tên lửa a Khi phóng 17 Hình 4.9 Phân bố ứng suất biến dạng thân tên lửa phóng Kết giải toán nhận trường phân bố ứng suất biến dạng thân tên lửa sau: Biến dạng cực đại xuất vỏ khoang chuyển tiếp K5 gây ứng suất 45,3 (MPa) nhỏ ứng suất tới hạn bền vật liệu AMg-6 320 (MPa) Như kết cấu đảm bảo độ bền động trang bị với hệ số dự trữ bền n = b Khi tên lửa vòng hướng chiến đấu Khi tên lửa vòng hướng chiến đấu ứng với trường hợp góc hướng bắn cực đại Ψ = 90° góc trượt cạnh β đạt giá trị lớn -6.8° tải ngang theo phương Oz đạt giá trị lớn Kết giải toán nhận trường phân bố ứng suất thân tên lửa Hình 4.15 Phân bố ứng suất thân tên lửa Nhận thấy ứng suất cực đại xuất khoang K3 nhỏ giá trị ứng suất tới hạn bền vật liệu Do kết cấu thân tên lửa đảm bảo đủ độ bền trường hợp khảo sát c Khi tên lửa hạ độ cao Khi tên lửa hạ độ cao đồng thời có xu vịng hướng chiến đấu, tải ngang theo phương Oy Oz lớn Kết nhận phân bố ứng suất thân tên lửa sau: Ứng suất cực đại xuất khoang K3 36.4 (Mpa) nhỏ giá trị tới hạn bền vật liệu Như kết cấu 18 đảm bảo đủ độ bền Hình 4.16 Phân bố ứng suất thân tên lửa 4.2.2 Nghiệm bền kết cấu cánh nâng Trường hợp chịu tải nguy hiểm cánh nâng xác định tên lửa bay với góc tấn, góc trượt cạnh lớn a Khi tên lửa vịng hướng chiến đấu Hình 4.22 Phân bố ứng suất cánh nâng Kết nhận phân bố ứng suất cánh nâng sau: Ứng suất cực đại xuất gân ngang đoạn tiếp nối với gân có độ lớn 86,6 (MPa) Giá trị nhỏ ứng suất tới hạn bền vật liệu AMg-6 Do kết cấu cánh nâng đảm bảo độ bền b Khi tên lửa hạ độ cao Hình 4.23 Áp suất phân bố bề mặt chảy bao cánh nâng Hình 4.24 Phân bố ứng suất cánh nâng 19 Hình ảnh phân bố áp suất bề mặt cánh nâng phân bố ứng suất cánh nâng hình 4.23 hình 4.24 Ứng suất cực đại xuất gân cánh nâng có giá trị nhỏ giá trị ứng suất tới hạn bền vật liệu Do kết cấu cánh nâng đảm bảo độ bền điều kiện khảo sát 4.2.3 Nghiệm bền kết cấu cánh lái Trường hợp chịu tải lớn cánh lái tên lửa vòng hướng chiến đấu hạ độ cao a Khi tên lửa vịng hướng chiến đấu Kết giải tốn nhận trường ứng suất cánh lái tên lửa: Ứng suất cực đại xuất trục cánh lái với giá trị 184.5 (MPa) Giá trị nhỏ ứng suất tới hạn bền vật liệu hợp kim thép chế tạo trục cánh lái (σB = 730 MPa) nên trục cánh lái bảo đảm độ bền với hệ số dự trữ bên n = 3,95 Các chi tiết cịn lại làm từ vật liệu AMg-6 có độ bền thấp (320 MPa) Ứng suất cực đại chi tiết 153,4 (MPa) Như chi tiết lại đảm bảo độ bền với hệ số dự trữ bền n = 2,1 Hình 4.28 Phân bố ứng suất cánh lái vòng hướng chiến đấu b Khi tên lửa hạ độ cao Hình 4.29 Phân bố ứng suất cánh lái hạ độ cao 20 Kết giải toán nhận trường ứng suất cánh lái tên lửa: Ứng suất cực đại xuất trục cánh lái với giá trị 234.6 (MPa) Giá trị nhỏ ứng suất tới hạn bền vật liệu hợp kim thép chế tạo trục cánh lái (σB = 730 MPa) nên trục cánh lái bảo đảm độ bền với hệ số dự trữ bên n = 3,11 Các chi tiết lại làm từ vật liệu AMg-6 có độ bền thấp (320 MPa) Ứng suất cực đại chi tiết 194,1 (MPa) Như chi tiết lại đảm bảo độ bền với hệ số dự trữ bền n = 1,65 4.3 Khảo sát ảnh hƣởng vận tốc bay hành trình đến độ bền kết cấu thân tên lửa Giả thiết