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

159 trang Phương Linh 25/03/2025 40

Download

Bạn đang xem 30 trang mẫu của tài liệu "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", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên.

File đính kèm:

ToanVan LuanAn NCS NguyenThanhBinh.pdf
ThongTin KetLuanMoi LuanAn NCS NguyenThanhBinh.doc
TomTat LuanAn NCS NguyenThanhBinh_English.pdf
TomTat LuanAn NCS NguyenThanhBinh_TiengViet.pdf
TrichYeu LuanAn NCS NguyenThanhBinh.doc

Nội dung tài liệu: 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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN 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
CÔNG TRÌNH ĐƢỢC HOÀN THÀNH TẠI VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ-BỘ QUỐC PHÒNG Người hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS Nguyễn Minh Tuấn 2. TS. Phan Tƣơng Lai Phản biện 1: PGS. TS Đặng Ngọc Thanh Học viện Kỹ thuật quân sự Phản biện 2: PGS. TS Nguyễn Văn Hƣng Trƣờng Sỹ quan Kỹ thuật quân sự Phản biện 3: PGS. TS Nguyễn Văn Chúc Viện Khoa học và Công nghệ quân sự Luận án được bảo vệ tại hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp Viện và họp tại Viện Khoa học và Công nghệ quân sự vào hồi giờ, ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Viện Khoa học và Công nghệ quân sự - Thư viện Quốc gia Việt Nam
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài luận án Việc đặt ra đề tài: “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” là một bước đi cần thiết và cấp bách để có thể nâng cao chất lượng, giảm chi phí, thời gian trong quá trình nghiên cứu thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thân, cánh tên lửa phục vụ chương trình trọng điểm của Bộ Quốc phòng về thiết kế, chế tạo TLĐH tiến tới xây dựng nền công nghiệp tên lửa của nước ta trong tương lai. 2. Mục tiêu nghiên cứu Xây dựng cơ sở xác định các trường hợp chịu tải trọng nguy hiểm bằng việc xây dựng và giải bài toán động lực học bay của tên lửa, tính toán độ bền kết cấu thân cánh dưới tác động của một số tham số động học, động lực học với một lớp tên lửa hành trình đối hải phục vụ việc thiết kế, chế tạo, thử nghiệm thân, cánh tên lửa. 3. Đối tƣợng và 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 và sự ảnh hưởng của một số tham số động học, động lực học tới độ bền thân, cánh tên lửa hành trình đối hải. 4. Phƣơng pháp nghiên cứu - Nghiên cứu các phương trình cơ bản của lý thuyết đàn hồi và nguyên lý chung của phương pháp PTHH làm cơ sở xây dựng mô hình tính toán kết cấu thân vỏ tên lửa; và xây dựng thuật toán tính toán kết cấu thân, cánh TLĐH. - Nghiên cứu xây dựng mô hình động học và tính toán quỹ đạo bay của tên lửa hành trình đối hải; xác định các trường hợp chịu tải lớn nhất. - Xây dựng mô hình và thuật toán phương pháp PTHH xác định trường ứng suất - biến dạng của thân, cánh tên lửa chịu tác động của tải trọng khí động. - Nghiên cứu tính toán và khảo sát ảnh hưởng của một số tham số động học, động lực học đến độ bền kết cấu thân cánh TLĐH; phân tích, xử lý và đánh giá ảnh hưởng đến độ bền kết cấu thân, cánh tên lửa. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Ý nghĩa khoa học: Bổ sung cơ sở lý luận cho các phương pháp tính toán, thiết kế thân, vỏ khí cụ bay nói chung và tên lửa nói riêng. Xây dựng thuật toán, các biểu thức quan hệ và phương trình bằng ngôn ngữ véctơ và ma trận rõ ràng, rất thuận lợi cho việc lập trình máy tính.
2 Việc phát triển xây dựng thuật toán phương pháp PTHH có ý nghĩa rất quan trọng, làm cơ sở vững chắc cho việc khai thác phần mềm Ansys để giải các bài toán đặt ra một cách chính xác, tin cậy. Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu của luận án đáp ứng việc giải quyết các nhiệm vụ trong quá trình nghiên cứu thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thân, cánh tên lửa phục vụ chương trình trọng điểm của Bộ Quốc phòng về thiết kế, chế tạo TLĐH tiến tới xây dựng nền công nghiệp tên lửa của nước ta trong tương lai. 6. Bố cục của luận án Nội dung của luận án bao gồm phần mở đầu, nội dung cơ bản được trình bày trong 4 chương và kết luận. Chƣơng 1. TỔNG QUAN VỀ CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ĐỘ BỀN THÂN VÀ CÁNH TÊN LỬA ĐỐI HẢI 1.1. Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nƣớc *. Một số vấn đề cần được tiếp tục nghiên cứu sau đây: - Xây dựng mô hình toán nhằm nâng cao độ chính xác, phù hợp với tính chất làm việc thực tế của kết cấu thân, cánh tên lửa. - Hoàn thiện mô hình và phương pháp tính toán quỹ đạo chuyển động của tên lửa. - Sử dụng phương pháp PTHH và đi sâu nghiên cứu giải các bài toán độ bền kết cấu thân cánh tên lửa. - Nghiên cứu khảo sát, đánh giá ảnh hưởng của một số tham số động học và động lực học đến sự làm việc của kết cấu thân cánh tên lửa đối hạm. - Nghiên cứu đánh giá độ bền của thân và cánh tên lửa trong một số trường hợp cơ động theo các quỹ đạo đặc biệt ứng dụng trong tác chiến nâng cao khả năng cơ động và uy lực của TLĐH. 1.2. Tổng quan về 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 cơ hành trình và máy lái, khoang trung gian, khoang động cơ phóng và khoang ổn định. Các khoang được nối với nhau bởi khung thân dạng vòng chịu lực ngang, được tăng cường các gân để chịu lực dọc và ngoài cùng là lớp vỏ mỏng trơn. Hình dạng bề mặt cánh nâng và cánh lái là hình thang, khi ở trong ống phóng các cánh nâng và cánh lái ở trạng thái gập, khi tên lửa hoạt động cánh nâng và cánh lái được bung ra sau khi ra khỏi ống phóng. 1.3. Tổng quan về các tham số động học, động lực học trong tính toán độ bền kết cấu thân, cánh TLĐH
