Nghiên cứu ảnh hưởng của độ mất cân bằng đầu đạn súng bộ binh đến tản mát điểm chạm khi bắn

Nội dung tài liệu: Nghiên cứu ảnh hưởng của độ mất cân bằng đầu đạn súng bộ binh đến tản mát điểm chạm khi bắn

1. BỘ QUỐC PHÒNG HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ NGUYỄN THANH ĐIỀN NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘ MẤT CÂN BẰNG ĐẦU ĐẠN SÚNG BỘ BINH ĐẾN TẢN MÁT ĐIỂM CHẠM KHI BẮN Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật Mã số: 9 52 01 01 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT HÀ NỘI – NĂM 2018
2. CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ - BỘ QUỐC PHÒNG Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Mai Quang Huy Phản biện 1: GS.TSKH Nguyễn Đông Anh - Viện Cơ học VN Phản biện 2: TS Nguyễn Văn Thủy - Học viện KTQS Phản biện 3: PGS.TS Đào Mộng Lâm - Viện KH&CNQS Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án cấp Học viện theo quyết định số 4546/QĐ-HV, ngày 07 tháng 12 năm 2018 của Giám đốc Học viện Kỹ thuật Quân sự, họp tại: Học viện Kỹ thuật Quân sự vào hồi: giờ ngày tháng năm 2018 Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Học viện Kỹ thuật Quân sự - Thư viện Quốc gia
3. CÁC CÔNG TRÌNH CÔNG BỐ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN 1. Nguyễn Thanh Điền. Xây dựng mô hình tính toán độ mất cân bằng động của đạn súng bộ binh. Tạp chí “Cơ khí Việt Nam”, số 3/2015. 2. Nguyễn Thanh Điền, Phan Văn Tuấn, Nguyễn Viết Thắng. Vấn đề giải bài toán tiếp xúc bằng phương pháp phần tử hữu hạn và ứng dụng trong tính toán thiết kế đạn. Tạp chí KHKT của HVKTQS, số 168, 6/2015. 3. Нгуен Тхань Дьен, Maи Куанг Гюи, Фан Ван Туан. Математическая модель для исследования влияния дисбаланса стрелковой пули на ее движение по каналу ствола.Tạp chí KHKT của Học viện KTQS, chuyên san hội nghị Việt Nga số 171, 10/2015. 4. Nguyễn Thanh Điền, Phan Văn Tuấn, Nguyễn Tuyển Vũ, Nguyễn Xuân Thủy. Nghiên cứu quá trình tống đạn súng bộ binh khi bắn bằng phương pháp phần tử hữu hạn.Tạp chí Tạp chí KHKT của HVKTQS, số 179, 10/2016. 5. Nguyễn Thanh Điền, Mai Quang Huy, Phan Văn Tuấn. Phương pháp lý thuyết khảo sát tản mát góc rời nòng của đầu đạn súng bộ binh mất cân bằng khối lượng. Tạp chí “Cơ khí Việt Nam”, số 4/2018.
4. 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu Tản mát điểm chạm là chỉ tiêu quan trọng hàng đầu trong hàng loạt các yêu cầu chiến kỹ thuật của hệ thống vũ khí, được quyết định bởi tản mát của ba thông số thuật phóng gồm: tản mát sơ tốc, tản mát góc bay ra và tản mát hệ số phóng. Đối với hệ súng – đạn bộ binh, do góc bắn và cự ly bắn nhỏ nên trọng số của thành phần tản mát do độ phân tán của sơ tốc và hệ số phóng là khá nhỏ so với thành phần tản mát do độ phân tán của góc bay ra (góc rời nòng hay góc nảy). Trong đó, mất cân bằng của đầu đạn là nguyên nhân chính gây ra tản mát góc bay ra và là đặc tính cố hữu tồn tại khách quan phụ thuộc nhiều vào độ chính xác chế tạo đầu đạn. Đến nay, đã có nhiều công trình nghiên cứu về tản mát của đạn ở trong nước và nước ngoài mà chúng ta có thể tiếp cận được, tuy nhiên các công trình đó hầu hết tập trung cho các loại đạn pháo, cối, tên lửa có tầm bắn tương đối xa và mô hình chuyển động của các loại đạn này khác xa so với mô hình chuyển động của các loại đạn súng bộ binh, đặc biệt là trong giai đoạn chuyển động trong nòng. Ở nước ta hiện nay, trong quá trình thiết kế, chế tạo đạn việc kiểm soát các yếu tố để đảm bảo yêu cầu về chỉ tiêu tản mát mới chỉ dừng lại ở mức độ tuân theo các tài liệu được chuyển giao hoặc thiết kế theo mẫu mà chưa có những nghiên cứu một cách chủ động và hệ thống. Do đó, việc lựa chọn đề tài luận án “Nghiên cứu ảnh hưởng của độ mất cân bằng đầu đạn súng bộ binh đến tản mát điểm chạm khi bắn” là cần thiết. Kết quả nghiên cứu của luận án cho phép chỉ ra mối quan hệ định lượng giữa cấp chính xác gia công chế tạo đầu đạn với chỉ tiêu tản mát điểm chạm khi bắn.
