Khảo sát ảnh hưởng của một số thông số cơ bản tới sự ổn định của đại liên khi bắn

Khảo sát ảnh hưởng của một số thông số cơ bản tới sự ổn định của đại liên khi bắn

Bộ giáo dục và đào tạo bộ quốc phòng

Học viện kỹ thuật quân sự

Trương Tư Hiếu

khảo sát ảnh hưởng của một số thông số cơ bản tới sự ổn

định của đại liên khi bắn

Chuyên ngành: Cơ học kỹ thuật

Mã số : 62.52.02.01

Tóm tắt luận án tiến sĩ kỹ thuật

Hà Nội – 2009

Đại học Bách khoa Hà nội

Phản biện 2: GS.TSKH Nguyễn Đông Anh

Viện Cơ học Việt nam

Phản biện 3: PGS TS Nguyễn Ngọc Chương

Tổng cục Công nghiệp Quốc phòng

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án cấp Nhà nước họp tại: Vào hồi giờ ngày tháng năm 2009

Có thể tìm hiểu luận án tại:

- Thư viện Quốc gia

- Thư viện Học viện Kỹ thuật Quân sự

danh mục công trình của tác giả

1 Trương Tư Hiếu (2003), “ Các giải pháp nâng cao tính ổn định của súng đại liên khi bắn”, Tạp chí Kỹ thuật

và Trang bị, số 33 tháng 6 năm 2003 tr 35-36 và 64

2 Đặng Đức Thắng, Trương Tư Hiếu (2003), “ Về bài toán chọn các thông số tối ưu cho giảm giật súng tự động

”, Tạp chí Khoa học và kỹ thuật, số 104 (III-2003) tr 103-110

3 Trương Tư Hiếu (2007), “ứng dụng phần mềm SAP2000 khảo sát sự ổn định của đại liên khi bắn”, Tuyển tập

công trình Hội nghị Khoa học các nhà nghiên cứu trẻ, Nhà xuất bản Quân đội nhân dân, tr 195-208

4 Trương Tư Hiếu (2007), “Khảo sát ổn định của đại liên khi bắn theo cơ học hệ vật rắn”, Tạp chí Khoa học và

kỹ thuật, số 121 (IV-2007) tr 43-51

5 Trương Tư Hiếu, Uông Sỹ Quyền (2008), “Sử dụng phương pháp thực nghiệm để xác định các thông số động

lực học của vũ khí tự động khi bắn”, Tạp chí Khoa học và kỹ thuật, số 123 (II-2008) tr 118-123

Mở đầu Tính cấp thiết của đề tài: Chương trình phát triển vũ khí, trang bị

nói chung và chương trình phát triển vũ khí bộ binh nói riêng đã được xác định là một trong những hướng ưu tiên của nền công nghiệp quốc phòng nước ta hiện nay nhằm bảo đảm tự chủ về nguồn cung cấp Hiện nay, cơ bản chúng ta đã làm chủ được quá trình thiết kế và sản xuất các loại súng cỡ nhỏ theo mẫu nhưng để thực sự làm chủ được cả quá trình và có thể tự thiết kế ra những loại trang bị phù hợp với cách

đánh và con người Việt nam thì đòi hỏi phải có những nghiên cứu sâu hơn về bản chất các hiện tượng xảy ra khi bắn và các mô hình tính toán cần phù hợp với thực tế hơn nữa để giúp định hướng cho quá trình thiết

kế và giảm chi phí thử nghiệm Trong thiết kế vũ khí tự động cỡ nhỏ, một bài toán rất quan trọng là đánh giá độ ổn định của hệ khi bắn vì

độ ổn định là một trong những yếu tố quyết định đến hiệu quả bắn tức

là khả năng tiêu diệt mục tiêu Xuất phát từ những đòi hỏi trên, đề tài:

“Khảo sát ảnh hưởng của một số thông số cơ bản tới sự ổn định của đại liên khi bắn” nhằm thiết lập một mô hình tổng quát bài toán

dao động của hệ súng-giá-xạ thủ trong không gian phục vụ cho việc khảo sát, đánh giá và làm cơ sở nâng cao hiệu quả quá trình khai thác, cải tiến và thiết kế loại trang bị này