3 1.4. Những vấn đề chung về ứng dụng phƣơng pháp phần tử hữu hạn giải bài toán cơ học 1.5. Kết luận chƣơng 1 Trên cơ sở nghiên cứu tổng quan, nghiên cứu sinh đề xuất một số vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu, hoàn thiện về phương pháp tính toán, khẳng định được tính mới, tính cần thiết của đề tài luận án và làm rõ mục đích, nội dung và phạm vi nghiên cứu của luận án: - Hoàn thiện mô hình động lực học và tính toán quỹ đạo chuyển động của TLĐH, trên cơ sở đó xác định các trạng thái chịu tải lớn nhất của kết cấu thân và cánh TLĐH. - Trên cơ sở ứng dụng thuật toán phương pháp PTHH đi sâu nghiên cứu xây dựng và giải các bài toán độ bền kết cấu thân, cánh TLĐH được xấp xỉ bề mặt cong bằng các phần tử tấm phẳng dạng tam giác. - Nghiên cứu khảo sát độ bền, xác định khu vực chịu tải lớn nhất và đánh giá khả năng làm việc của kết cấu thân, cánh TLĐH trong các trạng thái chịu tải nguy hiểm. Đánh giá sự ảnh hưởng của một số tham số động học, động lực học đến sự làm việc của kết cấu thân, cánh TLĐH qua đó đề xuất khả năng cải tiến hoặc tăng độ cơ động của TLĐH. Chƣơng 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC VÀ XÁC ĐỊNH CÁC TRƢỜNG HỢP CHỊU TẢI LỚN NHẤT 2.1. Tải trọng tác động lên tên lửa trong quá trình chuyển động 2.1.1. Lực hấp dẫn 2.1.2. Khí quyển 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 của TLĐH 2.2.1. Xây dựng các phương trình chuyển động tổng quát 1. Khảo sát toàn bộ khối lượng chứa trong tên lửa tại thời điểm t như là một hệ thống duy nhất. 2. Bỏ qua các lực tác dụng lên các khối lượng tiêu hao trong thời gian dt qua tiết diện ra của ống phụt. Mô hình chuyển động của tên lửa trong điều kiện có hệ thống ổn định kênh nghiêng, trong trường hợp tổng quát được thể hiện 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)
4 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 các hệ số khí động được tính như sau:  Cy = Cy . + Cy . 1 (2.83)   Cz = Cz .  + Cz .2 (2.84) Cx = Cxo + Cxi( , ) (2.85)  z mz = mz . + mz .1 + mz .d / V. z (2.86)    y my = my . + my .2 + my .d / V. y (2.87) b) Khi các kênh điều khiển đã vào hoạt động: Để xác định các thông số quỹ đạo bay trong trường hợp có điều khiển sẽ thông 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) Cy . + Cy .1 = Ny.m.g / q (2.109)   9) Cz .  + Cz .2 = Nz.m.g / q (2.110) 1 10) mz = mz . + mz .1 = 0 (2.111)   2 11) my = my .β + my .2 = 0 (2.112) 12)  =  + (2.113)
5 13) ψ =  +  (2.114) 2.2.2. Xác định các tham số phục vụ giải bài toán tính quỹ đạo - Khối lượng, trọng tâm, mô men quán tính (ở 3 giai đoạn: phóng, bay hành trình, bay hành trình khi hết nhiên liệu); - Tính toán các đặc trưng khí động; - Kích thước của tên lửa; - Lực đẩy của động cơ phóng, động cơ hành trình; - Độ tiêu hao nhiên liệu theo thời gian; 2.2.3. Các số liệu cơ bản để tính toán quỹ đạo bay của TLĐH 1.Tầm bắn tối đa có thể đạt được là trên 130 km 2. Độ cao bay hành trình không quá 10 15 m 3. Độ cao bay tiếp cận mục tiêu không quá 3 5 m 4. Cự li bắn tối thiểu (với góc quay vòng sau khi phóng 15°) 5 km 5. Tốc độ bay hành trình M=0,8 0.85 6. Góc phóng 7. Khả năng vòng về hướng chiến đấu sau khi phóng là 90 8. Động cơ phóng nhiên liệu rắn 9. Động cơ hành trình turbin phản lực không khí 10. Quỹ đạo bay điển hình của TLĐH 2.2.4. Thuật toán ghép nối mô phỏng chuyển động tên lửa 2.2.5. Kết quả mô phỏng và phân tích Ví dụ số liệu mô phỏng: Tại thời điểm tên lửa được phóng lên, tàu mục tiêu nằm ở cự ly cách tên lửa là 100 km, hướng di chuyển của mục tiêu = 90°, tàu mục tiêu di chuyển với tốc độ là 10 m/giây. Hướng phóng của tên lửa trùng với trục X của hệ tọa độ dẫn đường. Góc phóng của tên lửa 35°, độ cao hành trình 15 m. Kết quả cho thấy quỹ đạo bay của tên lửa theo từng giai đoạn phù hợp với thuyết minh kỹ thuật TLĐH. QUY DAO CHUYEN DONG DOC 120 100 80 60 H[m] 40 20 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 4 X[m] x 10 Hình 2.7; 2.8. Quỹ đạo chuyển động trong mặt phẳng thẳng đứng và mặt phẳng nằm ngang với góc phóng 0