5. 2 2. Mục đích nghiên cứu của luận án: Mục đích nghiên cứu của luận án là xây dựng mô hình tính toán cho phép khảo sát định lượng ảnh hưởng của độ mất cân bằng (MCB) đầu đạn đến chỉ tiêu tản mát điểm chạm khi bắn. 3. Đối tượng nghiên cứu của luận án: đầu đạn súng tiểu liên AK 7,62mm K56 lõi thép mất cân bằng khối lượng. 4. Phạm vi nghiên cứu của luận án: Chỉ tiêu tản mát được xác định ứng với giai đoạn kể từ khi đầu đạn được cắt đai hoàn toàn cho tới khi chạm mục tiêu. 5. Phương pháp nghiên cứu Kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm trên cơ sở sử dụng phương pháp mô phỏng ngẫu nhiên (MPNN). Theo phương pháp này, luận án sẽ thực hiện hai bước: Bước 1: Lập mô hình toán học, bao gồm: mô hình tính toán các đặc trưng mất cân bằng theo cấp chính xác gia công; mô hình tính toán chuyển động trong nòng của đầu đạn súng bộ binh ba cấu tử, mất cân bằng khối lượng bằng phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) trên cơ sở coi đầu đạn là vật rắn biến dạng trong vùng đàn hồi. Bước 2: Đưa các đại lượng ngẫu nhiên vào trong mô hình. Sau khi xây dựng xong mô hình toán học và đưa các đại lượng ngẫu nhiên vào mô hình luận án sẽ tiến hành khảo sát ảnh hưởng của độ MCB đến tản mát điểm chạm và bắn thực nghiệm đối chứng. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Ý nghĩa khoa học của luận án thể hiện ở các khía cạnh sau: 1. Mô hình tính toán của luận án cho phép xác định các đại lượng đặc trưng mất cân bằng khối lượng của lô đầu đạn theo cấp chính xác gia công.
6. 3 2. Mô hình tính toán của luận án cho phép mô tả chuyển động trong nòng của đầu đạn súng bộ binh ba cấu tử, mất cân bằng khối lượng dựa trên phương pháp PTHH khi coi đầu đạn là vật rắn biến dạng đàn hồi. 3. Mô hình tổng thể và phần mềm của luận án cho phép khảo sát định lượng ảnh hưởng của độ MCB đầu đạn súng bộ binh đến tản mát điểm chạm khi bắn. Ý nghĩa thực tiễn của LA: Cung cấp cơ sở lý thuyết và công cụ hữu ích trên phương diện khống chế chỉ tiêu tản mát cho các nhà thiết kế trong quá trình phân tích, quyết định phương án thiết kế đạn súng bộ binh 6. Nội dung và cấu trúc luận án Ngoài phần mở đầu, kết luận, kiến nghị về hướng nghiên cứu tiếp theo và tài liệu tham khảo, nội dung của luận án gồm 4 chương: Chương 1. Tổng quan về tản mát điểm chạm và sự mất cân bằng khối lượng của đầu đạn; Chương 2. Xây dựng mô hình tính toán độ MCB của đầu đạn súng bộ binh nhiều cấu tử; Chương 3. Xây dựng mô hình tính toán chuyển động trong nòng của đầu đạn súng bộ binh MCB; Chương 4. Khảo sát ảnh hưởng của độ MCB khối lượng đến tản mát điểm chạm.
7. 4 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN Trong chương này LA đã nghiên cứu tổng quan về các vấn đề liên quan đến luận án, bao gồm: 1.1. Tổng quan về tản mát điểm chạm, các nguyên nhân sinh ra tản mát và quy luật phân bố của tản mát. Tản mát điểm chạm là một chỉ tiêu quan trọng bậc nhất trong hệ thống các chỉ tiêu chiến kỹ thuật của hệ súng - đạn, nó tuân theo quy luật phân bố chuẩn và được đặc trưng bởi các sai số trung gian. Mất cân bằng của đầu đạn là nguyên nhân quan trọng gây ra tản mát điểm chạm của hệ thống súng – đạn bộ binh. 1.2. Sự mất cân bằng khối lượng của đầu đạn Do các nguyên nhân khách quan, MCB là một đặc tính cố hữu của đầu đạn. Các đại lượng đặc cho độ MCB khối lượng, bao gồm: các khối MCB nằm trên 2 mặt phẳng vuông góc với trục quay và góc tương đối giữa chúng. Đối với đầu đạn súng đó là 2 mặt phẳng đi qua phần tiếp giáp giữa phần trụ với phần mũi đạn và phần trụ với phần côn đáy đạn. Hình 1.6. Các đại lượng biểu diễn độ MCB khối lượng của đầu đạn - Đối với một vật thể có hình dáng, kích thước, khối lượng xác định thì ta hoàn toàn có thể xác định các đặc trưng MCB theo phương pháp lý thuyết trên cơ sở các phương trình cân bằng lực và
8. 5 mô men hoặc đo đạc trực tiếp trên các máy đo độ MCB rồi cân bằng chúng bằng cách gắn thêm hay bỏ bớt vật liệu tại các vị trí MCB. Tuy nhiên, đầu đạn súng được sản xuất theo lô lớn nên không thể đo đạc rồi cân bằng từng đầu đạn. Mặt khác, bài toán tản mát chỉ được đánh giá khi khảo sát một lượng lớn các mẫu thử nên cần có một cách tiếp cận mang tính tổng thể cho cả lô hay loạt sản xuất. Đó là việc xác định quy luật phân bố cũng như các đặc trưng xác suất biểu diễn độ MCB của đầu đạn xuất phát từ bộ bản vẽ gia công chế tạo. 1.3. Ảnh hưởng của sự mất cân bằng khối lượng đến tản mát điểm chạm Vt: vận tốc tiếp tuyến; C: khối tâm; ec: độ lệch tâm Hình 1.8. Khái quát chuyển động của đầu đạn MCB khối lượng Khi chuyển động trong nòng, đầu đạn MCB bị cưỡng ép chuyển động quay quanh trục nòng súng, sự MCB tạo ra lực ly tâm ép đầu đạn vào thành nòng. Đến giai đoạn bán liên kết đầu đạn dần dần mất liên kết với lòng nòng, lực ly tâm làm đầu đạn lắc quanh trục nòng, tăng góc rời nòng của đầu đạn dẫn tới tăng tản mát. 1.4. Các phương pháp nghiên cứu chuyển động của đầu đạn Một cách tổng quát thì quá trình chuyển động của đầu đạn có thể chia thành bốn giai đoạn: tống đạn (cắt đai); chuyển động trong
