Nghiên cứu ảnh hưởng của tải trọng xung, nhiệt đến độ bền của ống phóng composite cốt sợi sử dụng trong các tổ hợp phóng loạt

Nghiên cứu ảnh hưởng của tải trọng xung, nhiệt đến độ bền của ống phóng composite cốt sợi sử dụng trong các tổ hợp phóng loạt

THÔNG TIN TÓM TẮT VỀ NHỮNG KẾT LUẬN MỚI

CỦA LUẬN ÁN TIẾN SĨ

Tên đề tài: “Nghiên cứu ảnh hưởng của tải trọng xung, nhiệt đến độ bền của

ống phóng composite cốt sợi sử dụng trong các tổ hợp phóng loạt”

Chuyên ngành: Cơ học kỹ thuật

Mã số: 62 52 02 01

Nghiên cứu sinh: Nguyễn Chiến Hạm

Người hướng dẫn:

1 GS-TS Nguyễn Xuân Anh- Học viện Kỹ thuật Quân sự

2 PGS-TS Nguyễn Lạc Hồng- Học viện Kỹ thuật Quân sự

Cơ sở đào tạo: Học viện Kỹ thuật Quân sự

Những kết luận mới của luận án:

1 Luận án đã vận dụng cơ sở lý thuyết, cụ thể hóa bài toán dẫn nhiệt và nhiệt đàn hồi tổng quát thông qua việc thiết lập mô hình toán học cho kết cấu đặc thù dạng ống trụ bằng vật liệu không thuần nhất, dị hướng và chịu tải xung, nhiệt đồng thời, đối xứng trục Mô hình toán học bài toán nhiệt đàn hồi trình bày trong luận án có tính đến tải xung, nhiệt đồng thời cho phép ứng dụng để tính toán lý thuyết Kết quả tính toán được kiểm chứng bằng thực nghiệm Sai số giữa kết quả tính toán lý thuyết và kết quả thực nghiệm < 8%

2 Kết quả khảo sát độ bền cho thấy: So với khi chỉ xét tải trọng là áp suất khí thuốc, độ bền của kết cấu ống phóng bằng vật liệu composite chịu tải xung, nhiệt đồng thời giảm khoảng 36,5% Trị số Hhill-tsai giữa các lớp thay đổi đột ngột làm cho dạng phá hủy của thành ống phóng không chỉ có xu hướng dãn nở nhựa và sợi mà có thể bị tách lớp

3 Tỷ lệ thể tích ψ=0,6 tải nhiệt tới hạn đạt giá trị lớn nhất (202 oC) Kết quả này cho phép áp dụng để xác định chế độ chịu tải hợp lý nhằm đảm bảo bền cho thành ống phóng Tỷ lệ thể tích giữa vật liệu cốt và vật liệu composite hợp lý nằm trong khoảng 0,4≤ψ≤ 0,7

4 Quan hệ phụ thuộc của chỉ số độ bền vào phương đặt cốt và trật tự xếp lớp là căn cứ để xác định phương án thiết kế kết cấu thành ống phóng:

- Góc đặt cốt và trật tự xếp lớp theo các phương án XL.2 và XL.3 tương ứng với [30/-30/30/-30] và [15/-15/15/-15] có chỉ số Hhill-tsai>1 và phân bố không đồng đều tại tất cả các lớp Trong thiết kế không nên chọn các phương án này

- Các phương án XL.1, XL.4, XL.5 hoàn toàn thỏa mãn điều kiện bền nên chúng cũng được khuyến khích lựa chọn khi thiết kế kết cấu thành ống phóng composite Phương án XL.5 ([45/-45/45/-45] có chỉ số độ bền nhỏ nhất, trong thiết kế được ưu tiên sử dụng