6 2.3. Xác định trƣờng hợp chịu tải lớn nhất của thân, cánh tên lửa Các trường hợp chịu tải nguy hiểm đối với thân tên lửa được xác định là khi các hệ số quá tải dọc và quá tải ngang đạt giá trị lớn nhất trên toàn bộ quỹ đạo. Trên toàn bộ quỹ đạo, giai đoạn phóng có hệ số quá tải dọc lớn nhất nx = 14,24. Từ kết quả giải bài toán quỹ đạo nhận được đồ thị các hệ số quá tải ngang thân n , n theo thời gian y z Hình 2.12. Hệ số quá tải trong 100 giây đầu tiên như hình 2.12. ngang thân tên lửa Từ đồ thị hệ số quá tải nhận thấy có 2 thời điểm thân tên lửa có quá tải ngang lớn là khi vòng về hướng chiến đấu (nz = 2,89 ) và khi hạ độ cao đồng thời tiếp tục vòng về hướng chiến đấu (ny = 2,14 và nz = 2,29). Đây sẽ là 2 trường hợp tính toán độ bền kết cấu thân tên lửa khi bay hành trình. Các trường hợp chịu tải nguy hiểm của cánh nâng và cánh lái là khi tải trọng khí động tác dụng lên chúng có giá trị lớn nhất. Tải trọng khí động theo các trục tương ứng của hệ tọa độ này tỉ lệ với hệ số khí động và thường được biểu diễn thông qua hệ số khí động theo các công thức: Xc = CxCN.q.Scanh (2.115) Yc = CyCN.q.Scanh (2.116) Từ công thức tính hệ số khí động cánh nâng nhận thấy các hệ số này tỉ lệ với góc tấn làm việc. Do vậy có thể dùng đại lượng góc tấn làm việc để đánh giá độ lớn tải trọng khí động. Có 2 thời điểm góc tấn cánh nâng đạt giá trị lớn là : - Khi tên lửa vòng về hướng chiến đấu do góc trượt cạnh lớn ; - Khi tên lửa hạ độ cao đồng thời tiếp tục vòng về hướng chiến đấu do góc tấn lớn và góc trượt cạnh vẫn đáng kể. Như vậy, ta xác định 2 trường hợp tính toán cần khảo sát độ bền kết cấu cánh nâng là khi tên lửa vòng về hướng chiến đấu và khi hạ độ cao. Đối với cánh lái tên lửa do xuất hiện đại lượng góc lệch cánh δ, tương tự như cánh nâng các hệ số khí động được biểu diễn thông qua góc tấn làm việc αCL theo công thức : 02 CCCxCL xCL xiCL CL (2.119) CCyCL yCN CL
7 Như vậy, tải trọng khí động tác dụng lên cánh lái lớn nhất khi góc tấn làm việc của cánh lái lớn nhất. Đồ thị phụ thuộc của góc tấn làm việc của các cánh lái tầm (αCL1) và cánh lái hướng (αCL2) trong 100 giây đầu tiên của quỹ đạo như hình 2.15. Nhận thấy góc tấn làm việc cực đại của cánh lái hướng lớn hơn so với góc Hình 2.15. Góc tấn làm việc của tấn làm việc cực đại của cánh lái tầm. cánh lái Do vậy, cánh lái hướng sẽ được chọn để khảo sát độ bền. Đồng thời xác định được 2 trường hợp tính toán đối với cánh lái tầm CL2 là khi vòng về hướng chiến đấu và khi hạ độ cao. 2.4. Kết luận chƣơng 2 Chương 2 đã xây dựng chương trình giải hệ phương trình vi phân chuyển động của tên lửa ứng với các kịch bản bắn khác nhau trong môi trường Matlab Simulink. Từ kết quả mô phỏng các tham số quỹ đạo tên lửa, NCS đã đề xuất một số trạng thái chịu tải lớn nhất của kết cấu thân và cánh TLĐH: - Khi phóng quá tải dọc trục thân tên lửa lớn nhất; - Từ kết quả giải bài toán xác định quỹ đạo tên lửa ứng với các trường hợp bắn khác nhau nhận thấy có 2 thời điểm tải trọng tác dụng lên thân và cánh tên lửa có giá trị lớn: + Khi tên lửa vòng về hướng chiến đấu khi bắn với góc hướng bắn Ψ = 90°. Lúc này cánh lái hướng hoạt động với góc lệch δ2 = 11,95° và tên lửa bay với góc trượt cạnh cực đại β = -6,8°. + Khi tên lửa hạ độ cao đồng thời tiếp tục vòng về hướng chiến đấu. Lúc này cánh lái tầm có góc lệch bằng δ1 = 19,16°, cánh lái hướng có góc lệch bằng δ2 = 10,98°. Tên lửa bay với góc tấn α = 3,6°, góc trượt cạnh β= -4,2°. Các trạng thái này được dùng làm số liệu đầu vào để tính toán khảo sát độ bền kết cấu thân cánh. Chƣơng 3. XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ THUẬT TOÁN PHƢƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN TÍNH TOÁN TRƢỜNG ỨNG SUẤT - BIẾN DẠNG THÂN VÀ CÁNH TÊN LỬA ĐÓI HẢI 3.1. Thiết lập mô hình: Xấp xỉ bề mặt thân và cánh TLĐH bằng các phần tử tấm phẳng dạng tam
8 giác được chỉ ra trên 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 tấm phẳng dạng tam giác Các giả thiết: - Chiều dày thân là hằng số và được coi như là vỏ mỏng - Vỏ bọc của thân tên lửa được gắn chặt với khung thân ghép nối các khoang và thanh dọc tăng cường của thân tên lửa - Bỏ qua ứng suất theo hướng z, tức là z = 0 - Không xét đến lực cắt, tức là xy = yz =0 Mỗi nút phần tử chịu hai chuyển vị màng u và v, độ võng w, góc xoay x, y, góc xoắn z trong mặt phẳng. Lực tác dụng lên phần tử điển hình bao gồm hai lực màng Fx, Fy, hai mômen uốn Tx, Ty, một lực pháp tuyến Fz, một mômen xoắn Tz tương ứng với góc xoay z . Nhận thấy rằng, góc xoắn trong mặt phẳng z là rất nhỏ và có thể bỏ qua. Như vậy, 6 thành phần chuyển vị và lực phải được xét đến tại mỗi nút của phần tử. Do đó, toàn bộ chuyển vị và tải trọng tại nút 1 có thể được viết dưới dạng véctơ sau đây: T mu T 1  1  1 z 1 uv 1 1  x 1  y 1  z 1 (3.1) T mu T và FFFTFFFTTT1 1 1 z 1 x 1 y 1 z 1 x 1 y 1 z 1 3.2.1. Xác định ma trận độ cứng phần tử tam giác đối với trạng thái màng m 1. Chọn hàm chuyển vị [f(x,y)] và xác định véctơ chuyển vị (,)xy tại điểm bất kỳ trong mặt phẳng và hàm chuyển vị có thể được viết như sau: m u 1 x y 0 0 0 T (xy , )  1 2 3 4 5 6 (3.4) v 0 0 0 1 x y m 2. Biểu diễn chuyển vị (,)xy tại điểm bất kỳ bên trong phần tử theo 1  me m m m me chuyển vị nút : (,)(,)x y fA x y  (3.8) m m 3. Biểu diễn quan hệ biến dạng (,)xy theo chuyển vị (,)xy và theo 1  me m m m me chuyển vị nút : (,)xy CA  (3.15) m m 4. Quan hệ ứng suất  (,)xy theo biến dạng (,)xy và chuyển vị nút  me m m me  : (,)xy AB  (3.20)