Mục đích nghiên cứu: Nghiên cứu cơ sở khoa học lựa chọn các

thông số của súng-giá bảo đảm giải quyết mối quan hệ giữa độ chính xác bắn và khả năng cơ động phục vụ cho thiết kế, cải tiến và lựa

chọn chế độ khai thác hợp lý

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: Lấy đối tượng là súng đại liên

bắn trên giá 3 chân hoặc giá có bánh xe Mô hình tính toán là dao

động của hệ trong không gian có kể tới mối liên kết của súng-giá với xạ thủ và nền đặt bắn áp dụng tính toán cho 2 mẫu điển hình là đại

liên CGM và PKMS

Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực

nghiệm đo đạc thông số đầu vào và kiểm chứng mô hình

ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài: Bổ sung và hoàn

chỉnh cho bài toán khảo sát, đánh giá chất lượng khi thiết kế súng tự

động cỡ nhỏ, góp phần định hướng và giúp giảm chi phí khi thiết kế mới Xây dựng cơ sở khoa học lựa chọn mô hình tính ổn định tĩnh và

động của súng có giá

Nội dung nghiên cứu: Luận án gồm phần mở đầu và bốn chương

thuyết minh cùng với danh mục các bài báo đã công bố, kết luận và phần phụ lục các kết quả thực nghiệm Có 70 hình, 25 bảng, sử dụng 52 tài liệu tham khảo

Chương 1 Tổng quan 1.1 ổn định của đại liên khi bắn

Qua phân tích đặc điểm của hai thế hệ ta thấy đại liên của thế hệ 1

có kết cấu cồng kềnh, trọng lượng lớn, khả năng cơ động kém và đặc tính ổn định không cao trên các nền đặt bắn phức tạp Với các loại đại liên thế hệ 2 đã khắc phục cơ bản các nhược điểm đó và hiện nay là mẫu trang bị phổ biến trên thế giới

1.1.2 Lý thuyết ổn định của đại liên khi bắn

Độ ổn định của súng đại liên khi bắn [1], [4], [5] không quyết

định hoàn toàn nhưng ảnh hưởng lớn đến độ chính xác bắn Khi tính

toán hoặc nghiên cứu độ ổn định của súng có giá thường chia ra ổn

định tĩnh và ổn định động Khi nghiên cứu ổn định tĩnh thường bỏ qua

độ đàn hồi của giá và nền đất, súng được coi là ổn định khi giá không

bị nẩy, nghĩa là điểm tựa của giá không bị tách khỏi nền đất Còn khi nghiên cứu ổn định động thì súng được coi là ổn định khi vị trí đường trục nòng của nó không thay đổi ở thời điểm bắn từng phát trong loạt Qua khảo sát sơ bộ cho thấy việc lựa chọn được các sơ đồ nguyên lý

và mô hình tính toán phù hợp sẽ có vai trò rất lớn trong quá trình thiết

kế nhằm tạo ra những mẫu đại liên có khả năng thích ứng ngày càng cao trong chiến tranh hiện đại

1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

1.2.1 Ngoài nước

Trên thế giới có rất nhiều nhà khoa học đã quan tâm giải quyết bài toán này Tuy nhiên, đây là các công trình nghiên cứu thuộc lĩnh vực quân sự nên không phải tất cả đều được công bố Qua các tài liệu có

được thì có thể thấy một số mô hình tiêu biểu sau:

Mô hình của BV.Orlop và VV.Anpherop [42],[48]: việc các tác

giả chia máy tự động thành: Khâu cơ sở và khâu làm việc đã đưa bài

toán phức tạp nhiều khâu thành bài toán chuyển động của một khâu thay thế Tính toán va chạm của các khâu trong máy tự động theo va

chạm thẳng, va chạm nghiêng, va chạm nhiều khâu có sử dụng hệ số hồi phục để đơn giản quá trình tính toán Mô hình chuyển động của

hệ súng-giá khi bắn chỉ kể tới chuyển động tịnh tiến dọc trục nòng của các cơ cấu máy tự động khi bắn trên giá đàn hồi