9. 6 nòng; bán liên kết; chuyển động ngoài không khí. Trong đó, giai đoạn chuyển động ngoài không khí chiếm tỷ trọng thời gian lớn hơn nhiều so với các giai đoạn khác và trọng số ảnh hưởng của nó đến tản mát cũng rất đáng kể. Tuy nhiên, đối với các loại súng bộ binh tầm bắn hiệu quả chỉ ở trong phần (hoặc một phần) đoạn thẳng của quỹ đạo mà trong đoạn này hiệu ứng con quay của đạn rất mạnh nên tản mát do các nguyên nhân khác nhau khi đạn chuyển động ngoài không khí là không lớn. Mặt khác, trong giai đoạn này đã có công trình trong nước nghiên cứu khá hoàn chỉnh [9] và phù hợp với mô hình của luận án. Trong giai chuyển động trong nòng và giai đoạn bán liên kết, mô hình chuyển động của đầu đạn pháo và đầu đạn súng khác nhau, không thể dùng chung được. Các nghiên cứu tiên tiến từ nước ngoài về mô hình chuyển động của đầu đạn súng bộ binh trong 2 giai đoạn này chúng ta không có điều kiện tiếp cận, còn các nghiên cứu trong nước vẫn còn những hạn chế nên việc xây dựng một mô hình mới phản ánh được các hiện tượng vật lí và cơ học xuất hiện trong 2 giai đoạn trên là rất cần thiết. Sau khi tìm hiểu, LA đã đề xuất sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để nghiên cứu quá trình chuyển động trong nòng của đầu đạn súng bộ binh. Bằng cách này có thể coi đầu đạn là vật rắn biến dạng, có tương tác với nòng súng. 1.5. Mô phỏng ngẫu nhiên và ứng dụng trong nghiên cứu tản mát điểm chạm Luận án đã nghiên cứu phương pháp MPNN Monte Carlo và nhận thấy rằng có thể sử dụng phương pháp này để đánh giá tản mát điểm chạm. Tìm hiểu bản chất của phương pháp và chỉ ra phương thức áp dụng nó trong đánh giá ảnh hưởng của sự MCB đến tản mát
10. 7 điểm chạm: đó là quá trình khởi tạo các bộ số ngẫu nhiên đầu vào theo quy luật phân bố được dự báo trước, giải liên tục các mô hình vật lý xác định quy luật phân bố các đại lượng đầu ra. 1.6. Phương hướng nghiên cứu của luận án Dựa trên các thông tin tìm hiểu được, chương 1 đã định hướng luận án sẽ thực hiện các công việc sau: 1/. Xây dựng mô hình tính toán độ MCB của đầu đạn trên cơ sở bản vẽ chế tạo theo phương pháp MPNN. Thực hành tính toán cho lô đầu đạn 7,62 mm K56 lõi thép. 2/. Xây dựng mô hình tính toán chuyển động trong nòng của đầu đạn súng bộ binh nhiều cấu tử MCB bằng phương pháp PTHH, trên cơ sở coi đầu đạn là vật rắn biến dạng đàn hồi. Dựa trên mô hình được xây dựng, đánh giá ảnh hưởng của độ MCB đến các thông số chuyển động của đầu đạn MCB khi rời nòng. 3/. Xây dựng mô hình mô phỏng ngẫu nhiên và khảo sát ảnh hưởng của độ MCB đầu đạn súng bộ binh nhiều cấu tử đến tản mát điểm chạm. 4/. Bắn thực nghiệm kiểm chứng mô hình lý thuyết. Bắn thực nghiệm trên một số lô đạn được sản xuất tại nhà máy, đo tản mát để kiểm chứng mô hình lý thuyết. Chương 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN ĐỘ MẤT CÂN BẰNG CỦA ĐẦU ĐẠN SÚNG BỘ BINH NHIỀU CẤU TỬ Chương 2 luận án tập trung xây dựng mô hình tính toán độ MCB của đầu đạn súng bộ binh nhiều cấu tử. * Cơ sở lý thuyết
11. 8 Qua nghiên cứu các tài liệu [32], [35], kết hợp với vận dụng lý thuyết cơ bản về tính toán các đại lượng đặc trưng cho độ MCB của vật thể, luận án đề xuất phương pháp xác định sự phân bố các đại lượng MCB của lô đầu đạn. Tư tưởng của phương pháp như sau: - Chia đầu đạn thành những phân hình cơ sở (hình 2.2, 2.10) theo các tiêu chí: Mỗi phân hình của từng chi tiết được gia công trên cùng nguyên công, cùng chế độ công nghệ; Các phân hình có hình dạng chuẩn: trụ, côn, chỏm cầu - Xác định các véc tơ đặc trưng cho độ MCB của từng phân hình. - Xác định độ MCB của lô đầu đạn bằng cách tổng hợp các véc tơ MCB của tất cả các phân hình cơ sở. Từ dung sai chế tạo trên bản vẽ, tính toán và tra bảng được dung sai hình dáng bề mặt các chi tiết (phân hình). Theo các dung sai này và quy luật phân bố của chúng tính toán được độ MCB của từng phân hình cơ sở, tổng hợp véc tơ MCB của tất cả các phân hình sẽ xác được các đại lượng đặc trưng cho độ MCB của đầu đạn: = ∑ 푖푗; trong đó, Dxij - khối không cân bằng ở mặt phẳng quy đổi thứ x (x = 1,2) xuất hiện do dịch chuyển hướng trục mặt phẳng thứ i của phân hình thứ j và được xác định bằng đa thức bậc 5 do ông N.V. Mogilnhicovưi tìm ra [32]: D      x b b b b (2.4) xij 0 1 2 3 4 ji 2 3 4 5 với σo, σ1, σ2, σ3, σ4, b2, b3,b4, b5 là các số hạng được tính toán dựa trên hình dáng, kích thước, độ đảo hướng kính các mặt đầu của phân hình cơ sở. Ở đây đặc biệt chú ý đến giá trị độ đảo hướng kính các mặt đầu của phân hình cơ sở, chúng phân bố theo quy luật Rayleigh [32]. Hình 2.2 thể hiện các kích thước xác định phân hình cơ sở.