9 m 5. Biểu diễn quan hệ ứng suất  (,)xy với tải trọng nút tĩnh tương đương, quan hệ lực nút với chuyển vị nút và nhận được ma trận độ cứng phần tử [Kme] m m m m m m k11 k 21 k 31 k 41 k 51 k 61 m m m m m m k k k k k k 21 22 32 42 52 62 1 km k m k m k m k m k m K me 31 32 33 43 53 63 4 km k m k m k m k m k m 41 42 43 44 54 64 (3.27) m m m m m m k51 k 52 k 53 k 54 k 55 k 65 m m m m m m k61 k 62 k 63 k 64 k 65 k 66 6. Thành lập ma trận chuyển vị ứng suất [Hme] Quan hệ ứng suất - chuyển vị được cho trong phương trình m m me (,)xy H  (3.28) m Từ (3.28) có thể xác định được ứng suất  (,)xytại điểm bất kỳ (x,y) trong phần tử. Các ứng suất nhận được có chứa các số hạng phụ thuộc theo tọa độ x và y cho nên để nhận được ứng suất tại một điểm nào đó trong phần tử các tọa độ của điểm đó phải được đặt vào trong ma trận [Hm]. Trong trường hợp phần tử tam giác lấy tâm tam giác làm tọa độ của x, y tức là ứng suất nhận được tại tâm của tam giác. 3.2.2. Xác định ma trận độ cứng của phần tử tam giác phẳng chịu uốn [Kue] 1. Chọn hàm chuyển vị w(x,y) và xác định véctơ chuyển vị  (,)xy tại điểm bất kỳ của phần tử. Để đảm bảo tính đẳng hướng hình học hàm đa thức xấp xỉ của độ võng có dạng sau: w(xy , ) 1 xyxxyyx 2 2 3 ( xyxy 2 2 ) y 3   Pxy ( , )  (3.32) Kiểm tra tính tương thích của phần tử đang xét với hàm độ võng w(x,y) được chọn trong (3.31). Giả sử xét cạnh biên ij là cạnh biên chung giữa hai phần tử A và B kề sát nhau, trong hệ tọa độ địa phương cạnh ij có phương trình y=0. Chuyển vị theo phương z hay độ võng theo cạnh này là 23 w (w) x x x (3.33) ijy 0 1 2 4 7 Độ dốc theo phương x hay w dọc theo cạnh này là x
10 ww 2 2 23 4xx 7 (3.34) xx ij y 0 w và w hoàn toàn xác định trên cạnh biên ij và tính liên tục của x chuyển vị và độ dốc dọc theo cạnh này được bảo đảm khi chuyển từ phần tử A sang phần tử B. Độ dốc theo phương y hay w dọc theo cạnh biên chung ij: y ww 2 (3.35) 3 5xx 8 yy ij y 0 Có thể thấy rằng để xác định dọc theo cạnh biên chung ij, ta cần xác định được 3 tham số 3 , 5 và 8 . Nhưng chúng ta chỉ có được hai phương trình từ việc thay thế vào hai điều kiện tại x = 0 và x = a. Do đó độ dốc vuông góc với biên ij là không xác định. Tuy nhiên, phần tử này vẫn có thể áp dụng được vì trên thực tế người ta thường sử dụng một loại phần tử tấm phẳng chỉ đòi hỏi sự liên tục của chuyển vị và góc xoay tại các nút. u 2. Biểu diễn chuyển vị (,)xy tại điểm bất kỳ bên trong phần tử theo chuyển vị nút  ue Đạo hàm (3.32) theo x và y nhận được véctơ chuyển vị, [29]: w 1 x y x2 xy y 2 x 3 ( x 2 y xy 2 ) y 3 22  x 0 0 1 0x 2 y 0 ( x 2 xy ) 3 y  (3.36) 0 1 0 2x y 0 3 x22 (2 xy y ) 0  y Thay các tọa độ nút: nút 1 (0,0); nút 2 (x2 , 0); nút 3 (x3 , y3) nhận được ue n   A  (3.37) Giải phương trình (37) nhận được u 1 ue  A  (3.39) Đặt (3.39) vào (3.32) nhận được w = [P(x,y)] [Au]-1{ue} (3.40) u ue 3. Biểu diễn (,)xy tại điểm bất kì theo chuyển vị nút { } 2 2 2 T u T w  w  w (,)x y  x  y  xy  z 222 x  y  x  y
11 u Từ (3.40) và (3.41) véctơ biến dạng (,)xy được biểu diễn qua chuyển ue u u ue vị nút { } như sau: (,)xy B  Trong đó: ma trận biến dạng uốn [Bu] = -z[Cu][Au]-1 (3.43) 4. Xác định ma trận độ cứng uốn của phần tử [Kue] Ma trận độ cứng uốn [Kue] phần tử tam giác 3 nút được xác định: T ue u 11 u KAIA   (3.48) 5. Thành lập ma trận chuyển vị - ứng suất [Hue] Quan hệ ứng suất - chuyển vị được cho trong phương trình (3.28) và u ue ue (3.29) như sau (,)xy H  Trong trường hợp phần tử tam giác, nếu lấy tâm tam giác làm tọa độ của x, y thì nhận được ứng suất tại tâm tam giác. 3.2.3. Xác định ma trận độ cứng tổng thể [Ke] của phần tử tam giác đồng thời chịu lực màng và chịu lực uốn Ma trận độ cứng phần tử [Ke] có kích thước (18x18) và được tập hợp bởi hai ma trận độ cứng của trạng thái màng và ma trận độ cứng của trạng thái uốn. Quan hệ giữa tất cả các lực và chuyển vị tại nút 1 như sau: mm  m  F11 k11 00   u u u F1 F 1  00 k 11  1   (3.56) T 0 0 0  z1  z1  Đến đây, quan hệ giữa lực và chuyển vị tại nút 1 đã được xác định. Quan hệ tương tự như vậy sẽ tồn tại tại 2 nút còn lại của phần tử. Chẳng hạn như, lực tại nút 2 có thể biểu diễn theo chuyển vị tại nút 3 như sau: mm  m  F23 k23 00   u u u F2 F 2  00 k 23  3   (3.57) T 0 0 0  z2  z3  Tập hợp tất cả các quan hệ giữa lực và chuyển vị nút cho tất cả các phần tử có thể viết dưới dạng phương trình đối với bài toán tính toán trường ứng suất - biến dạng của thân tên lửa được xấp xỉ bằng những phần tử phẳng dạng tam giác và ma trận độ cứng [Ke] có kích thước (18x18)