Mô hình của EA.Gorop [45],[46]: tác giả cho rằng súng chỉ

chuyển động trong mặt phẳng thẳng đứng (mặt phẳng bắn) và độ cứng của giá rất lớn so với độ cứng của nền đất, tác dụng của nền lên giá được thay thế bằng một lò xo, hộp súng và giá được khoá chặt tạo thành một khâu cứng có khối lượng đặt tại trọng tâm Mô hình này chỉ có thể được sử dụng cho tính toán sơ bộ khi thiết kế

Mô hình của Kirilop và các tác giả trường cao đẳng kỹ thuật quân sự Penza [47]: các tác giả của trường cao đẳng kỹ thuật quân sự

Penza đã sử dụng các giả thiết: Mô hình động lực học của hệ vũ giá-xạ thủ được xem như ở dạng sơ đồ lý tưởng; Phản xạ có ý thức

khí-của xạ thủ trong thời gian bắn loạt ngắn không phát sinh và không kể

đến trong tính toán; Tác dụng của xạ thủ trong thời gian bắn loạt ngắn lên vũ khí được thay thế trong tính toán bằng tác dụng của lò xo với các đặc tính không thay đổi và được xác định hoàn toàn Phần này các tác giả mới trình bày mô hình tính toán mà chưa có lời giải cụ thể, chưa đưa ra phương trình tính toán

1.2.2 Trong nước

Tiến sĩ Nguyễn Thành Long [22] đã đưa ra hai mô hình tính toán

bằng phương pháp phần tử hữu hạn: Khảo sát ứng suất và biến dạng xuất hiện khi giá súng có liên kết khớp với nền; Khảo sát dao động của hệ khi giá súng có liên kết đàn hồi và cản nhớt với nền

1.2.3 Nhận xét

Qua việc phân tích các công trình nghiên cứu đã được công bố về dao động của súng đại liên khi bắn có thể thấy một số vấn đề sau: các

mô hình tính toán chỉ phù hợp với loại trang bị và khả năng giải quyết bài toán tương ứng với phương tiện tính toán cùng thời; Các mô hình

đều áp dụng cho các loại đại liên thế hệ 1; Chưa kể tới hoạt động của máy tự động đồng thời với dao động của toàn hệ thống do đó chưa tìm ra

ảnh hưởng qua lại của dao động và sự làm việc của máy tự động; Chỉ mới kể tới tác động của xạ thủ lên hệ như một phần tử đàn hồi thụ

động hoặc một tải trọng không đổi; Chưa trả lời được câu hỏi: Mức độ

ảnh hưởng của biến dạng giá súng trong bài toán ổn định tĩnh; khi tính ổn định động, trường hợp nào cần kể đến biến dạng của giá súng, trường hợp nào không cần kể đến? Chưa chỉ ra được những yếu tố nào

có ảnh hưởng lớn tới sự ổn định của hệ khi làm việc và từ đó định hướng cho quá trình thiết kế, cải tiến và khai thác trang bị trong điều kiện hiện nay

1.3 Kết luận chương 1

Ngày nay, phương tiện tính toán và thực nghiệm đã phát triển vượt bậc mở ra khả năng thiết lập các mô hình tính toán tương đối sát với thực tế Để thực sự làm chủ được sức mạnh quân sự của mình thì bên cạnh việc đầu tư mua sắm trang bị hiện đại, chúng ta phải từng bước học hỏi và hoàn thiện khả năng nghiên cứu, thiết kế ra các trang bị có tính năng tốt để góp phần nâng cao khả năng tự chủ cũng như có thể khai thác tốt các trang bị nhập của nước ngoài cho phù hợp với điều kiện và con người Việt nam Để nhằm mục đích đó tôi chọn đề tài:

“Khảo sát ảnh hưởng của một số thông số cơ bản tới sự ổn định của

Nội dung chính cần làm: Khảo sát ổn định cho mô hình đại liên theo nguyên lý ổn định tĩnh và động; Thực nghiệm xác định các thông số đầu vào và các thông số động lực học của hệ; khảo sát ảnh hưởng của một số thông số cơ bản tới sự ổn định của hệ khi bắn