12. 9 Hình 2.2. Phân hình cơ sở tính độ Hình 2.8. Bản vẽ chế tạo đầu MCB đạn 7,62mm K56 lõi thép Hình 2.4. Đường biểu diễn dung sai độ đảo bề mặt của các chi tiết Hình 2.10. Sơ đồ phân hình * Thực hành tính toán độ MCB cho đạn 7,62mm K56 lõi thép Dựa trên cơ sở lý thuyết trên, luận án đã tiến hành xây dựng mô hình MPNN và lập trình chương trình tính toán độ MCB của đầu đạn SBB nhiều cấu tử. Thực hành tính toán độ MCB cho 300 mẫu đầu đạn 7,62mm K56 lõi thép sản xuất tại nhà máy Z113/TCCNQP. Kêt quả cho thấy: các đại lượng MCB D1, D2, ec phân bố theo quy luật Rayleigh; giá trị kỳ vọng của chúng được ghi trong bảng 2.6. * Thực nghiệm đo đạc độ MCB cho đạn 7,62mm K56 lõi thép Thực nghiệm đo đạc 100 mẫu đầu đạn 7,62mm K56 lõi thép sản xuất tại nhà máy Z113/TCCNQP trên máy đo mất cân bằng CEM. Kêt quả cho thấy: các đại lượng MCB D1, D2, ec phân bố theo quy luật Rayleigh; giá trị kỳ vọng của chúng được ghi trong bảng 2.6. Đại lượng Lý thuyết Thực Sai số (%) nghiệm (Lý thuyết – thực nghiệm)/thực nghiệm
13. PHAN BO D1 PHAN BO D2 PHAN BO Alpha 70 70 150 60 60 50 50 10 U U U 100 A A A M M M 40 40 G G G N N N O O O U 30 U 30 U L L L O O O 50 m (g.mm) 0,0624 0,0609 S 2,46 S S D1 20 20 mD2 (g.mm) 0,0083 0,0072 10 15,28 10 0 0 0 mec (mm) 0,0071 0,006 0 18,330.05 0.1 0.15 0.2 0 0.01 0.02 0.03 0 2 4 6 8 GIA TRI-g.mm GIA TRI-g.mm GIA TRI-rad PHAN BO D1 PHAN BO D2 PHANP HBAON D BOO L EAClpHh aTAM ec PHAN BO ec*ome.max 70 70 15070 70 60 60 60 60 50 50 50 50 U U U 1U 00 U A A A A A M M M M M 40 40 40 40 G G G G G N N N N N O O O O O U U U 30 U 30 U 30 30 L L L L L O O O O O S 50 S S 20 S 20 S 20 20 10 10 10 10 0 0 0 0 0 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0 0.01 0.02 0.03 0 0 2 0.01 4 0.026 08.03 0 100 200 300 400 GIA TRI-g.mm GIA TRI-g.mm GGIAIA T TRRI-Ir-amdm GIA TRI-mm/s PHAN BO DO LECH HìnhTAM ec 2.13. PhânPHA Nbố BO ecácc*ome .mđạiax lượng MCB 70 70 60 Như vậy, trong chượng60 2 luận án đã xây dựng được mô hình 50 50 tínhU toán độ MCB khối lượngU của lô đầu đạn súng bộ binh nhiều cấu A A M M 40 40 G G tử N trong mối liên hệ trực tiếpN với dung sai chế tạo. Mô hình bài toán O O U 30 U 30 L L O O đượcS lập dựa trên cơ sở phươngS pháp MPNN và được lập trình trong 20 20 môi10 trường MATLAB. Đã1 0thực hành tính toán theo mô hình và thực 0 0 nghiệm0 đo0.0 1đạc 0độ.02 MCB0.03 của0 đầu10 0đạn20 07,62300 mm400 K56 lõi thép sản xuất GIA TRI-mm GIA TRI-mm/s tại nhà máy Z113/ TCCNQP. Kết quả cho thấy, mô hình mô phỏng đã được xây dựng là phù hợp và có thể sử dụng để mô phỏng tính toán độ MCB cho lô đầu đạn cần khảo sát. Chương 3. XÂY DỰNG MÔ HÌNH TÍNH TOÁN CHUYỂN ĐỘNG TRONG NÒNG CỦA ĐẦU ĐẠN SÚNG BỘ BINH MẤT CÂN BẰNG Trong chương 3, luận án tập trung xây dựng mô hình tính toán các thông số chuyển động trong nòng của đầu đạn súng bộ binh mất cân bằng khối lượng từ khi cắt đai hoàn toàn đến khi đầu đạn ra khỏi
14. 11 nòng. Mô hình tính toán được xây dựng dựa trên cơ sở của phương pháp phần tử hữu hạn khi coi đầu đạn là vật rắn biến dạng trong vùng đàn hồi. Kết quả thu được là các thông số chuyển động của đầu đạn tại thời điểm mất hoàn toàn liên kết với nòng súng. Đây là cơ sở dữ liệu đầu vào quan trọng để xác định điểm chạm của đầu đạn tại mục tiêu nhằm đánh giá tản mát điểm chạm. Sau khi kết thúc quá trình cắt đai, dưới tác dụng của áp suất khí thuốc đầu đạn vừa chuyển động tịnh tiến dọc trục, vừa quay quanh trục nòng với gia tốc tăng dần. Do tổng hợp các lực tác dụng, đầu đạn bị biến dạng và tương tác với nòng súng thông qua các nút điểm tiếp xúc giữa đạn và nòng. Luận án chấp nhận một số giả thiết sau: coi nòng là tuyệt đối cứng, chỉ xét đến biến dạng của đầu đạn; trong quá trình chuyển động, 3 cấu tử của đầu đạn (vỏ, áo chì, lõi xuyên) không trượt tương đối với nhau; đầu đạn chỉ biến dạng trong vùng đàn hồi; đầu đạn và nòng tiếp xúc thông qua các nút của lưới PTHH, tại đó có ma sát; toàn bộ phần trụ của đầu đạn luôn tiếp xúc với nòng cho đến giai đoạn bán liên kết. Hệ phương trình tổng quát mô tả chuyển động của toàn bộ các điểm nút của đầu đạn viết theo quan điểm của phương pháp PTHH có dạng: [M] q [C] [G] q [K] [K ] q F(t) (3.24)      C  trong đó, [M], [C], [K] các ma trận khối lượng, ma trận cản, ma trận độ cứng của đầu đạn; [G]- ma trận cản Coriolis - gây nên bởi gia tốc Coriolis của hệ; [K C]- ma trận suy giảm độ cứng cơ hệ do chuyển động quay; F(t) véc tơ tải trọng tác dụng lên đầu