trường hợp chịu tải lớn thân tên lửa giai đoạn bay hành trình tên lửa vòng hướng chiến đấu tên lửa hạ độ cao ứng với giá trị góc tấn, góc trượt cạnh góc lệch cánh lái tương ứng Tiến hành khảo sát trạng thái ứng suất thân tên lửa theo giá trị khác vận tốc bay hành trình Theo kết khảo sát chương 2, vận tốc bay hành trình tên lửa ứng với số Mach M ≈ 0,8 Do TLĐH tên lửa âm nên mục khảo sát tên lửa với số số Mach hành trình M = (0,8; 0,85; 0,9; 0,95); Các tính tốn tải trọng thiết lập toán tương tự mục 4.2.1 Kết nhận bảng giá trị ứng suất cực đại xuất thân vỏ tên lửa đồ thị phụ thuộc theo số Mach Bảng 4.4 Ứng suất cực đại thân tên lửa theo số Mach Khi tên lửa hạ Khi tên lửa vòng độ cao hướng chiến đấu σmax M M σmax (MPa) (MPa) 0.786 14.26 0.802 36.45 Hình 4.30 Đồ thị phụ thuộc ứng suấtcực đại thân tên lửa theo số Mach 0.85 17.26 0.85 40.65 0.9 0.95 18.46 0.9 41.06 32.5 0.95 51.2 Nhận thấy vận tốc bay hành trình tăng đến giá trị cận âm (M = 0,95) ứng suất cực đại thân tên lửa tăng nhỏ giá trị ứng suất tới hạn bền vật liệu Độ dự trữ bền thân tên lửa n > 4.4 Khảo sát ảnh hƣởng vận tốc bay hành trình đến độ bền kết cấu cánh nâng Giống thân tên lửa, mục khảo sát độ bền cánh nâng tăng vận tốc bay hành trình đến giá trị cận âm M = 0,95 Xây dựng toán tương tự mục 4.2.2 Kết mô nhận bảng ứng suất 21 cực đại cánh nâng đồ thị phụ thuộc theo số Mach ứng với trường hợp chịu tải lớn tương ứng Vị trí xuất ứng suất cực đại đoạn tiếp giáp gân ngang gân Bảng 4.5 Ứng suất cực đại cánh nâng theo số Mach Khi tên lửa hạ Khi tên lửa vòng độ cao hướng chiến đấu σmax σmax M M (MPa) (MPa) 0.786 86.66 0.802 91.25 Hình 4.31 Đồ thị phụ thuộc ứng suất cực đại cánh nâng theo số Mach 0.85 97.85 0.85 103.01 0.9 109.72 0.9 115.46 0.95 122.27 0.95 128.62 Nhận thấy vận tốc bay hành trình tăng đến giá trị cận âm (M = 0,95) ứng suất cực đại cánh nâng tăng nhỏ giá trị ứng suất tới hạn bền vật liệu Độ dự trữ bền cánh nâng tên lửa n > 2,5 4.5 Khảo sát ảnh hƣởng số tham số đến độ bền kết cấu cánh lái 4.5.1 Ảnh hưởng vận tốc Bảng 4.6 Ứng suất cực đại cánh lái theo số Mach Khi tên lửa hạ Khi tên lửa vòng độ cao hướng chiến đấu σmax M M σmax (MPa) (MPa) 0.786 0.802 153.4 194.13 Hình 4.32 Đồ thị phụ thuộc ứng suất cực đại cánh lái theo số Mach 0.85 173.18 0.9 0.95 0.85 218.47 194.16 0.9 245.57 216.39 0.95 251.26 Đối với kết cấu cánh lái, ta khảo sát độc lập tham số vận tốc bay hành trình góc lệch cánh lái tối đa Các tham số có ảnh hưởng lớn đến tải trọng khí động tác dụng lên cánh Giả thiết cánh lái có góc lệch cực đại 20°, tên lửa bay chế độ chịu tải lớn hạ độ cao vòng hướng chiến đấu Tăng dần số Mach khảo sát trạng thái ứng suất kết cấu cánh lái Kết giải toán nhận bảng giá trị ứng suất cực đại đồ thị phụ thuộc theo số Mach Vị trí xuất ứng suất cực đại vị trí tiếp giáp gân ngang gân 22 Nhận thấy ứng suất cực đại cánh lái tăng theo số Mach Khi vận tốc hành trình tên lửa tăng đến giá trị cận âm M = 0,95 ứng suất cực đại tăng nhỏ giá trị ứng suất tới hạn bền [σB] = 320 (MPa) Tuy nhiên, thiết kế sử dụng hệ số an toàn để đảm bảo khả làm việc thiết bị trường