12 km 0 0 k m 0 0 k m 0 0 11 21 31 0 ku 0 0 k m 0 0 k m 0 11 21 31 0 0 0 0 0 0 0 0 0 m m m k21 0 0 k 22 0 0 k 32 0 0 e K u u m 0 k21 0 0 k 22 0 0 k 32 0 (3.58) 0 0 0 0 0 0 0 0 0 km 0 0 k m 0 0 k m 0 0 31 32 33 0 ku 0 0 k u 0 0 k u 0 31 32 33 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Đối với những vị trí đặt khoang thân và thanh dọc của thân tên lửa thì ma trận độ cứng [Ke] trong (3.58) được tính như sau: với giả thiết vỏ bọc của thân tên lửa được gắn chặt với khung thân ghép nối và thanh dọc tăng cường của thân tên lửa, như vậy với các vị trí liên kết này giả thiết các khung thân và thanh dọc được coi như dầm chịu lực màng và đồng thời chịu uốn. Ma trận độ cứng phần tử đối với các vị trí khung thân và thanh dọc chịu lực được cộng thêm độ cứng đối với trạng thái màng và uốn của phần tử dầm. 3.2.4. Chuyển hệ trục tọa độ Ma trận độ cứng phần tử đã nhận được trong hệ tọa độ tổng thể và có thể viết dưới dạng chuẩn đối với quan hệ lực và chuyển vị trong hệ tọa độ tổng thể như sau: e e e F  K   (3.68) Theo phương trình Cauchy về sự liên hệ giữa chuyển vị và biến dạng, biến dạng của một điểm trong phần tử sẽ là ee  B  (3.69) Ứng suất tại một điểm thuộc phần tử vỏ trong trường hợp vật liệu tuân theo định luật Hooke là  H ee (,)xy   (3.70) Các biểu thức (3.69), (3.70) thiết lập được mối quan hệ ứng suất - chuyển vị và cho phép xác định trạng thái ứng suất tại tâm của phần tử. 3.3. Xây dựng thuật toán phƣơng pháp PTHH xác định trƣờng ứng suất-biến dạng cánh TLĐH sử dụng phần tử tấm phẳng dạng tam giác Các giả thiết:
13 - Chiều dày cánh là hằng số và được coi như là vỏ mỏng - Bỏ qua ứng suất pháp theo hướng z, tức là z=0 - Không xét đến lực cắt, tức là xz=yz=0 - Bỏ qua lực cản mũi gây nên ứng suất trong mặt phẳng do tải trọng khí động tác dụng vuông góc lên cánh lớn hơn nhiều lực cản mũi Y>>X Xét một phần tử điển hình dạng tam giác trong cánh tên lửa. Tại mỗi nút phần tử chịu 1 độ võng w và hai góc xoay x và y . Lực tác dụng lên phần tử điển hình gồm 2 mômen uốn Tx , Ty một lực pháp tuyến Fz . Một độ võng và hai góc xoay tại mỗi nút được xem là các bậc tự do của mỗi nút. Như vậy, 9 thành phần chuyển vị phải được xem xét cho mỗi phần tử của cánh và phần tử có 9 bậc tự do và được viết dưới dạng như sau T T e  w1 x 1  y 1 w 2  x 2  y 2 w 3  x 3  x 3 (3.69) Việc giải bài toán tính trường ứng suất - biến dạng của cánh khi sử dụng phần tử phẳng dạng tam giác, thực chất là giải bài toán tấm chịu uốn khi cánh chịu tải trọng khí động. Từ các 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 đã được xác định theo trình tự từ công thức (3.31) đến (3.53). Sau khi xác định ma trận độ cứng phần tử [Kue] của cánh tiến hành lập ma trận chuyển vị - ứng suất [Hue] và xác định được quan hệ ứng suất - chuyển vị. Tiếp theo xác định véctơ tải phần tử, chuyển hệ tọa độ và tập hợp ghép nối các phần tử trên toàn hệ nhận được các ma trận độ cứng [K] và véctơ tải trọng quy nút {P} tổng thể và thiết lập nên hệ phương trình đại số tuyến tính, sau khi giải tìm được chuyển vị nút và từ đó xác định được trường ứng suất - biến dạng của toàn bộ cánh tên lửa. 3.4. Kiểm chứng tính đúng đắn của mô hình toán Trên cơ sở mô hình toán đã trình bày kết hợp với giải thuật cơ bản của phương pháp phần tử hữu hạn, tác giả tiến hành xây dựng giải thuật phân tích kết cấu vỏ mỏng. Chương trình phân tích cơ học kết cấu vỏ được xây dựng bằng phần mềm Matlab trên cơ sở thuật toán đã xây dựng. Số liệu đầu vào của chương trình là các thông tin các thông số hình học giới hạn, đặc trưng vật liệu, tải trọng, các điều kiện biên Kết quả đầu ra của chương trình là các ảnh đồ chuyển vị, ứng suất tương đương, các giá trị nhỏ nhất và lớn nhất của chuyển vị, ứng suất. Sau đó so sánh kiểm chứng kết quả với phần mềm ANSYS.
14 Hình 3.10. Phân bố chuyển vị tổng Hình 3.11. Phân bố ứng suất tương khi phân tích bằng chương trình đương khi phân tích bằng chương trình Hình 3.12. Phân bố chuyển vị Hình 3.13. Phân bố ứng suất tương tổng khi phân tích bằng ANSYS đương khi phân tích bằng ANSYS Bảng 3.2. Bảng so sánh kết quả tính toán Tính theo Tính theo Sai lệch TT Đặc tính ANSYS chương trình (%) 1 Chuyển vị lớn nhất 0,01917 0,019 0,88 2 Ứng suất lớn nhất 5,0234 5,0626 0,78 Ta nhận thấy các kết quả tính bằng phần mềm xây dựng phù hợp tốt với các kết quả tính toán nhận được bằng phần mềm ANSYS. Sai số lớn nhất giữa 2 chương trình tính không vượt quá 5%. Như vậy mô hình PTHH và chương trình đã được xây dựng là chính xác và tin cậy. 3.5. Kết luận chƣơng 3 - Trong chương này, đã sử dụng các kết quả nghiên cứu tổng hợp về trạng thái ứng suất - biến dạng, quan hệ biến dạng - chuyển vị trong lý thuyết tấm mỏng, các công thức và phương trình cơ bản trong phương pháp phần tử hữu hạn để nghiên cứu xây dựng thuật toán phương pháp phần tử
