Chương 4. KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THAM SỐ ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC ĐẾN ĐỘ BỀN KẾT CẤU THÂN VÀ CÁNH TÊN LỬA ĐỐI HẢI
4.2. Nghiệm bền kết cấu thân cánh tên lửa trong một số trường hợp chịu tải nguy hiểm
4.2.1. Nghiệm bền kết cấu thân tên lửa
Hình 4.6. Sơ đồ chịu tải thân tên lửa khi phóng
Trường hợp đầu tiên được xác định là nguy hiểm đối với thân tên lửa là khi phóng do quá tải dọc trục rất lớn. Sơ đồ chịu tải của thân tên lửa khi phóng như hình 4.6. Ở giai đoạn đầu của quỹ đạo tên lửa có vận tốc thấp nên giả thiết bỏ qua các thành phần của tải trọng khí động. Tải trọng tác dụng lên thân tên lửa chỉ có lực đẩy đẩy động cơ phóng T và thành phần tải trọng khối lượng dọc trục Si của các khoang.
Quá tải dọc trục tên lửa: x T 14,24 n G
Bảng 4.2. Tải trọng khối lượng các khoang Si (N) khi phóng Tên gọi Si (N)
Khoang K1 6309,74 Khoang K2 22888,81 Khoang K3 23387,32 Khoang K4 17747,02 Khoang K5 1096,73 Khoang K6 5056,33 Khoang K7 1994,05
Như vậy thân tên lửa khi phóng chịu trạng thái nén dọc trục. Biểu đồ nội lực thân tên lửa có dạng:
Hình 4.7. Biểu đồ lực dọc thân tên lửa khi phóng
Hình 4.8. Đặt tải trọng tác dụng lên thân khi phóng
Việc chia lưới mô hình và thiết lập các thuộc tính vật liệu, liên kết như mô tả ở đầu chương. Đặt tải trọng lên mỗi khoang theo các giá trị tính toán được trong bảng 4.2.
Kết quả giải bài toán nhận được trường phân bố ứng suất và biến dạng thân tên lửa như sau:
Hình 4.9. Phân bố ứng suất và biến dạng thân tên lửa khi phóng
Nhận thấy ứng suất cực đại xuất hiện tại đoạn vỏ khoang động cơ phóng K6 với giá trị cực đại bằng 47,3 (MPa). Tuy nhiên biến dạng cực đại lại xuất hiện tại vỏ khoang chuyển tiếp K5 gây ra ứng suất bằng 45,3 (MPa).
Hình 4.10. Phân bố ứng suất vỏ khoang K5 khi phóng
Vỏ khoang động cơ phóng K6 làm từ hợp kim thép có độ bền cao hơn nhiều so với hợp kim nhôm AMg-6 của vỏ khoang K5. Do đó khi đánh giá dộ bền của kết cấu thân tên lửa ta lựa chọn giá trị ứng suất cực đại tại vỏ khoang K5. Ứng suất tới hạn bền của vật liệu AMg-6 là 320 (MPa). Như vậy kết cấu đảm bảo độ bền đối với động cơ được trang bị với hệ số dự trữ bền n = 7.
b. Khi tên lửa vòng về hướng chiến đấu
Khi tên lửa vòng về hướng chiến đấu ứng với trường hợp góc hướng bắn cực đại Ψ = 90° khi góc trượt cạnh βđạt giá trị lớn nhất bằng -6.8° thì quá tải ngang theo phương Oz cũng đạt giá trị lớn nhất.
Trạng thái làm việc của tên lửa:
- Góc tấn: α = 0°
- Góc trượt cạnh: β = -6.8°
- Số Mach: M = 0.786
- Góc lệch các cánh lái: δ1 = 0°; δ2 = 11.95°;
Tải trọng tác dụng lên thân khi đó gồm:
- Lực đẩy động cơ hành trình tác dụng vào loa phụt động cơ hành trình - Tải trọng khí động tác dụng lên bề mặt chảy bao của thân tên lửa - Tải trọng khí động từ cánh nâng và cánh lái
- Tải trọng khối lượng
Thân tên lửa chịu trạng thái nén dọc trục và uốn ngang. Sơ đồ tải trọng tác dụng lên thân khi đó như hình dưới.
