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
4.1 Mô hình tính toán
* Các giả thiết:
Trong quá trình tính toán khảo sát độ bền kết cấu thân cánh tên lửa sử dụng một số giả thiết như sau:
- Thân vỏ tên lửa gồm các khoang từ khoang K1 đến khoang K7 gắn chặt với nhau tại các mặt bích của mỗi đoạn. Khối lượng mỗi khoang tác dụng đều lên kết cấu và có điểm đặt tại trọng tâm. Qua tham khảo các tài liệu ta có bảng phân bố khối lượng và trọng tâm các khoang [7]:
Bảng 4.1. Đặc trưng khối lượng và trọng tâm các khoang Khoang Khối lƣợng, kg Trọng tâm, m
K1 44,3 0,446
K2 320,7 0,998
K3 164,2 2,09
K4 124,6 3,36
K5 7,7 3,85
K6 105,5 4,11
K7 14 4,34
- Các cụm cánh tên lửa được cấu tạo từ vỏ mỏng và hệ thống gân tăng cứng.
Trong các tính toán giả thiết chỉ xét ảnh hưởng của tải trọng khí động tính và bỏ qua tải trọng khối lượng của các cụm cánh. Coi liên kết giữa các bề mặt tiếp xúc của các chi tiết cấu tạo mỗi cụm cánh là liên kết gắn chặt.
- Coi tải trọng khí động tác dụng lên mỗi khoang phân bố trên bề mặt chảy bao và có điểm đặt tại tâm áp. Tải trọng khí động tác dụng lên các bề mặt cánh nâng và cánh lái là tải phân bố dưới dạng áp suất. Tải trọng khí động tác dụng lên mỗi khoang và cụm cánh được xác định ứng với mỗi trường hợp tính toán thông qua phương pháp mô phỏng bằng phần mềm ANSYS CFX.
* Xác định tải trọng tác dụng lên kết cấu:
Tải trọng tác dụng lên thân tên lửa khi bay gồm lực đẩy động cơ, tải trọng khí động và tải trọng khối lượng.
Khi tên lửa chuyển động có gia tốc, tải trọng khối lượng thể hiện dưới dạng lực quán tính theo các phương. Tổng lực quán tính theo mỗi phương sẽ cân bằng với ngoại lực tác dụng theo phương đó.
Mômen gây ra do lực pháp tuyến Yi các khoang so với trọng tâm:
Z i ai
M Y x (4.1)
Trong đó:
ai tt ai
x x x
khoảng cách từ trọng tâm tên lửa đến tâm áp khoang i (4.2) xai- tọa độ tâm áp khoang i
xtt- tọa độ trọng tâm tên lửa
Gia tốc góc sinh ra do mômen ngoại lực MZ được xác định bằng công thức sau (nếu bỏ qua mômen cản):
z z
z
M
J (4.3)
Thành phần gia tốc góc này gây ra lực quán tính theo phương pháp tuyến bằng:
i i Z
yi ti ti
z
G G M
x x
g g J
(4.4)
Nếu lấy mômen quán tính:
i 2
z ti
J G x
g thì 2
Z
yi i ti
i ti
M G x
G x
(4.5)
Trong đó:
ti tt
ti x x
x
- khoảng cách từ trọng tâm tên lửa đến tâm khối khoang i (4.6) xti- tọa độ tâm khối khoang i
Tương tự, lực quán tính sinh ra do gia tốc góc quanh trục Oy là:
2 y
zi i ti
M G x
(4.7)
Như vậy, các thành phần lực khối các khoang theo các trục được tính theo các công thức tương ứng:
Trong đó:
nx , ny , nz - hệ số quá tải theo phương Ox, Oy, Oz G - trọng lượng tên lửa tại thời điểm xét
T - lực đẩy động cơ
X - tổng lực cản dọc trục tác dụng lên tên lửa Y - tổng lực pháp tuyến tác dụng lên tên lửa Z - tổng lực trượt cạnh
Tổng lực khối dọc trục cân bằng với lực đẩy động cơ.
Tổng lực khối theo phương ngang và phương trượt cạnh cân bằng với lực nâng và lực trượt cạnh tương ứng:
yi y i y
zi z i y
P n G n G Y
P n G n G Z
(4.9)
Tổng mômen quán tính cân bằng với mômen ngoại lực. Do đó hệ khảo sát độ bền thân tên lửa cân bằng lực và mômen.
Đối với bài toán khảo sát độ bền cánh giả thiết bỏ qua ảnh hưởng của lực khối do cánh chịu tác dụng chủ yếu của lực khí động. Tải trọng khí động được đưa từ kết quả mô phỏng động lực học dòng chảy bằng phần mềm ANSYS CFX dưới dạng áp suất phân bố bề mặt chảy bao bằng liên kết FSI (Fluid Structure Interaction). Đặt điều kiện biên cho bề mặt gốc cánh gắn với thân là ngàm cố định. Hình ảnh áp suất phân bố bề mặt chảy bao thân cánh tên lửa có dạng như hình 4.2:
2
2
i x i
Z
yi y i i ti
i ti Y
zi z i i ti
i ti
S n G
P n G M G x
G x
P n G M G x
G x
(4.8)
Hình 4.2. Phân bố áp suất bề mặt chảy bao thân cánh tên lửa
* Xây dựng mô hình 3D và chia lưới
Mô hình 3D thân cánh tên lửa được dựng dựa trên kết quả đo đạc thực tế mẫu chi tiết. Mô hình 3D thân cánh được rời rạc hóa thành các phần tử lưới trong ANSYS với số lượng phần tử phù hợp với cấu hình máy tính đồng thời đảm bảo lưới đủ mịn ở những vùng ứng suất tập trung. Dưới đây là mô hình lưới sau khi được chia của kết cấu thân và cánh TLĐH.
Hình 4.4. Mô hình lưới cánh nâng TLĐH
Hình 4.5. Mô hình lưới cánh lái TLĐH
* Vật liệu chế tạo:
- Vật liệu chế tạo thân cánh tên lửa chủ yếu từ hợp kim nhôm AMg-6 có thành phần phù hợp tiêu chuẩn ГОСT 4784-97. Một số tính chất cơ lý của vật liệu ở nhiệt độ thường: Mô đun đàn hồi 71x105 (MPa); khối lượng riêng 2640 (kg/m3); độ bền 320 (MPa).
- Chóp gió được làm từ vật liệu compozit nền nhựa epoxy cốt vải thủy tinh có tính chất xuyên thấu điện từ. Vật liệu này có khối lượng riêng trung bình ρ = 1860 (kg/m3); các độ bền uốn, kéo và nén tương ứng là: 253.76 (MPa), 280.91 (MPa) và 480.07 (MPa).
- Cửa lấy khí của khoang K3 được làm từ vật liệu compozit nhựa nhiệt rắn cốt vải.
- Thép không gỉ mactenxit 20X13 có thành phần phù hợp với tiêu chuẩn
OCT 5632-72 dùng để chế tạo các chi tiết trong khối pitong của các cánh, trục cánh. Cơ lý tính: Mô đun đàn hồi 193x105 (MPa); khối lượng riêng 7670 (kg/m3);
độ bền 730 (MPa);