15 hữu hạn giải bài toán xác định trường ứng suất - biến dạng của thân và cánh tên lửa. - Chương 3 đã nghiên cứu thiết lập mô hình bài toán đối với thân tên lửa được rời rạc hóa bằng các phần tử tấm phẳng dạng tam giác liên tục chịu tải trọng khí động, đã xây dựng thuật toán đối với phần tử tam giác 3 nút, mỗi nút 6 bậc tự do và mỗi phần tử 18 bậc tự do, đã tiến hành phân tích lựa chọn hàm xấp xỉ chuyển vị, xây dựng các biểu thức biểu diễn các quan hệ chuyển vị, quan hệ biến dạng, quan hệ ứng suất theo chuyển vị và dựa vào phiến hàm thế năng toàn phần tối thiểu đã xác định được ma trận độ cứng phần tử vừa chịu lực màng và uốn đồng thời, từ đó thiết lập được quan hệ ứng suất - chuyển vị để xác định được trạng thái ứng suất tại tâm của phần tử. - Chương 3 cũng đã nghiên cứu xây dựng mô hình và thuật toán phần tử hữu hạn để giải bài toán tính ứng suất - biến dạng của cánh tên lửa khi cánh được rời rạc hóa bằng các phần tử tam giác phẳng liên tục chịu tải trọng khí động. Đã xây dựng thuật toán cánh chịu uốn bằng phần tử tam giác 3 nút, mỗi nút 3 bậc tự do và mỗi phần tử 9 bậc tự do, đã thiết lập được ma trận độ cứng phần tử chịu uốn, từ đó xác định được trường ứng suất tại tâm các phần tử. - Quá trình xây dựng thuật toán, các biểu thức quan hệ và phương trình được trình bày bằng ngôn ngữ ma trận rõ ràng, rất thuận lợi cho việc lập trình máy tính và cho phép giải nhanh bài toán về độ bền kết cấu, phục vụ cho thiết kế sơ bộ thân, cánh TLĐH. - Việc sử dụng thuật toán phương pháp phần tử hữu hạn có ý nghĩa rất quan trọng, làm cơ sở vững chắc cho việc khai thác phần mềm ANSYS để giải các bài toán đặt ra một cách chính xác, tin cậy. Chƣơng 4. 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 4 giải quyết 2 vấn đề: - Giải bài toán xác định trường ứng suất, biến dạng của kết cấu thân cánh tên lửa ứng với một số trường hợp chịu tải nguy hiểm đã chỉ ra ở chương 2. Mục đích nhằm khảo sát độ bền, xác định khu vực chịu tải lớn nhất và đánh giá khả năng làm việc của kết cấu ở trạng thái đó. - Trên cơ sở mô hình toán các trường hợp chịu tải nguy hiểm tiến hành giải bài toán khi tăng một số tham số như vận tốc bay hành trình, góc lệch cánh lái cực đại. Qua đó đánh giá khả năng cải tiến tên lửa để bay với vận
16 tốc hành trình lớn hơn, hoặc tăng độ cơ động của tên lửa bằng việc tăng góc lệch cánh lái tối đa nhằm tránh phòng thủ của đối phương. 4.1 Mô hình toán * Các giả thiết khi tính toán: - Thân vỏ tên lửa gồm các khoang 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. - 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. * 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. 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 . Đặt điều kiện biên cho bề mặt gốc cánh gắn với thân là ngàm cố định. * Xây dựng mô hình 3D và chia lưới Hình 4.3. Mô hình lưới Hình 4.4. Mô hình Hình 4.5. Mô hình lưới cánh thân TLĐH lưới cánh nâng TLĐH lái TLĐH 4.2. Nghiệm bền kết cấu thân cánh tên lửa trong một 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 và biến dạng thân tên lửa khi phóng Kết quả giải bài toán nhận được trường phân bố ứng suất và biến dạng thân tên lửa như sau: Biến dạng cực đại xuất hiện tại vỏ khoang chuyển tiếp K5 gây ra ứng suất bằng 45,3 (MPa) nhỏ hơn 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 β đạt giá trị lớn nhất bằng -6.8° thì quá tải ngang theo phương Oz cũng đạt giá trị lớn nhất. 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. Kết quả nhận được phân bố ứng suất thân tên lửa như sau: 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
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 đối với cánh nâng được xác định là khi tên lửa bay với góc tấn, góc trượt cạnh lớn nhất. a. Khi tên lửa vòng về hướng chiến đấu Hình 4.22. Phân bố ứng suất cánh nâng Kết quả nhận được phân bố ứng suất của cánh nâng như sau: Ứng suất cực đại xuất hiện tại gân ngang đoạn tiếp nối với gân chính và có độ lớn bằng 86,6 (MPa). Giá trị này nhỏ hơn ứng suất tới hạn bền của vật liệu AMg-6. Do đó kết cấu cánh nâng đảm bảo độ bền. b. Khi tên lửa hạ độ cao Hình 4.23. Áp suất phân bố bề Hình 4.24. Phân bố ứng suất mặt chảy bao cánh nâng cánh nâng
19 Hình ảnh phân bố áp suất bề mặt cánh nâng và phân bố ứng suất của cánh nâng như hình 4.23 và hình 4.24. Ứng suất cực đại xuất hiện tại gân cánh nâng có giá trị nhỏ hơn giá trị ứng suất tới hạn bền của vật liệu. Do đó kết cấu cánh nâng đảm bảo độ bền trong điều kiện khảo sát. 4.2.3. Nghiệm bền kết cấu cánh lái Trường hợp chịu tải lớn nhất của cánh lái là khi tên lửa vòng về hướng chiến đấu và khi hạ độ cao. a. Khi tên lửa vòng về hướng chiến đấu Kết quả giải bài toán nhận được trường ứng suất cánh lái tên lửa: Ứng suất cực đại xuất hiện tại trục cánh lái với giá trị bằng 184.5 (MPa). Giá trị này nhỏ hơn ứng suất tới hạn bền của 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 còn lại làm từ vật liệu AMg-6 có độ bền thấp hơn (320 MPa). Ứng suất cực đại của các chi tiết này bằng 153,4 (MPa). Như vậy các chi tiết còn lại đảm bảo độ bền với hệ số dự trữ bền n = 2,1. Hình 4.28. Phân bố ứng suất cánh lái khi vòng về hướng chiến đấu b. Khi tên lửa hạ độ cao Hình 4.29. Phân bố ứng suất cánh lái khi hạ độ cao