Hình 4.11. Tải trọng tác dụng lên thân tên lửa khi bay hành trình
Tải trọng khối lượng (KL) các khoang tác dụng phân bố đều lên kết cấu và có điểm đặt tập trung tại trọng tâm. Tải trọng khí động các khoang (KĐ) tác dụng lên bề mặt chảy bao của tên lửa, điểm đặt tại tâm áp. Tải trọng khí động cánh nâng (KĐCN) và khí động cánh lái (KĐCL) tác dụng lên gân tăng cứng khoang K3 và K4 gắn với gốc cánh nâng và gốc cánh lái tương ứng.
Từ kết quả mô phỏng động lực học dòng chảy trong CFX xác định được giá trị tải trọng khí động tác dụng lên mỗi khoang và cánh tên lửa ứng với trường hợp tính toán. Kết quả nhận được bảng tải trọng tác dụng lên thân:
Bảng 4.3. Tải trọng tác dụng lên thân tên lửa Tên gọi Tải trọng khối lƣợng Tải trọng khí động
S (N) Py(N) Pz(N) X(N) Y(N) Z(N) Khoang K1 90,6 -200,9 1208,7 35 16,6 -1501 Khoang K2 328,8 -728,6 3742,7 3,6 143 -397,4 Khoang K3 324,7 -719,6 2442,2 358,8 -3,8 -2504 Khoang K4 254,9 -564,9 772,4 1117,1 332 530
Cánh nâng -325,8 47,8 -6189
Cánh lái 761,9 1678 1895
Thân tên lửa có trạng thái chịu tải hỗn hợp gồm kéo - nén, cắt và uốn. Biểu đồ nội lực thân tên lửa khi đó có dạng:
Hình 4.13. Biểu đồ lực cắt và mômen uốn thân tên lửa
Việc chia lưới mô hình và thiết lập các thuộc tính vật liệu, liên kết như mô tả ở đầu chương. Đặt tải trọng lên mỗi khoang theo các giá trị tính toán được trong (bảng 4.3). Hình ảnh tải trọng sau khi đặt trong ANSYS như hình 4.14:
Hình 4.12. Biểu đồ lực dọc
Hình 4.14. Đặt tải trọng tác dụng khi bay hành trình Kết quả giải bài toán nhận được 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 hiện tại khoang K3 và nhỏ hơn giá trị ứng suất tới hạn bền của vật liệu. Do đó kết cấu thân tên lửa đảm bảo đủ độ bền trong trường hợp khảo sát.
c. Khi tên lửa hạ độ cao
Khi tên lửa hạ độ cao đồng thời vẫn có xu thế vòng về hướng chiến đấu, quá tải ngang theo các phương Oy và Oz đều lớn. Thân tên lửa được xác định là chịu tải nguy hiểm.
Trạng thái làm việc của tên lửa:
- Góc tấn: α = 3.6°
- Góc trượt cạnh: β = -4.2°
- Số Mach: M = 0.802
- Góc lệch các cánh lái: δ1 =19.6°; δ2 = 10.98°;
Tải trọng tác dụng lên thân khi đó gồm:
- Lực đẩy động cơ hành trình tác dụng vào loa phụt động cơ hành trình - Tải trọng khí động tác dụng lên bề mặt chảy bao của thân tên lửa - Tải trọng khí động từ cánh nâng và cánh lái
- Tải trọng khối lượng
Thân tên lửa chịu trạng thái nén dọc trục và uốn xiên. Sơ đồ chịu tải thân tên lửa khi đó về cơ bản giống như trường hợp (b). Sau khi thiết lập các thuộc tính và đặt tải lên mô hình tiến hành giải bài toán. Kết quả nhận được phân bố ứng suất thân tên lửa như sau:
Hình 4.16. Phân bố ứng suất thân tên lửa
Ứng suất cực đại xuất hiện tại khoang K3 bằng 36.4 (MPa) nhỏ hơn giá trị tới hạn bền của vật liệu. Như vậy kết cấu đảm bảo đủ độ bền.