HỘI NGHỊ KHCN TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017 Ngày 14 tháng 10 năm 2017 tại Trường ĐH Bách Khoa - ĐHQG TP HCM TỐI ƯU THIẾT KẾ VỎ GIÁP CỦA XE THIẾT GIÁP THIẾT KẾ TRÊN SÁT-XI Ô TÔ
Trang 1HỘI NGHỊ KHCN TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017
Ngày 14 tháng 10 năm 2017 tại Trường ĐH Bách Khoa - ĐHQG TP HCM
TỐI ƯU THIẾT KẾ VỎ GIÁP CỦA XE THIẾT GIÁP THIẾT KẾ TRÊN
SÁT-XI Ô TÔ QUÂN SỰ
Vũ Đức Lập, Lê Thanh Tuấn
Học viện Kỹ thuật Quân sự
TÓM TẮT
Vỏ giáp là một phần quan trọng của xe thiết
giáp, bởi vì nó bảo vệ người và trang bị được an
toàn trước các loại vũ khí sát thương của kẻ thù
Khi tính toán thiết kế vỏ giáp phải bảo đảm các
yêu cầu chiến kỹ thuật đã đặt ra Tuy nhiên các
yêu cầu chiến kỹ thuật trên luôn có mối quan hệ
ảnh hưởng và tác động lẫn nhau, vì vậy cần
thiết chọn các thông số thiết kế vỏ giáp sao cho đảm bảo các yêu cầu chiến kỹ thuật Bài báo giới thiệu phương pháp tối ưu hóa các thông số thiết kế vỏ giáp của xe thiết giáp được thiết kế trên sát-xi ô tô quân sự theo phương pháp di truyền
Từ khóa: tối ưu hóa, vỏ giáp, xe thiết giáp, phương pháp di truyền
1 Giới thiệu
Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ của
khoa học-công nghệ, vũ khí trang bị kỹ thuật nói
chung, xe thiết giáp nói riêng của các nước trên
thế giới không ngừng được nghiên cứu thiết kế,
chế tạo mới ngày càng hiện đại và nhanh chóng
đưa vào trang bị trong quân đội
Tính toán thiết kế xe thiết giáp mới hoàn
toàn sẽ đảm bảo tốt các yêu cầu kỹ thuật đã đề
ra, tuy nhiên với phương pháp này sẽ mất nhiều
thời gian thiết kế và chi phí sản xuất lớn Vì vậy,
để rút ngắn thời gian nghiên cứu thiết kế và
giảm chi phí sản xuất thì các xe thiết giáp hiện
nay cũng được thiết kế mới dựa trên sát-xi ô tô
có tính năng thông qua cao
Trong các nội dung tính toán thiết kế xe thiết
giáp dựa trên sát-xi ô tô thì nội dung tính toán
thiết kế vỏ giáp là một nội dung quan trọng Khi
tính toán thiết kế vỏ giáp trên sát-xi ô tô cần phải
bảo đảm các yêu cầu quan trọng như: Vỏ giáp
phải có độ bảo vệ tin cậy chống lại các tác động
của vũ khí địch; Có đủ không gian cho hoạt động
của các thành viên của kíp xe và sử dụng hết
khối lượng khối lượng cho phép (khối lượng toàn
bộ và khối lượng phân bố lên các cầu) của sát-xi
ô tô được chọn để thiết kế xe thiết giáp Các yêu cầu trên có quan hệ ảnh hưởng và tác động lẫn nhau, muốn có khả năng bảo vệ càng cao và đủ không gian hoạt động cho các thành viên kíp xe thì đòi hỏi xe phải có khối lượng lớn, tuy nhiên khối lượng bị giới hạn bởi khối lượng cho phép của sát-xi ô tô được chọn để thiết kế Bài báo giới thiệu phương pháp tối ưu hóa các thông số thiết kế vỏ giáp của xe thiết giáp được thiết kế trên sát-xi ô tô quân sự theo phương pháp di truyền nhằm đảm bảo các yêu cầu trên một cách tốt nhất
2 Tối ưu hóa thiết kế vỏ giáp theo phương pháp di truyền
Hiện nay có nhiều phương pháp để thực hiện tối ưu hóa, trong đó có phương pháp tối ưu hóa theo thuật toán di truyền với nhiều ưu điểm nổi bật Tối ưu hóa theo thuật toán di truyền là dựa trên phương pháp tìm kiếm kỹ thuật ngẫu nhiên có tính kế thừa Trên Hình 1 thể hiện sơ
đồ tối ưu hóa thiết kế vỏ giáp bằng phương pháp thuật toán di truyền
Trang 2HỘI NGHỊ KHCN TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017
Ngày 14 tháng 10 năm 2017 tại Trường ĐH Bách Khoa - ĐHQG TP.HCM
Hình 1 Sơ đồ thuật toán tối ưu hóa thiết kế vỏ giáp
a Xác định các thông số tối ƣu hóa
Các thông số cơ bản để thiết kế vỏ giáp bao
gồm: các kích thước cơ bản của vỏ giáp, hình
dáng (Hình 2), vật liệu và độ dày của vỏ giáp
Hình 2 Mặt cắt ngang (a) và cắt dọc của vỏ giáp (b)
Các kích thước cơ bản của vỏ giáp được
xác định dựa trên sát-xi ô tô thiết kế, số lượng
thành viên và vũ khí trang thiết bị mang theo
Trong Bảng 1 là các kích thước cơ bản của vỏ
giáp của mẫu xe thiết giáp được thiết kế trên