hợp không mong muốn Đối với kết cấu tên lửa, lựa chọn hệ số an tồn 1,5 ứng suất cực đại nhỏ giá trị 220 (MPa) Như vậy, cánh lái tên lửa lệch góc 20° sử dụng tốc độ hành trình tối đa ứng với số Mach M = 0,85 4.5.2 Ảnh hưởng góc lệch cánh lái Giả thiết tên lửa bay vận tốc hành trình M ≈ 0,8 trường hợp tính tốn hạ độ cao vòng hướng chiến đấu Khảo sát trạng thái ứng suất cánh lái tăng dần giá trị góc lệch đến 300 Kết giải toán nhận bảng giá trị ứng suất cực đại đồ thị phụ thuộc theo góc lệch cánh lái Bảng 4.7 Ứng suất cực đại cánh lái theo góc lệch Khi tên lửa hạ Khi tên lửa vòng độ cao hướng chiến đấu δcl σmax σmax δcl (độ) (độ) (MPa) (MPa) 20 20 153.4 194.13 Hình 4.33 Đồ thị phụ thuộc ứng suất cực đại cánh lái theo góc lệch 25 173.18 25 218.47 30 194.16 30 245.57 Ứng suất cực đại cánh lái tăng dần tăng góc lệch Với nhận xét mục 4.5.1 cánh lái đạt góc lệch cực đại đến 30° tốc độ bay hành trình ứng với số Mach M ≈ 0,8 4.6 Kết luận chƣơng Chương xây dựng toán nghiệm bền kết cấu thân cánh tên lửa số trường hợp chịu tải lớn khảo sát ảnh hưởng tham số vận tốc bay hành trình góc lệch cánh lái tối đa đến độ bền kết cấu thân, cánh nâng cánh lái TLĐH Kết khảo sát nhận phân bố trạng thái ứng suất thân cánh với trường hợp khác Trong trường hợp chịu tải lớn xác định từ chương 2, kết cấu thân cánh đảm bảo đủ độ bền Đồng thời xác định giá trị ứng suất nguy hiểm tập trung vị trí xuất Từ đề xuất giải pháp thay đổi thiết kế kết cấu vật liệu thay nhằm tăng khả làm việc thân cánh - Đối với kết cấu thân tên lửa: 23 + Kết cấu thân tên lửa đảm bảo đủ độ bền trường hợp tính tốn + Khi phóng tên lửa chịu tải dọc trục nx lớn Ứng suất cực đại phóng tập trung đoạn eo co thắt vỏ khoang chuyển tiếp K5 Do đó, có nhu cầu cải tiến động phóng có lực đẩy lớn cần tăng khả chịu tải kết cấu cách tăng độ dày vỏ, dùng gân tăng cứng thay vật liệu có khả chịu tải cao + Khi tăng dần vận tốc bay hành trình đến giá trị cận âm ứng với M = 0,95 kết cấu thân tên lửa đảm bảo đủ độ bền - Đối với kết cấu cánh nâng: + Trong trường hợp khảo sát, kết cấu cánh nâng đảm bảo đủ độ bền + Khi tăng dần vận tốc bay hành trình đến giá trị cận âm ứng với M = 0,95 kết cấu cánh nâng tên lửa đảm bảo đủ độ bền - Đối với kết cấu cánh lái: + Trong trường hợp khảo sát kết cấu cánh lái đảm bảo đủ độ bền + Ứng với giá trị góc lệch tối đa 20° từ kết khảo sát nhận thấy cánh lái làm việc vận tốc hành trình ứng với số Mach < 0,85 + Ở vận tốc ứng với M ≈ 0,8 cánh lái đạt góc lệch tối đa đến 30° Như vậy, kết cấu tên lửa đảm bảo đủ độ bền cải tiến theo hướng nhằm tăng độ động tránh phịng thủ đối phương: - Có thể tăng tốc độ bay hành trình đến 0,85 - Có thể tăng góc lệch cực đại cánh lái đến 30° KẾT LUẬN Những kết đạt đƣợc: Nghiên cứu phân tích cấu tạo, điều kiện làm việc thông số động học, động lực học ảnh hưởng đến độ bền kết cấu thân, cánh TLĐH Xây dựng chương trình giải hệ phương trình vi phân chuyển động tên lửa ứng với kịch bắn khác nhau, kết mô phù hợp với thực tế, cho thấy độ tin cậy chương trình xây dựng Từ kết mô tham số quỹ đạo tên lửa, đề xuất số trạng thái chịu tải lớn