Chương 2 bμi toán Khảo sát ổn định của đại liên

Theo nguyên lý ổn định tĩnh 2.1 Đặt vấn đề

Với đại liên thế hệ 1, do trọng lượng và kích thước lớn, liên kết với nền chắc chắn thông qua lưỡi cày ngang nên biến dạng của các chi tiết giá súng dưới tác dụng của các lực khi bắn là đáng kể Khi quan tâm tới ứng suất và biến dạng của hệ kết cấu tương đối phức tạp thì một trong những phương pháp hay được sử dụng là dùng các phần mềm ứng dụng trên cơ sở phương pháp phần tử hữu hạn bởi nó cho phép nhanh chóng nhận được các đặc trưng ứng suất, biến dạng, chuyển vị của bất kỳ điểm nào trong hệ kết cấu

2.2 Giới thiệu về phần mềm SAP2000

Phương pháp PTHH đã tận dụng được các ưu điểm của phương pháp xấp xỉ hàm và phương pháp sai phân hữu hạn Có nhiều phần mềm được viết trên cơ sở phương pháp PTHH như SAMCEF, SAP2000, STAD PRO, STRUDCAD ở đây tôi sử dụng phần mềm SAP2000 Phần mềm SAP2000 thích hợp cho các mô hình tính động lực học xác định, tường minh và có liên kết ổn định, liên tục:

2.3.2 Các giả thiết và mô hình tính toán

Để xây dựng mô hình tính toán cho súng đại liên, sử dụng một số giả thiết: Coi hệ gồm các thanh có hình dạng hình học đơn giản; Liên kết giữa các thanh là liên kết cứng; Coi đất là môi trường đàn hồi được

định lượng bằng các hệ số đàn hồi K; Coi vai xạ thủ là môi trường đàn hồi được định lượng bằng các hệ số độ cứng Kv

Mô hình tính toán:

Hình 2.1 Mô hình tính toán dao động cho đại liên thế hệ 1

2.3.3 Các lực tác dụng lên hệ khi bắn

Khi bắn, các ngoại lực và xung lực biến đổi theo thời gian tác

động lên giá súng làm cho giá súng dao động trong không gian với biên độ thay đổi Các ngoại lực bao gồm: các lực, xung do áp lực khí thuốc và máy tự động sinh ra, trọng lượng bản thân của súng, lực tác

động của xạ thủ khi bắn và lực tác dụng của nền đất

Lực của phát bắn tác dụng lên súng được thay thế bằng biểu đồ xung lực Biểu đồ xung lực của súng là tập hợp các xung và lực tác dụng lên hộp súng dọc theo trục nòng khi bắn và khi máy tự động làm việc Biểu đồ xung lực được xác định sau khi giải bài toán động lực học máy tự động (Hình 2.3)

Trọng lượng bản thân vũ khí được phân bố đều theo thể tích các chi tiết, nó có tác dụng làm tăng độ ổn định của vũ khí

Hình 2.3 Biểu đồ xung lực đại liên PKMS khi bắn Khi bắn loạt có thời gian nhỏ hơn 0,25 giây thì xạ thủ chưa kịp phản ứng điều chỉnh góc lệch [10], [42] Khi đó lực tác dụng của xạ thủ là lực đàn hồi và cản nhớt của cơ bắp sinh ra do súng bị dịch chuyển khỏi vị trí ban đầu

Khi bắn, các chân súng đặt trên nền đất sẽ có dịch chuyển và quay theo các phương Một trong những mô hình tương đối phù hợp với thực tế là coi tác dụng của nền đất như một hệ đàn nhớt, tức là tương

đương với một phần tử đàn hồi có độ cứng K và một giảm chấn có hệ

Đại liên thế hệ 1 (CGM) lấy liên kết chân giá với nền đặt bắn làm mối liên kết cơ bản tạo ổn định cho hệ Phần mềm SAP2000 cho phép xây dựng mô hình, lựa chọn phương pháp giải và xuất kết quả dịch chuyển, ứng suất, biến dạng trực tiếp thông qua giao diện

Hình 2.6: Đồ thị dịch chuyển, vận tốc của một số điểm theo phương Z

Hình 2.7: Đồ thị dịch chuyển, vận tốc của một số điểm theo phương Y

v

o

v arctg

Sau khi đưa các thông số của từng phát bắn vào mô hình tính toán

ta xuất ra các dữ liệu được mô tả trong bảng 2.5

Khi hiệu chỉnh súng ta sử dụng phương pháp bắn phát một tương ứng với phát đầu tiên trong loạt bắn, để thấy rõ dao động của hệ ta chuyển về kết quả sai lệch của các phát bắn trong loạt so với phát đầu