15. 12 đạn, bao gồm lực do áp suất khí thuốc, lực ma sát tại vị trí tiếp xúc giữa đạn và nòng và lực li tâm do chuyển động quay của đầu đạn. Véc tơ vận khối tâm đầu đạn, được xác định bằng tổng véc tơ động lượng của toàn bộ các bậc tự do chia cho khối lượng đầu đạn: i i i {DL}=[M]{q}={DLx ,DLy ,DLz} \i = 1:n; n n n i i i (3.30) DLx DLy DLz V i 1 ;V i 1 ;V i 1 ; x m y m z m ở đây, i thể hiện chỉ số nút, n là tổng số nút của mô hình, i i i {DL} là véc tơ động lượng toàn hệ, {DL x,DL y,DL z} là véc tơ động lượng ứng với nút i. Các thành phần phản lực liên kết giữa nòng súng và thân đạn được xác định theo phương trình: {R(t)} {F(t)} [M] q [C] [G] q [K] [K ] q (3.31)      C  Điểm khác biệt của phương trình (3.31) so với (3.24) ở chỗ: tất cả các ma trận [M], [C], [K], [G], [K C] trong (3.31) được xây dựng cho toàn bộ số bậc tự do ban đầu của hệ, chưa thực hiện phép khử các điều kiện biên. Điều kiện biên được áp vào trong thành phần các ma trận chuyển vị, vận tốc và gia tốc. Từ phương trình (3.31) ta sẽ xác định được các giá trị lực nút tại các bậc tự do áp đặt điều kiện biên {R(t)} - các phản lực tương tác giữa đạn và thành nòng và từ đó tính được lực ma sát cho bước tính tiếp theo. {퐹 푠} = ℎ푠 푠.{푅(푡)} (3.32) Với {Fms} là lực ma sát tại các điểm nút tiếp xúc giữa đạn và
16. 13 nòng; hsms là hệ số ma sát giữa vật liệu đạn – nòng. Với cách giải bài toán bằng phương pháp PTHH, giai đoạn bán liên kết và giai đoạn nằm hoàn toàn trong nòng được phân biệt bằng cách gán các điều kiện biên động học khác nhau. Giai đoạn bán liên kết được mô hình hóa bằng cách loại bỏ dần các điều kiện biên động học cho các nút đã chuyển dịch ra khỏi miệng nòng. Theo đó, sau mỗi bước tính ta sẽ kiểm tra điều kiện tiếp xúc (thoát khỏi miệng nòng) của các nút liên kết giữa đạn và nòng. Hình 3.3 mô tả đồ họa thuật toán mô hình hóa giai đoạn bán liên kết. Như vậy, sau mỗi bước tích phân chương trình lại kiểm tra điều kiện tiếp xúc, từ đó xác định các điều kiện biên động học, tính toán lại các ma trận trong phương trình (3.24). Dễ nhận ra rằng các ma trận này đã thay đổi cả về kích thước và giá trị các phần tử - bài toán trở thành phi tuyến cấu trúc. Hình 3.3. Đồ họa mô tả thuật Hình 3.4. Các véc tơ đặc trưng toán mô hình hóa giai đoạn bán cho chuyển động của đầu đạn liên kết Các góc đặc trưng cho chuyển động của đầu đạn bao gồm: Góc/vận tốc góc giữa véc tơ trục đạn – trục nòng; Góc/vận tốc góc giữa trục đạn – véc tơ vận tốc khối tâm; Góc/vận tốc góc giữa trục nòng, véc tơ vận tốc khối tâm. Chúng được xác định như sau:
17. 14 - Tọa độ véc tơ trục nòng: do đã coi nòng là tuyệt đối cứng nên ta có đường trục nòng không đổi trong suốt quá trình đầu đạn chuyển động trong nòng, tọa độ véc tơ trong không gian 3 chiều của đường trục nòng là: OX(1,0,0); - Tọa độ véc tơ vận tốc khối tâm: được xác định thông qua các thành phần vận tốc tính toán được trong mục 3.2.3: V(Vx,Vy,Vz); - Tọa độ véc tơ trục đạn: véc tơ trục đạn được hiểu là véc tơ trục quán tính chính trung tâm. Khi chuyển động trong nòng, đầu đạn chịu tác động của tổng hợp các lực nên bị biến dạng và đường trục đạn thực chất đã bị thay đổi. Muốn chuẩn xác hóa đường trục đạn ta cần tính toán xác định lại trục quán tính chính trung tâm ở mỗi bước tính. Tuy nhiên, nhận xét rằng sự thay đổi này là không nhiều nên luận án chấp nhận giả thiết rằng nó có phương trùng với đường thẳng nối giữa điểm chính giữa đáy và chính giữa đầu đạn. Lúc này, áp dụng công thức tính góc giữa các véc tơ trong không gian ta sẽ xác định được toàn bộ các thành phần các góc trên. Việc gán các đại lượng MCB vào mô hình PTHH được thực thực hiện theo sơ đồ hình 3.5. Theo cách này, với mỗi mẫu thử với độ MCB cho trước ta chỉ việc thay đổi mật độ vật liệu tại các vị trí xác định của D1, D2 (theo góc lệch giữa chúng). Cách thức như vậy được thực hiện hoàn toàn tự động trong chương trình.