Hà Nội, ngày 21 tháng 10 năm 2007

T.M Tập thể hướng dẫn

GS-TS Nguyễn Xuân Anh

Nghiên cứu sinh

Nguyễn Chiến Hạm

MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài: Tổ hợp phóng loạt cơ động, gọn nhẹ là

một trong những trang bị vũ khí đã và đang được nghiên cứu hoàn thiện theo định hướng phát triển và hiện đại hoá trang bị vũ khí cá nhân và đặc chủng Để loại vũ khí này đạt được các yêu cầu chiến, kỹ thuật đề ra thì việc lựa chọn vật liệu composite chế tạo ống phóng là một trong các hướng được quan tâm nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu lý thuyết về composite theo hướng nghiên cứu cơ học các phần tử kết cấu làm bằng vật liệu composite hiện nay đang trong giai đoạn tiếp tục phát triển và cụ thể hóa Trong tình hình đó và với mục tiêu giảm trọng lượng cho các tổ hợp phóng loạt, ý tưởng sử dụng vật liệu composite để thay thế hoặc thiết kế, chế tạo mới các ống phóng trong các tổ hợp phóng loạt là một yêu cầu thực tế Do vật liệu composite có cấu trúc không đồng nhất và dị hướng, ống phóng làm việc trong điều kiện chịu tải xung, nhiệt phức tạp nên việc xác định ứng xử cơ học của vật liệu, khả năng chịu tải và độ bền của kết cấu trở thành vấn đề cần được triển khai nghiên cứu cơ bản và bổ

sung hoàn thiện Đây là cơ sở để hình thành đề tài luận án: “Nghiên cứu

ảnh hưởng của tải trọng xung, nhiệt đến độ bền của ống phóng composite cốt sợi sử dụng trong các tổ hợp phóng loạt”

Mục tiêu của đề tài: Nhằm nghiên cứu cơ sở khoa học đánh giá

ảnh hưởng của tải trọng xung, nhiệt đến độ bền; xác định khả năng chịu tải, đề xuất giải pháp kỹ thuật phục vụ cho thiết kế ống phóng composite

Đối tượng nghiên cứu: Là các ống phóng bằng vật liệu composite cốt

sợi trong các tổ hợp phóng loạt làm việc theo nguyên lý vũ khí khí động

Phạm vi nghiên cứu: Luận án giới hạn phạm vi nghiên cứu ảnh

hưởng của yếu tố tải trọng xung, nhiệt đến độ bền thành ống phóng khi bắn

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:

nhiệt đàn hồi tuyến tính ứng dụng cho kết cấu cụ thể dạng ống trụ bằng vật

liệu không thuần nhất, dị hướng và chịu tải xung, nhiệt đồng thời

1

- Việc đưa tải xung, nhiệt đồng thời vào xây dựng mô hình toán học bài toán nhiệt đàn hồi kết cấu thành ống phóng composite sẽ đảm bảo tính sát thực và hợp lý của mô hình lý thuyết

- Cung cấp cơ sở khoa học phục vụ công tác thiết kế theo hướng ứng dụng vật liệu mới cho hệ thống vũ khí cá nhân và đặc chủng Đây là hướng nghiên cứu thực tế, phù hợp với chương trình cải tiến, hiện đại hóa trang bị vũ khí của Quân đội hiện nay

Luận án bao gồm phần mở đầu, năm chương thuyết minh, phần kết luận, các công trình công bố của tác giả, tài liệu tham khảo và phụ lục

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ ỐNG PHÓNG TRONG TỔ HỢP PHÓNG LOẠT

VÀ BÀI TOÁN NHIỆT ĐÀN HỒI THÀNH ỐNG PHÓNG

CHỊU TẢI XUNG, NHIỆT

1.1 Tổng quan về ống phóng trong các tổ hợp phóng loạt làm việc theo nguyên lý vũ khí khí động

1

Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý vũ khí khí động: 1- Mồi lửa điện; 2- Buồng cao áp; 3-