kết cấu thân cánh TLĐH: Nghiên cứu phân tích thiết lập mơ hình tốn kết cấu thân tên lửa tốn tính kết cấu cánh tên lửa Bằng phương pháp rời rạc hóa kết cấu, thân cánh tên lửa coi vỏ mỏng xấp xỉ bề mặt cong phần tử phẳng dạng tam giác thiết lập nên phương pháp phần tử hữu hạn để giải toán Luận án nghiên cứu xây dựng 24 thuật toán phương pháp phần tử hữu hạn sử dụng phần tử tam giác 18 bậc tự cho toán thân tên lửa bậc tự cho toán cánh tên lửa, bao gồm tính tốn lựa chọn hàm xấp xỉ, xây dựng biểu thức biểu diễn biến dạng, ứng suất dựa vào phiến hàm toàn phần tối thiểu xác định ma trận độ cứng phần tử, từ xây dựng giải hệ phương trình đại số tuyến tính tính trường chuyển vị cuối xác định trường ứng suất - biến dạng thân, cánh tên lửa Đã xây dựng toán nghiệm bền kết cấu thân cánh tên lửa số trường hợp chịu tải lớn Khảo sát ảnh hưởng tham số vận tốc bay hành trình góc lệch cánh lái tối đa đến độ bền kết cấu thân, cánh nâng cánh lái TLĐH Kết khảo sát nhận phân bố trạng thái ứng suất thân cánh với trường hợp khác Kết tính tốn luận án có giá trị ý nghĩa phục vụ cho việc tính tốn kết cấu thân cánh tên lửa q trình tính tốn thiết kế, chế tạo, thử nghiệm tên lửa nước ta Những đóng góp luận án: Xác định trạng thái chịu tải nguy hiểm sở xây dựng giải toán động lực học bay đối tượng nghiên cứu Xây dựng giải tốn tính toán độ bền kết cấu thân, cánh TLĐH sở phương pháp phần tử hữu hạn sử dụng lưới phần tử tam giác Khảo sát đánh giá ảnh hưởng vận tốc bay hành trình, góc lệch cánh lái tới độ bền kết cấu thân, cánh dạng TLĐH nghiên cứu sở sử dụng phần mềm ANSYS Những vấn đề cần quan tâm nghiên cứu tiếp: Mở rộng nghiên cứu tính tốn độ bền có xét đến ảnh hưởng nhiệt độ sinh ma sát trình bay tên lửa DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CƠNG BỐ CT1 Nguyễn Thanh Bình, Phan Tương Lai, Lê Tuấn Anh, “Về phương pháp nghiên cứu thuật toán nhận dạng đặc trưng hệ số khí động thiết bị bay dựa giá trị độ tải tốc độ góc”, Tạp chí Nghiên cứu khoa học công nghệ quân sự, số 37, tr 16-23, Hà Nội, 6-2015 CT2 Nguyễn Thanh Bình, Nguyễn Minh Tuấn, Phan Tương Lai, “Về phương pháp xây dựng mơ hình thuật tốn phương pháp phần tử hữu hạn tính tốn ứng suất - biến dạng thân vỏ TLĐH”, Tạp chí Nghiên cứu khoa học cơng nghệ qn sự, số 40, tr 26-34, Hà Nội, 12-2015 CT3 Nguyễn Thanh Bình, Nguyễn Minh Tuấn, Phan Tương Lai, “Mơ ảnh hưởng tải trọng khí động lên trạng thái ứng suất - biến dạng cánh nâng TLĐH”, Tạp chí Cơ khí Việt Nam, số 10, tr 22-27, Hà Nội, 2016 ... tên lửa hành trình đối hải kiểu Kh35-E Phạm vi nghiên cứu: kết cấu thân, cánh tên lửa hành trình đối hải chịu tải trọng khí động ảnh hưởng số tham số động học, động lực học tới độ bền thân, cánh. .. dạng thân, cánh tên lửa chịu tác động tải trọng khí động - Nghiên cứu tính toán khảo sát ảnh hưởng số tham số động học, động lực học đến độ bền kết cấu thân cánh TLĐH; phân tích, xử lý đánh giá ảnh. .. động tên lửa - Sử dụng phương pháp PTHH sâu nghiên cứu giải toán độ bền kết cấu thân cánh tên lửa - Nghiên cứu khảo sát, đánh giá ảnh hưởng số tham số động học động lực học đến làm việc kết cấu