18. 15 Hình 3.5. Thuật toán gán các đại lượng MCB vào mô hình PTHH Hệ (3.24) được giải bằng sơ đồ thuật toán NewMark (hình 3.2.a) đồng thời với việc giải hệ phương trình vi phân thuật phóng trong. Hình 3.2.a. Sơ đồ thuật toán tích phân số Newmark giải hệ (3.24)
19. 16 Một số kết quả chính khi giải hệ (3.24) được cho trong hình 3.10 Hình 3.10. Một số hình ảnh biểu diễn chuyển động thứ cấp của đầu đạn a- Vận tốc khối tâm trên mặt OYZ; b- Chuyển vị mũi đạn trên mặt OYZ; c- Tọa độ mũi – đáy đạn trên mặt OYZ; d- Đạo hàm chuyển vị mũi đạn trên mặt OYZ Hình 3.11. Vị trí khối tâm trên mặt OYZ theo thời gian (m)
20. 17 Chương 4. KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘ MẤT CÂN BẰNG ĐẦU ĐẠN ĐẾN TẢN MÁT ĐIỂM CHẠM CỦA SÚNG BỘ BINH Trong chương 4, luận án tập trung xây dựng mô hình tổng thể khảo sát ảnh hưởng của độ MCB đầu đạn súng bộ binh đến tản mát điểm khi bắn. Mô hình được lập thực hiện tính toán một cách liên tục từ khi đầu đạn được cắt đai hoàn toàn tới khi chạm mục tiêu; Thực hành bắn thí nghiệm đo tản mát cho lô đầu đạn 7,62mm K56 lõi thép sản xuất tại nhà máy Z113/ TCCNQP và tiến hành khảo sát ảnh hưởng của độ MCB đầu đạn đến tản mát điểm chạm. Sơ đồ MPNN khảo sát ảnh hưởng của độ MCB đến tản mát . Tạo bộ số liệu đầu vào ngẫu nhiên mô tả độ đảo hướng kính của các chi tiết đầu đạn dựa trên bộ bản vẽ chế tạo đầu đạn . Xác định quy luật phân bố độ MCB khối lượng: D1, D2, α, ec (chương 2) . Tính toán quá trình chuyển động trong nòng của đầu đạn MCB bằng phương pháp PTHH (chương 3) Kết quả: các thông số chuyển động của đầu đạn khi rời nòng. . Tính toán quỹ đạo chuyển động ngoài không khí, xác định điểm chạm đầu đạn tại mục tiêu (tài liệu [9]). Kết quả: các thông số quỹ đạo, điểm chạm tại mục tiêu. Hình 4.1. Sơ đồ MPNN đánh giá ảnh hưởng của độ MCB đến tản mát
21. 18 Mô hình chuyển động ngoài không khí của đầu đạn súng và đầu đạn pháo có thể coi là đồng nhất, đã được nghiên cứu và công bố khá đầy đủ trong tài liệu [9]. Do vậy, LA sẽ kế thừa và sử dụng công bố trên như một cơ sở tin cậy và không bổ sung thêm. Viết chương trình máy tính hiện thực hóa sơ đồ khảo sát Dựa trên các cơ sở lý thuyết và phương pháp giải được đưa ra, luận án đã lập trình chương trình máy tính tính toán ảnh hưởng của độ MCB đầu đạn đến tản mát điểm chạm. Chương trình được viết trên nền ngôn ngữ phần mềm MATLAB. Thực hành tính toán trên mô hình tổng thể đối với 300 mẫu đầu đạn và thực nghiệm bắn đo tản mát cho 4 lô đạn 7,62 mm K56 lõi thép sản xuất tại nhà máy Z113/ TCCNQP, luận án nhận được một số kết quả sau: Kết quả tính toán lý thuyết theo mô hình: - Giá trị vận tốc khối tâm trên mặt phẳng vuông góc với trục nòng phân bố theo quy luật Rayleigh, kỳ vọng 0,144 m/s; - Góc giữa véc tơ VTKT và trục nòng trên mặt phẳng đứng và mặt phẳng ngang (góc nảy đứng và góc nảy ngang) tuân theo quy luật phân bố chuẩn với kỳ vọng bằng 0, phương sai lần lượt là: 1,58e-4 rad và 1,62e-4 rad – hình 4.4; - Góc giữa véc tơ VTKT – Trục đạn bố theo quy luật Rayleigh, kỳ vọng 0,6e-4 rad; - Vận tốc góc giữa véc tơ VTKT – Trục đạn bố theo quy luật Rayleigh, kỳ vọng 1,26 rad/s; - Điểm chạm trên bia ở cự li 100m tuân theo quy luật phân bố chuẩn, với sai số trung gian tản mát theo chiều cao ly = 1,10 cm; theo hướng lz= 1,08 cm. Bán kính tản mát r50 = 1,82 – hình 4.9.