Lỗ phụt; 4- Buồng thấp áp; 5- Đạn; 6- Ống phóng

chính: Thứ nhất: Phân tích nguyên lý hoạt động của các tổ hợp phóng loạt thiết kế dựa trên nguyên lý vũ khí khí động (hình 1.1) Thứ hai: Phân tích

hướng nghiên cứu thay thế các ống phóng kim loại truyền thống bằng ống phóng composite nhằm giảm trọng lượng toàn tổ hợp, tăng khả năng cơ động và điều khiển hỏa lực, đáp ứng tốt hơn các yêu cầu chiến, kỹ thuật đề

ra khi thiết kế và có lợi hơn trong bảo quản, sử dụng

Luận án đã triển khai giải bài toán nhiệt thuật phóng của vũ khí khí động Theo đó, hệ phương trình vi phân mô tả quá trình nhiệt động xảy ra trong buồng cao áp và thấp áp của hệ vũ khí khí động có dạng:

−

ηω

=

=τ

ϕ

=τ

ϕ

=τ

=τ

−

−

=

)g.1(S.l

.η.αw

f.Tp

)1.1(ηψ.ωαψ1δ

ωw

)-.(

.f.Tp

(1.1e)v

d

dl

)d.1(.m

S.pd

dv

)c1.1(f.τ

ω

.p.S.Kd

dη

)b.1(p

.I

χ.σd

dψ

)a1.1(.ψ

1χ4

χχ.σ

k t ot

k t t

k c t c oc

k c c c

đ đ

đ

t đ

c

c th 0 2 k

c k

t c

c

2 t

−

=τ

−+τ

−

=τ

)b.1(η

d

dv.v

v2

d

dψ.Tk.Td

dT

)a5.1(η

ψ

d

dη Tk1d

dψ.T1d

dT

k

đ 2 gh

đ c

t c t

k c

k c

c c c

Thoi gian [Giay]

buong cao ap va thap ap

0 0.005 0.01 0.015 400

600 800 1000 1200

1400 buong cao ap va thap ap

Thoi gian [giay]

Hình 1.2: Đồ thị áp suất và nhiệt độ khí thuốc trong buồng cao áp và thấp áp

Xung áp và nhiệt độ của khí thuốc ở đây chính là hai thành phần tải trọng tác dụng trực tiếp lên thành ống phóng khi bắn Giá trị của chúng là

cơ sở tiền đề để triển khai các nội dung tiếp theo của luận án

Tiếp theo, luận án đã phân tích hai bài toán liên quan trong mục

(1.2.2) và (1.2.3) từ đó rút ra một số nhận định: Thứ nhất: Bài toán bền

đàn hồi thành nòng súng pháo đã từng được giải quyết trong điều kiện vật liệu làm nòng là vật liệu đồng nhất và đẳng hướng Khi tính đến hiệu ứng nhiệt có thể chấp nhận giả thiết gradient của ứng suất nhiệt trùng với gradient ứng suất do tải xung áp của khí thuốc khi xác định trường ứng

suất tổng Thứ hai: Phương án thay vật liệu nòng làm xuất hiện vấn đề về

ứng xử cơ học của vật liệu thay thế nên phương án này bao giờ cũng đi liền với việc thiết lập lại bài toán bền đàn hồi trong điều kiện mới

nghiên cứu về cơ học vật liệu composite có liên quan của các tác giả nước

ngoài và trong nước như: Daugherty trong [45] đã chỉ ra trong vật liệu

compsite mà ở đó hệ số dãn nở nhiệt theo hướng chiều dày của vật liệu lớn hơn so với hướng đặt cốt nên cần thiết phải xét đến vấn đề dãn nở nhiệt trong

thành vỏ mỏng Trong [72], Schipper đã triển khai thiết lập phương trình cơ

bản cho vỏ dầy vật liệu trực hướng có xét đồng thời tải trọng và nhiệt độ

nhưng không đưa ra phương pháp giải cụ thể Zukas trong [74] chỉ rõ tầm

quan trọng của hai nhân tố biến dạng, hiệu ứng nhiệt và sự cần thiết phải đưa chúng vào để xem xét khi tính toán vỏ composite vv… Qua đây nhận thấy: Các công trình nghiên cứu về cơ học vật liệu composite tập trung vào ba