20 Kết quả giải bài toán nhận được trường ứng suất cánh lái tên lửa: Ứng suất cực đại xuất hiện tại trục cánh lái với giá trị bằng 234.6 (MPa). Giá trị này nhỏ hơn ứng suất tới hạn bền của 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 còn lại làm từ vật liệu AMg-6 có độ bền thấp hơn (320 MPa). Ứng suất cực đại của các chi tiết này bằng 194,1 (MPa). Như vậy các chi tiết còn lại đảm bảo độ bền với hệ số dự trữ bền n = 1,65. 4.3. Khảo sát ảnh hƣởng của vận tốc bay hành trình đến độ bền kết cấu thân tên lửa Giả thiết các trường hợp chịu tải lớn nhất của thân tên lửa ở giai đoạn bay hành trình là khi tên lửa vòng về hướng chiến đấu và khi tên lửa hạ độ cao ứng với các giá trị góc tấn, góc trượt cạnh và góc lệch các cánh lái tương ứng. Tiến hành khảo sát trạng thái ứng suất của thân tên lửa theo các giá trị khác nhau của vận tốc bay hành trình. Theo kết quả khảo sát chương 2, vận tốc bay hành trình của tên lửa ứng với số Mach M ≈ 0,8. Do TLĐH là tên lửa dưới âm nên mục này khảo sát tên lửa với số các số Mach hành trình M = (0,8; 0,85; 0,9; 0,95); Các tính toán tải trọng và thiết lập bài toán tương tự như mục 4.2.1. Kết quả nhận được bảng giá trị ứng suất cực đại xuất hiện tại thân vỏ tên lửa và đồ thị phụ thuộc của nó theo số Mach. Bảng 4.4. Ứng suất cực đại thân tên lửa theo số Mach Khi tên lửa hạ Khi tên lửa vòng về độ cao hướng chiến đấu σ M max M σ (MPa) (MPa) max 0.786 14.26 0.802 36.45 0.85 17.26 0.85 40.65 0.9 18.46 0.9 41.06 Hình 4.30. Đồ thị phụ thuộc ứng suấtcực đại thân tên lửa theo số Mach 0.95 32.5 0.95 51.2 Nhận thấy khi vận tốc bay hành trình tăng đến giá trị cận âm (M = 0,95) ứng suất cực đại thân tên lửa tăng nhưng vẫn nhỏ hơn giá trị ứng suất tới hạn bền của vật liệu. Độ dự trữ bền của thân tên lửa n > 6. 4.4. Khảo sát ảnh hƣởng của vận tốc bay hành trình đến độ bền kết cấu cánh nâng Giống như thân tên lửa, mục này khảo sát độ bền các cánh nâng khi tăng vận tốc bay hành trình đến giá trị cận âm M = 0,95. Xây dựng bài toán tương tự như mục 4.2.2. Kết quả mô phỏng nhận được bảng ứng suất
21 cực đại cánh nâng và đồ thị phụ thuộc của nó theo số Mach ứng với 2 trường hợp chịu tải lớn nhất tương ứng. Vị trí xuất hiện ứng suất cực đại đều tại đoạn tiếp giáp gân ngang và gân chính. Bảng 4.5. Ứng suất cực đại cánh nâng theo số Mach Khi tên lửa hạ Khi tên lửa vòng về độ cao hướng chiến đấu σ σ M max M max (MPa) (MPa) 0.786 86.66 0.802 91.25 0.85 97.85 0.85 103.01 Hình 4.31. Đồ thị phụ thuộc ứng suất cực đại cánh nâng theo số Mach 0.9 109.72 0.9 115.46 0.95 122.27 0.95 128.62 Nhận thấy khi vận tốc bay hành trình tăng đến giá trị cận âm (M = 0,95) ứng suất cực đại của cánh nâng tăng nhưng vẫn nhỏ hơn giá trị ứng suất tới hạn bền của vật liệu. Độ dự trữ bền của cánh nâng tên lửa n > 2,5. 4.5. Khảo sát ảnh hƣởng của một số tham số đến độ bền kết cấu cánh lái 4.5.1. Ảnh hưởng của vận tốc Bảng 4.6. Ứng suất cực đại cánh lái theo số Mach Khi tên lửa hạ Khi tên lửa vòng về độ cao hướng chiến đấu σ M max M σ (MPa) (MPa) max 0.786 153.4 0.802 194.13 0.85 0.85 Hình 4.32. Đồ thị phụ thuộc ứng suất 173.18 218.47 cực đại cánh lái theo số Mach 0.9 194.16 0.9 245.57 0.95 216.39 0.95 251.26 Đối với kết cấu cánh lái, ta khảo sát độc lập các tham số là vận tốc bay hành trình và góc lệch cánh lái tối đa. Các tham số này đều 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 ở 2 chế độ chịu tải lớn nhất là hạ độ cao và vòng về hướng chiến đấu. Tăng dần số Mach và khảo sát trạng thái ứng suất của kết cấu cánh lái. Kết quả giải bài toán nhận được bảng giá trị ứng suất cực đại và đồ thị phụ thuộc của nó theo số Mach. Vị trí xuất hiện ứng suất cực đại đều tại vị trí tiếp giáp gân ngang và gân chính.
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 và nhỏ hơn giá trị ứng suất tới hạn bền [σB] = 320 (MPa). Tuy nhiên, trong thiết kế luôn sử dụng hệ số an toàn để đảm bảo khả năng làm việc của thiết bị trong các trường hợp không mong muốn. Đối với kết cấu tên lửa, nếu lựa chọn hệ số an toàn là 1,5 thì ứng suất cực đại chỉ được nhỏ hơn giá trị 220 (MPa). Như vậy, cánh lái tên lửa khi lệch góc 20° chỉ có thể sử dụng được ở tốc độ hành trình tối đa ứng với số Mach M = 0,85. 4.5.2. Ảnh hưởng của góc lệch cánh lái Giả thiết tên lửa bay ở vận tốc hành trình M ≈ 0,8 và các trường hợp tính toán là khi hạ độ cao và vòng về hướng chiến đấu. Khảo sát trạng thái ứng suất của cánh lái khi tăng dần giá trị góc lệch đến 300. Kết quả giải bài toán nhận được bảng giá trị ứng suất cực đại và đồ thị phụ thuộc của nó 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 về độ cao hướng chiến đấu δ σ σ cl max δ (độ) max (độ) (MPa) cl (MPa) 20 153.4 20 194.13 25 173.18 25 218.47 Hình 4.33. Đồ thị phụ thuộc ứng suất 30 194.16 30 245.57 cực đại cánh lái theo góc lệch Ứng suất cực đại của cánh lái tăng dần khi tăng góc lệch. Với nhận xét như mục 4.5.1 thì cánh lái có thể đạt góc lệch cực đại đến 30° ở tốc độ bay hành trình ứng với số Mach M ≈ 0,8. 4.6. Kết luận chƣơng 4 Chương 4 đã xây dựng bài toán nghiệm bền kết cấu thân cánh tên lửa ở một số trường hợp chịu tải lớn nhất và khảo sát ảnh hưởng của các tham số vận tốc bay hành trình và góc lệch cánh lái tối đa đến độ bền kết cấu thân, cánh nâng và cánh lái TLĐH. Kết quả khảo sát nhận được phân bố trạng thái ứng suất thân cánh với các trường hợp khác nhau. Trong đó ở các trường hợp chịu tải lớn nhất đã xác định từ chương 2, kết cấu thân cánh đều đảm bảo đủ độ bền. Đồng thời xác định được giá trị ứng suất nguy hiểm tập trung và vị trí xuất hiện của nó. Từ đó có thể đề xuất giải pháp thay đổi thiết kế về kết cấu và vật liệu thay thế nhằm tăng khả năng làm việc của thân cánh. - Đối với kết cấu thân tên lửa:
23 + Kết cấu thân tên lửa đảm bảo đủ độ bền trong các trường hợp tính toán. + Khi phóng tên lửa chịu quá tải dọc trục nx rất lớn. Ứng suất cực đại khi phóng tập trung tại đoạn eo co thắt của vỏ khoang chuyển tiếp K5. Do đó, khi có nhu cầu cải tiến động cơ phóng có lực đẩy lớn hơn cần tăng khả năng chịu tải của kết cấu bằng cách tăng độ dày vỏ, dùng gân tăng cứng hoặc thay thế bằng vật liệu có khả năng chịu tải cao hơn. + Khi tăng dần vận tốc bay hành trình đến giá trị cận âm ứng với M = 0,95 kết cấu thân tên lửa vẫn đảm bảo đủ độ bền. - Đối với kết cấu cánh nâng: + Trong các 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 vẫn đảm bảo đủ độ bền. - Đối với kết cấu cánh lái: + Trong các trường hợp khảo sát kết cấu cánh lái đảm bảo đủ độ bền. + Ứng với giá trị góc lệch tối đa bằng 20° từ các kết quả khảo sát nhận thấy cánh lái chỉ có thể làm việc được ở vận tốc hành trình ứng với số Mach < 0,85. + Ở vận tốc ứng với M ≈ 0,8 thì cánh lái có thể đạt góc lệch tối đa đến 30°. Như vậy, kết cấu tên lửa hiện tại đảm bảo đủ độ bền khi cải tiến theo 2 hướng nhằm tăng độ cơ động tránh phòng thủ đối phương: - Có thể tăng tốc độ bay hành trình đến 0,85. - Có thể tăng góc lệch cực đại của cánh lái đến 30°. KẾT LUẬN Những kết quả chính đã đạt đƣợc: 1. Nghiên cứu phân tích cấu tạo, điều kiện làm việc và các thông số động học, động lực học ảnh hưởng đến độ bền kết cấu thân, cánh TLĐH. 2. Xây dựng chương trình giải hệ phương trình vi phân chuyển động của tên lửa ứng với các kịch bản bắn khác nhau, các kết quả mô phỏng là phù hợp với thực tế, cho thấy độ tin cậy của chương trình đã được xây dựng. Từ kết quả mô phỏng các tham số quỹ đạo tên lửa, đã đề xuất một số trạng thái chịu tải lớn nhất của kết cấu thân và cánh TLĐH: 3. Nghiên cứu phân tích và thiết lập mô hình bài toán kết cấu thân tên lửa và bài toán tính kết cấu cánh tên lửa. Bằng phương pháp rời rạc hóa kết cấu, thân và cánh tên lửa được coi như vỏ mỏng và được xấp xỉ bề mặt cong bằng các phần tử tấm phẳng dạng tam giác và đã thiết lập nên phương pháp phần tử hữu hạn để giải bài toán. Luận án đã nghiên cứu xây dựng
24 thuật toán phương pháp phần tử hữu hạn sử dụng phần tử tam giác 18 bậc tự do cho bài toán thân tên lửa và 9 bậc tự do cho bài toán cánh tên lửa, bao gồm tính toán lựa chọn hàm xấp xỉ, xây dựng các biểu thức biểu diễn biến dạng, ứng suất và dựa vào phiến hàm thế năng toàn phần tối thiểu đã xác định được ma trận độ cứng phần tử, từ đó xây dựng và giải hệ phương trình đại số tuyến tính tính được trường chuyển vị và cuối cùng xác định được trường ứng suất - biến dạng của thân, cánh tên lửa. 4. Đã xây dựng bài toán nghiệm bền kết cấu thân cánh tên lửa ở một số trường hợp chịu tải lớn nhất. Khảo sát ảnh hưởng của các tham số vận tốc bay hành trình và góc lệch cánh lái tối đa đến độ bền kết cấu thân, cánh nâng và cánh lái TLĐH. Kết quả khảo sát nhận được phân bố trạng thái ứng suất thân cánh với các trường hợp khác nhau. 5. Kết quả tính toán của luận án có giá trị và ý nghĩa phục vụ cho việc tính toán kết cấu thân và cánh tên lửa trong quá trình tính toán thiết kế, chế tạo, thử nghiệm tên lửa của nước ta. Những đóng góp mới của luận án: 1. Xác định được các trạng thái chịu tải nguy hiểm trên cơ sở xây dựng và giải bài toán động lực học bay của đối tượng nghiên cứu. 2. Xây dựng và giải bài toán tính toán độ bền kết cấu thân, cánh TLĐH trên cơ sở phương pháp phần tử hữu hạn sử dụng lưới phần tử tam giác. 3. Khảo sát đánh giá ảnh hưởng của vận tốc bay hành trình, góc lệch cánh lái tới độ bền kết cấu thân, cánh của một dạng TLĐH nghiên cứu trên cơ sở sử dụng phần mềm ANSYS. Những vấn đề cần quan tâm nghiên cứu tiếp: Mở rộng nghiên cứu tính toán độ bền có xét đến ảnh hưởng của nhiệt độ sinh ra do ma sát trong quá trình bay của tên lửa.
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ CT1. Nguyễn Thanh Bình, Phan Tương Lai, Lê Tuấn Anh, “Về một phương pháp nghiên cứu thuật toán nhận dạng các đặc trưng hệ số khí động của các thiết bị bay dựa trên các giá trị về độ quá tải và các tốc độ góc”, Tạp chí Nghiên cứu khoa học và công nghệ quân sự, số 37, tr. 16-23, Hà Nội, 6-2015. CT2. Nguyễn Thanh Bình, Nguyễn Minh Tuấn, Phan Tương Lai, “Về một phương pháp xây dựng mô hình thuật toán phương pháp phần tử hữu hạn tính toán ứng suất - biến dạng thân vỏ TLĐH”, Tạp chí Nghiên cứu khoa học và công nghệ quân sự, số 40, tr. 26-34, Hà Nội, 12-2015. CT3. Nguyễn Thanh Bình, Nguyễn Minh Tuấn, Phan Tương Lai, “Mô phỏng ảnh hưởng của 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.