22. 19 GOC NAY DUNG GOC NAY NGANG 50 40 45 35 40 30 35 25 30 U U A A M 25 M 20 O O S S 20 15 15 10 10 5 5 0 0 -6 -4 -2 0 2 4 6 -5 0 5 rad -4 rad -4 x 10 x 10 Hình 4.4. Phân bố góc bay ra trong mặt phẳng đứng và mặt phẳng ngang PHAN BO DIEM CHAM TREN BIA CU LI 100 M - cm -0.05 -0.06 r50 -0.07 -0.08 Y -0.09 C U R -0.1 T -0.11 -0.12 -0.13 -0.14 -0.06 -0.04 -0.02 0 0.02 0.04 0.06 TRUC Z Hình 4.9. Phân bố điểm chạm trên bia ở cự li 100m Kết quả bắn thực nghiệm: Bảng 4.3. Kết quả bắn thử nghiệm đo độ chụm Ngày bắn r50 (cm) r100 (cm) Bia 1 Bia 2 Bia 3 TB Bia 1 Bia 2 Bia 3 TB 10/1/2018 2,7 2,5 2,8 2,67 6,3 5,5 6,1 5,97 24/3/2018 2,0 3,6 2,9 2,83 5,4 7,8 6,2 6,47 24/4/2018 3,9 3,0 3,1 3,33 5,7 8,5 7,5 7,23 26/4/2018 3,5 3,5 3,1 3,37 6,5 10,5 10,2 9,07
23. 20 Nhận xét kết quả: Từ dữ liệu trên cho thấy kết quả tính toán lý thuyết giá trị r 50 nằm trong khoảng từ 54 ÷ 70% kết quả bắn thử nghiệm. Có thể lý giải vấn đề này như sau: - Độ MCB đưa vào tính toán bài toán chuyển động trong nòng được xác định theo bản vẽ chế tạo đầu đạn và không thay đổi trong suốt quá trình đầu đạn chuyển động trong nòng cũng như trên quỹ đạo. Thực tế độ MCB của đầu đạn có thể bị thay đổi do quá trình cắt đai, sự xô lệch của các cấu tử không đều, sự dịch chuyển tương đối giữa lõi thép, áo chì, vỏ ngoài trong quá trình chuyển động của đầu đạn. - Sự rung động của súng: thực tế súng đã được gá kẹp chắc chắn lên giá, tuy nhiên cũng không thể loại trừ hoàn toàn được rung động của nòng súng và điều này làm tăng giá trị tản mát. - Sự khác nhau về hình dáng, kích thước giữa các đầu đạn sau khi ra khỏi nòng (do hiện tượng cắt đai, biến dạng), sự khác nhau về điều kiện khí tượng dẫn tới sự khác nhau của lực cản không khí tác dụng lên đầu đạn. Điều này sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến quỹ đạo cũng như điểm chạm trên bia. Đến đây ta có thể đưa ra kết luận rằng, MCB của đầu đạn là nguyên nhân chính làm tăng tản mát điểm chạm, tỷ trọng từ 54% đến 70%. Khảo sát ảnh hưởng của độ MCB đến tản mát điểm chạm Với mục đích đánh giá ảnh hưởng của độ MCB đầu đạn súng bộ binh đến tản mát điểm chạm khi bắn LA đề xuất 2 phương án khảo sát đối với 2 lô đạn 7,62 mm K56 có vùng MCB khác nhau. Theo phương pháp xây dựng mô hình mô phỏng tính toán độ MCB trong chương 2 thì để tạo ra được 2 lô đạn như trên, luận án sẽ thực
24. 21 hiện thay đổi dung sai chế tạo lõi thép và vỏ Bimetal của 2 lô đạn đó, cụ thể như sau: lô đạn thứ nhất lõi thép được chế tạo với cấp chính xác gia công tốt hơn một cấp còn vỏ Bimetal có cấp chính xác không thay đổi; lô đạn thứ 2 vỏ Bimetal được chế tạo với cấp chính xác gia công tốt hơn một cấp còn lõi thép có cấp chính xác không thay đổi. Phương án 1: lõi thép được chế tạo với cấp chính xác gia công tốt hơn một cấp, giữ nguyên cấp chính xác của vỏ. Với phương án này, lõi thép sẽ có cấp chính xác gia công tốt hơn 1 cấp: từ cấp 8 lên cấp 7. Tính toán và tra cứu dung sai độ đảo hướng kính của lõi thép, nhập dữ liệu đầu vào và chạy chương trình tính toán tản mát BULLET_TM_2018 ta nhận được một số kết quả chính như sau: các đại lượng MCB D 1, D2, ec phân bố theo quy luật Rayleigh với kỳ vọng: mD1= 0 ,0484 g.mm; mD2= 0,007 g.mm; mec= 0,0055 mm; góc giữa véc tơ VKKT và trục nòng trên mặt phẳng đứng và mặt phẳng ngang tuân theo quy luật phân bố chuẩn với kỳ vọng bằng 0, phương sai lần lượt là: 1,25e-4 rad và 1,28e-4 rad; các thông số đặc trưng cho tản mát: r50 = 1,42 cm; ly= 0,874 cm; lz = 0,84 cm. Phương án 2: vỏ Bimetal được chế tạo với cấp chính xác gia công tốt hơn một cấp, giữ nguyên độ chính xác gia công lõi thép Với phương án này, vỏ Bimetal sẽ có cấp chính xác gia công tốt hơn 1 cấp: từ cấp 7 lên cấp 6. Tính toán và tra cứu dung sai độ đảo hướng kính của vỏ Bimetal, nhập dữ liệu đầu vào và chạy chương trình tính toán tản mát BULLET_TM_2018 ta nhận được một số kết quả chính như sau: các đại lượng MCB D 1, D2, ec phân bố theo quy luật Rayleigh với kỳ vọng: mD1= 0 ,0553 g.mm; mD2= 0,0068 g.mm; mec= 0,0064 mm; góc giữa véc tơ VKKT và trục nòng trên mặt phẳng đứng và mặt phẳng ngang tuân theo quy luật phân bố chuẩn với