cấu trúc hợp thành không thuần nhất và dị hướng Hướng thứ hai: Nghiên cứu thực nghiệm về công nghệ chế tạo vật liệu và các kết cấu composite Hướng

thứ ba: Nghiên cứu cơ học các phần tử kết cấu bằng vật liệu composite Luận án đặt vấn đề tiếp cận cơ sở lý thuyết cơ học vật liệu composite theo hướng thứ ba, ứng dụng cho một dạng kết cấu cụ thể dạng ống trụ bằng

vật liệu không thuần nhất, dị hướng và chịu tải xung, nhiệt đồng thời

ướng 1.3 Phương h nghiên cứu ảnh hưởng của tải trọng xung, nhiệt đến độ bền của ống phóng composite

Từ kết quả phân tích những vấn đề liên quan trong mục (1.2) áp dụng cho dạng kết cấu được giới thiệu tổng quan trong (1.1) luận án đã đưa

ra một số nhận định ban đầu: Xuất phát điểm của bài toán nhiệt đàn hồi nói chung được xác định từ việc nghiên cứu quá trình biến dạng nhiệt đàn hồi của kết cấu khi chịu tác dụng đồng thời của tải trọng ngoài và sự phân bố nhiệt không đều Có thể giải quyết vấn đề phức tạp về mặt toán học bằng giải pháp đưa bài toán nhiệt đàn hồi tổng quát về bài toán nhiệt đàn hồi tựa

tĩnh học khi không tính tới các số hạng liên quan đến cơ học trong phương

trình dẫn nhiệt và số hạng quán tính trong các phương trình cân bằng Trên cơ sở đó, luận án xác định phương hướng và các nội dung nghiên cứu chính đó là: Giải quyết bài toán xác định trường nhiệt thành ống phóng làm tiền đề cho việc đặt và giải bài toán nhiệt đàn hồi trong môi trường vật liệu không thuần nhất và dị hướng, từ đó có cơ sở để xác định quy luật ảnh hưởng của tải trọng xung, nhiệt đến độ bền ống phóng.

Kết luận chương 1:

nhất của áp suất khí thuốc trong buồng cao áp pcmax (pcmax=4,862x107 Pa) lớn hơn 3,536 so với giá trị lớn nhất của áp suất khí thuốc trong buồng thấp áp ptmax.Đây là ưu điểm nổi bật của kết cấu ống phóng làm việc theo nguyên lý vũ khí khí động vì theo đó đã làm giảm đáng kể tải trọng áp suất tác dụng lên thành ống phóng Về mặt năng lượng, áp suất khí thuốc trong buồng thấp áp pt có dạng xung áp

5

2 Nhiệt độ khí thuốc trong buồng thấp áp đạt giá trị lớn nhất tại vị trí 0,035 m theo quãng đường chuyển động của đạn Đây là thành phần tải trọng tác dụng trực tiếp có khả năng ảnh hưởng lớn đến độ bền của thành ống phóng

phép xác định phương hướng cụ thể hóa một bước các cơ sở lý thuyết đàn hồi, nhiệt đàn hồi ứng dụng cho một kết cấu không thuần nhất, dị hướng và chịu tải xung, nhiệt đồng thời

Chương 2 TR¦êNG NHIÖT THμNH èNG PHãNG COMPOSITE CèT SîI TRONG C¸C Tæ HîP PHãNG LO¹T

2.1 Mô hình vật lý ống phóng chịu tải nhiệt khi bắn

composite chịu tải nhiệt khi bắn và nêu ra một số đặc điểm của mô hình: Kết cấu thành ống phóng được cấu tạo bởi nhiều lớp vật liệu composite không đồng nhất và dị hướng Nhiệt độ khí thuốc trong lòng ống phóng biến thiên theo thời gian, thành ống phóng làm việc ở chế độ phụ tải thay đổi Mặt trong thành ống phóng có sự trao đổi nhiệt với khí thuốc, mặt

ngoài cùng có sự tỏa nhiệt với không khí bao quanh (hình 2.1)