Gócαz32 -0.0054 0.0371 0.0185 0.0096 0.0216 0.0169

Góc εz 0.0344 0.0226 0.0224 0.0248 0.0248 0.0239

Góc αy 0.0000 -0.0001 -0.0006 -0.0013 -0.0013 -0.0010Góc εy -0.0002 -0.0003 -0.0003 -0.0003 -0.0003 -0.0003

Bảng 2.6: Góc nẩy và vận tốc góc đại liên CGM quy đổi

Gócαz32 -0.0054 0.0425 0.0239 0.0150 0.0270 0.0223

Góc εz 0.0344 -0.0118 -0.0120 -0.0096 -0.0096 -0.0105

Góc αy 0.0000 -0.0001 -0.0006 -0.0013 -0.0013 -0.0010Góc εy -0.0002 -0.0001 -0.0001 -0.0001 -0.0001 -0.0001

Để định hướng cho quá trình thiết kế và cải tiến giá súng cần xác

định quy luật và mức độ ảnh hưởng của các thông số cơ bản tới sự ổn

định của hệ khi bắn thông qua việc thay đổi các tham số của mô hình Một số tham số cơ bản cần khảo sát: độ cứng nền tại điểm tỳ lưỡi cày sau; độ cứng giá súng; chiều dài càng giá súng; độ cứng giảm giật; khối lượng giá súng; chiều cao đường lửa Việc khảo sát các tham

số này đã cho phép rút ra các kết luận, định hướng cho quá trình cải tiến, thiết kế giá súng theo nguyên lý ổn định tĩnh

Phần mềm SAP2000 cũng cho phép xuất ra nhanh chóng quy luật ứng suất của lực dọc, lực cắt, mô men xoắn và uốn trên toàn bộ kết cấu hoặc của bất kỳ phần tử nào, bất kỳ điểm nào trên kết cấu nên rất

2.4.2 Khảo sát mẫu đại liên PKMS

Sử dụng phần mềm SAP2000 để khảo sát mô hình của đại liên thiết kế theo nguyên lý ổn định động gặp một số trở ngại Tuy vậy có thể tận dụng các ưu điểm của SAP2000 để tính toán trong một số trường hợp: Liên kết nền với 3 chân là ngàm - kết quả dùng để nghiệm bền cho giá; Chân trước bị nhấc lên (mất liên kết với nền) - phục vụ cho việc xây dựng mô hình tính toán trong chương 3

2.5 ứng dụng phần mềm SAP2000 cho bài toán thiết kế ban

đầu giá súng

Trình tự các bước khi thiết kế sơ bộ giá súng:

- Xác định các kích thước sơ bộ của kết cấu theo yêu cầu;

- Xác định sơ bộ các liên kết và các điều kiện đầu của bài toán;

- Dựng mô hình bằng SAP2000 và thực hiện giải bài toán;

- Xác định phân bố ứng suất tổng thể của hệ theo các phương;

- Xác định ứng suất theo các phương và các vị trí đặc biệt;

- Lựa chọn hình dạng mặt cắt phù hợp;

- Xác định các giải pháp hợp lý tăng cứng cho kết cấu;

- Thay đổi thứ tự các thông số cơ bản để lựa chọn bộ thông số hợp

lý theo chỉ tiêu tản mát của đạn;

- Tiến hành chế tạo và thử nghiệm và hiệu chỉnh mẫu

2.6 Kết luận chương 2

Sau khi tiến hành khảo sát cho mẫu đại liên theo nguyên lý ổn

định tĩnh rút ra một số nhận xét và kết luận:

- Bên cạnh các yếu tố đã được khảo sát trong các mô hình trước

đây thì biến dạng và tần số dao động riêng là những yếu tố có ảnh hưởng lớn tới sự ổn định của hệ khi bắn

- Mặc dù khối lượng và kích thước giá súng là những yếu tố chính cản trở sự cơ động của đại liên nhưng khó có khả năng giảm nhiều khi