25. 22 kỳ vọng bằng 0, phương sai lần lượt là: 1,37e-4 rad và 1,44e-4 rad; các thông số đặc trưng cho tản mát: r50 = 1,57 cm; ly= 0,98 cm; lz = 0,92 cm. Kết quả tính toán khảo sát tản mát cho 3 trường hợp được cho trong bảng 4.4. Bảng 4.4. Kết quả tính toán tản mát cho 3 trường hợp Đại lượng PA0 PA1 PA2 (theo (tăng cấp chính xác (tăng cấp chính xác bộ bản gia công lõi thép) gia công vỏ Bimetal) vẽ) Trị số % so với Trị số % so với PA0 PA0 mD1(g,mm) 0,0624 0,0484 77,56 0,0553 88,62 mD2(g,mm) 0,0083 0,007 84,34 0,0068 81,93 mec(mm) 0,0071 0,0055 77,46 0,0064 90,14 r50 (cm) 1,82 1,42 78,02 1,57 86,26 ly(cm) 1,10 0,87 79,09 0,98 89,09 lz (cm) 1,08 0,84 77,78 0,92 85,19 Từ bảng 4.4 ta thấy rằng: - Khi tăng 1 cấp chính xác gia công lõi thép - từ cấp 8 lên cấp 7, giữ nguyên cấp chính xác gia công vỏ Bimetal thì bán kính tản mát r50 sẽ giảm xuống còn 1,42 cm tương đương 78,02 % so với phương án hiện đang sản xuất, tức là tản mát đã giảm 21,98%, - Khi giữ nguyên cấp chính xác gia công lõi thép, tăng cấp chính xác gia công vỏ Bimetal từ cấp 7 lên cấp 6 thì bán kính tản mát r50 giảm xuống còn 1,57 cm tương đương 86,26% so với phương án hiện tại, tức là tản mát của loạt bắn giảm 13,74%,
26. 23 KẾT LUẬN Luận án với đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của độ mất cân bằng đầu đạn súng bộ binh đến tản mát điểm chạm khi bắn” đã sử dụng phương pháp mô phỏng ngẫu nhiên Monte Carlo để nghiên cứu tản mát trên cơ sở thành lập mới mô hình tính toán độ MCB và mô hình toán học mô tả chuyển động của đầu đạn trong nòng và bán liên kết. Qua quá trình nghiên cứu, luận án đã thu được một số kết quả và những đóng góp mới sau: Các kết quả chính đạt được - Đã xây dựng được mô hình tính toán độ MCB khối lượng của lô đầu đạn súng bộ binh nhiều cấu tử trong mối liên hệ trực tiếp với dung sai chế tạo. Mô hình bài toán được lập dựa trên cơ sở phương pháp MPNN và được lập trình trên nền ngôn ngữ phần mềm MATLAB. - Đã xây dựng được mô hình tính toán chuyển của đầu đạn súng bộ binh ba cấu tử kể từ khi đầu đạn được cắt đai hoàn toàn đến khi kết thúc giai đoạn bán liên kết trong mối liên hệ trực tiếp với độ mất cân bằng khối lượng. Mô hình bài toán được lập dựa trên cơ sở phương pháp PTHH khi coi đầu đạn là vật rắn biến dạng trong vùng đàn hồi và được lập trình trên nền ngôn ngữ phần mềm MATLAB. - Đã xây dựng được mô hình tổng thể và chương trình tính toán khảo sát ảnh hưởng của độ MCB đầu đạn súng bộ binh đến chỉ tiêu tản mát điểm chạm khi bắn. - Khảo sát ảnh hưởng của độ MCB đầu đạn đến tản mát điểm chạm cho hai phương án khi lần lượt tăng cấp chính xác gia công của lõi thép và vỏ Bimetal Kết quả khảo sát thấy rằng để giảm tản mát
27. 24 điểm chạm, phương án tăng độ chính xác gia công lõi thép sẽ có hiệu quả tốt hơn so với phương án tăng độ chính xác gia công vỏ Bimetal. Những đóng góp mới của luận án - Xây dựng mới mô hình tính toán các đại lượng đặc trưng mất cân bằng khối lượng của lô đầu đạn theo cấp chính xác gia công dựa trên phương pháp MPNN. - Xây dựng mới mô hình tính toán chuyển động trong nòng của đầu đạn súng bộ binh nhiều cấu tử, mất cân bằng khối lượng kể từ khi đầu đạn được cắt đai hoàn toàn đến khi kết thúc giai đoạn bán liên kết. Mô hình được xây dựng dựa trên cơ sở của phương pháp phần tử hữu hạn khi coi đầu đạn là vật rắn biến dạng trong vùng đàn hồi. - Xây dựng mới mô hình mô phỏng ngẫu nhiên nghiên cứu ảnh hưởng của độ MCB đầu đạn súng bộ binh nhiều cấu tử đến tản mát điểm chạm. Mô hình được lập thực hiện tính toán một cách liên tục từ khi đầu đạn được cắt đai hoàn toàn tới khi chạm mục tiêu. - Đánh giá được mức độ ảnh hưởng của độ mất cân bằng đầu đạn súng bộ binh đến tản mát điểm chạm khi bắn. KIẾN NGHỊ VỀ CÁC HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO Qua quá trình nghiên cứu, luận án xin đề xuất một số kiến nghị để phát triển và hoàn thiện tiếp theo là: 1. Nghiên cứu bài toán chuyển động trong nòng tính tới cả vùng làm việc biến dạng dẻo của vật liệu; 2. Tính tới sự trượt - xoay tương đối giữa các cấu tử trong vỏ đạn; 3. Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình cắt đai đến tản mát điểm chạm.