2.2 Quá trình dẫn nhiệt qua thành ống phóng composite, phương trình vi phân dẫn nhiệt

2.2.1 Quá trình dẫn nhiệt qua

thành ống phóng composite: Luận án

đã phân tích bản chất của sự làm nóng

thành ống phóng được quy ước bởi

tác dụng nhiệt của khí thuốc có nhiệt

độ cao trong thời gian chuyển động

của đạn trong lòng ống phóng Do

tính dị hướng của vật liệu, môi trường

dẫn nhiệt qua thành ống được đặc

trưng bởi hệ số dẫn nhiệt được phân

bố theo các phương khác nhau phụ

thuộc vào phương của sợi hay phương chính của lớp vật liệu Trường

nhiệt trong thành ống phóng là trường nhiệt không dừng, hai chiều ox và

oz (hình 2.2)

Hình 2.2: Mô hình quá trình dẫn nhiệt qua thành ống phóng

αkk

Tkk

αkh Tkh

vào hướng dẫn nhiệt và là một tenxơ bậc

hai Khi đó véc tơ mật độ dòng nhiệt

gradient nhiệt gradT không cùng nằm trên

một đường thẳng và nếu đặt hệ tọa độ (ξ,

η) trùng với trục chính của hệ số dẫn nhiệt

(hình 2.5) thì mật độ dòng nhiệt dẫn qua

lớp composite là do hai phân lượng mật độ

dòng nhiệt qξ và qη hợp thành Phân lượng

mật độ dòng nhiệt theo phương ox và

phương oz sẽ là:

7

−

∂

∂βλ

+βλ

−

=

∂

∂ββλ

−λ

−

∂

∂βλ+βλ

−

=

η ξ η

ξ

η ξ η

ξ

x

Tsincosz

T.cos.sin

.q

z

Tsincosx

T.sin.cos

.q

2 2

z

2 2

x

(2.7)

Phương trình vi phân dẫn nhiệt hai chiều qua thành ống phóng:

zx

T.2sin)

(

z

T)

cos.sin

.(x

T)

sin.cos

.(

2

2 2 2

∂

∂

∂βλ

+βλ+

∂

∂βλ+βλ

η ξ

+βλ

λ

βλ

+βλ

λ

η ξ

η ξ

cos.sin

=

sin.cos

=

2 2

z

2 2

− β

λ

− λ +

∂

∂ λ +

∂

∂ λ ρ

2 2 sin 2 sin 2 cos

z x 2

z T 2 z 2 x T 2 x c

∂

∂λρ

=τ

∂

∂

2

2 z 2

2 x

z

Tx

Tc

1T

(2.10)

Phương trình vi phân dẫn nhiệt qua thành ống phóng của lớp thứ k

có c=ck, ρ=ρk và với x=xk, z=zk được viết lại như sau:

∂

τ

∂λρ

=τ

∂

τ

∂

2 k

k k k 2 z 2

k

k k k 2 x k k

),z,x(Tc

1)

2.2.3 Điều kiện đơn trị:

2.2.3.2 Các điều kiện biên:

- Điều kiện biên loại 3 tại mặt trong thành ống phóng:

) T T ( n

z

T n x

T n

T

t kh kh z x

kh w

∂

∂ λ

kk n

z

T n x

T n

T

− α

∂

∂ λ

1 k

k k

w z z

x x

w z z x

z

T n

x

T n

z

T n

x

T

+ +

∂

∂ λ

∂

∂

2.3 Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu composite:

Hệ số dẫn nhiệt của vật liệu composite được xác định thông qua

hệ số dẫn nhiệt của các vật liệu thành phần và tỷ lệ thể tích giữa chúng:

=λ

−λ+λ

=λ

η

ξ

n n c c

c n c c

VV1

)V1(V

8 , 0 kh 2

, 0 kh

8 , 0 kh 8

, 0 kh kh

kh kh

d

V.p.Ad

V.p)f

(021,0)x

Tính giá trị trung bình bằng phương pháp Simson tổng quát:

τ

)x(

1V

) x (

0

t cd

cđ , x kh t

cđ

τ), pt(τ), pt(x), T

Tính các giá trị:

) (

x ).

( v ) ( u

đ đ

τ

=

) x (

0

kh cđ

kh

đd.T)x(

1T

9

2.5 Sự tỏa nhiệt trên bề mặt ngoài của ống phóng, hệ số tỏa nhiệt

Hệ số tỏa nhiệt đối lưu αkk ở mặt ngoài của ống phóng:

25 , 0

kk n 2

kk

3 n kk n

kk

d.46,

=

2.6 Phương pháp giải bài toán dẫn nhiệt qua thành ống phóng

thay thế bằng một số hữu hạn các phần tử rời rạc Các đặc trưng cơ bản của mỗi phần tử được mô tả dưới dạng ma trận độ cứng nhiệt Nội dung thuật toán được trình bày dưới dạng 3 lưu đồ dưới đây:

Bước 1: Xây dựng cấu trúc ma trận độ cứng nhiệt [K], { } θ

Xây dựng mảng lưu địa chỉ các phần tử trên đường chéo chính NDS [Neq]; tính tổng số phần tử của ma trận độ cứng tổng quát cần lưu SKT [Nsky]

Hình 2.7: Lưu đồ thuật toán xây dựng cấu trúc ma trận độ cứng nhiệt

Hình 2.8: Lưu đồ thuật toán xây dựng tính chất phần tử

Bước 3: Tính nhiệt độ tại nút

Hình 2.9: Lưu đồ thuật toán tính nhiệt độ tại các nút

2.7 Tính toán ứng dụng trường nhiệt thành ống phóng

11

Kết quả tính toán nhận được trường nhiệt thành ống phóng tại các tiết diện dọc trục ống phóng và biến thiên theo thời gian τ (hình 2.15) Các kết quả chi tiết được trình bày trong phần (2.7) của luận án

Chieu day thanh ong phong (mm)

Bien thien truong nhiet theo chieu day

tai cac tiet dien d c truc ong phong

z=0,035 (m) z=0,000 (m) z=0,150 (m) z=0,300 (m) z=0,450 (m) z=0,600 (m) z=0,750 (m)

20 45 70 95 120 145 170 195 210

Hình 2.15: Đồ thị trường nhiệt thành ống phóng biến thiên theo chiều dầy thành

tại các tiết diện dọc trục và theo thời gian tác dụng của khí thuốc 0,02 giây

Kết luận chương 2:

1 Các lớp thành ống phóng là lớp vật liệu dị hướng, hệ số dẫn nhiệt phụ thuộc một cách rõ rệt vào hướng dẫn nhiệt và là một tenxơ bậc hai Phương trình vi phân dẫn nhiệt đối với vật liệu dị hướng xuất hiện các hệ số dẫn nhiệt theo phương ox (λx) và theo phương oz (λz)

2 Quy luật biến thiên nhiệt độ trên thành ống phóng phụ thuộc

vào ba yếu tố, đó là: hệ số tỏa nhiệt trung bình giữa khí thuốc với bề mặt trong thành ống α , thời gian tác dụng nhiệt của khí thuốc lên thành khống τ, nhiệt độ trung bình khí thuốc T và hệ số dẫn nhiệt của vật liệu khthành ống λx và λz

3 Trong thời gian tác dụng, nhiệt độ khí thuốc giảm dần theo chiều dọc trục Điều này làm cho nhiệt độ mặt trong thành ống phóng tại các tiết diện khác nhau có sự phân bố không đều theo phương hướng kính Kết quả này là phù hợp vì tại những vị trí này, khi dòng khí có nhiệt độ cao (>201 oC) và hệ số tỏa nhiệt lớn thì nhiệt độ thành ống tại

đó thay đổi với tốc độ lớn hơn