sát-xi ô tô Ural 43206 [2]
Bảng 1 Các kích thước cơ bản của vỏ giáp
Chiều dài vỏ giáp 7,6 mm
Chiều rộng của vỏ giáp 2,5 mm
Chiều cao của vỏ giáp 2,4 mm
Chiều dài cơ sở của xe cơ
sở
4,4 mm
Vật liệu và độ dày của vỏ giáp thiết kế phụ
thuộc vào yêu cầu cấp độ khả năng bảo vệ [6]
Vật liệu thiết kế vỏ giáp có các đặc tính cơ học
càng tốt thì khả năng bảo vệ càng cao và giảm
được khối lượng của vỏ giáp Qua tham khảo
các tài liệu, tác giả lựa chọn thép Miilux
Protection 500 để thiết kế với chiều dày yêu cầu
của vỏ giáp tương ứng với các cấp độ khả năng bảo vệ trong tài liệu [8]
Độ dày của vỏ giáp thiết kế phụ vào loại vật liệu và yêu cầu cấp độ khả năng bảo vệ Để giảm khối lượng của giáp thì độ dày các khu vực của vỏ giáp được lựa chọn theo khả năng xác suất khu vực bị phá hủy của vỏ giáp [3] Qua tham khảo các mẫu xe đã thiết kế, bài báo xác định độ dày các vị trí của vỏ giáp theo tiêu chuẩn Na tô về yêu cầu bảo vệ của vỏ giáp tương ứng với vật liệu chế tạo là thép Miilux Protection 500 như Bảng 2
Bảng 2 Yêu cầu bảo vệ và độ dày tấm tấm thép tại
các vị trí của vỏ giáp
Vị trí Cấp độ Chiều dày
Ngoài ra để tăng khả năng bảo vệ của vỏ giáp bằng cách tạo các góc nghiêng để tăng chiều dày
và tăng khả năng thía lia của đạn (Hình 1)
Qua phân tích trên trong bài báo chọn các thông số cần thiết phải tối ưu hóa trong tính toán thiết vỏ giáp như Bảng 3
Bảng 3 Bảng các thông số tối ưu hóa thiết kế vỏ giáp
Chiều dày phần mũi vỏ giáp > 24 mm Góc nghiêng phần mũi vỏ giáp 0o
- 10o Chiều dày phía sau vỏ giáp >6 mm Chiều dày thành bên vỏ giáp >12mm Góc nghiêng phía trên của hai
o
- 90o Góc nghiêng phía dưới của hai
bên sườn vỏ giáp
60o - 90o
Trang 3HỘI NGHỊ KHCN TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017
Ngày 14 tháng 10 năm 2017 tại Trường ĐH Bách Khoa - ĐHQG TP HCM
b Tính độ thích nghi
Độ thích nghi của mỗi nhiễm sắc thể a i được
tính theo công thức [7]:
1
( ) ( ) i 1, 2, , (1)
i N
j j
F a
a
Trong đó: a i - Là bộ thông số thiết vỏ giáp
được chọn phải bảo đảm các giá trị nằm trong
bảng 3; N - Kích thước của quần thể; E(a i ) - Độ
thích nghi của nhiễm sắc thể ai ; F(a i ) - Giá trị
hàm mục tiêu của nhiễm sắc thể ai
Giá trị của hàm tiêu phụ thuộc vào yêu cầu
chiến kỹ thuật cần thiết phải đạt được Để đảm
bảo các yêu cầu trên, bài báo xác định hàm
mục tiêu như sau:
i cp
G a G
Trong đó: G(a i ), G 1 (a i ) và G 2 (a i ) là hết khối
lượng tổng cộng và khối lượng phân bố lên các cầu tương ứng với phương án ai ; G cp , G cp1 và
G cp2 là khối lượng tổng cộng cho phép và khối lượng phép phân bố lên các cầu Với sát-xi Ural
43206 với Gcp , G cp1 và G cp2 lần lượt là 12150 kg,
4625 kg và 7525 kg
c Mã hóa
Với bộ thông số kết cấu tính toán xe thiếp giáp cần tối ưu hóa trong Bảng 3, bài báo chọn dạng mã hóa là dạng nhị phân với chiều dài nhiễm sắc thể là 49 với 7 gen con như Bảng 4 Trong đó các gen từ 1 đến 6 là các gen chứa giá trị các thông số thiết kế vỏ giáp và gen 7 là gen chứa giá trị hàm mục tiêu
Bảng 4 Thứ tự mã hóa các thông số kết cấu cần lựa chọn để thiết kế
Góc nghiêng phía trên của hai bên sườn vỏ giáp 33 34 35 36 37 38 39 40 Góc nghiêng phía dưới của hai bên sườn vỏ
3 Kết quả tối ƣu hóa
Để thực hiện tối ưu hóa bài báo xác định các
tham số của thuật toán di truyền trong bảng 5
Với các thông số cần tối ưu hóa và tham số
thuật toán di truyền, bài báo thực hiện tối ưu hóa
theo sơ đồ thuật toán ở hình 1 bằng phần mềm
Visual Basic Autodesk tích hợp trong phần mềm
Autodesk Inventor Với phần mềm trên, ta có thể
xây dựng mô hình 3D vỏ giáp và xe thiết giáp,
tính toán khối lượng G, khối lượng phân bố lên
các cầu G1 , G 2 của xe thiết giáp cũng như thực
hiện các công việc trong hình 1
Bảng 5 Các tham số của thuật toán di truyền
1 Kích thước quần thể 20
2 Số quần thể tái sinh 200
3 Phương pháp chọn lọc Xếp hạng
5 Xác xuất lai ghép 0,8
7 Xác xuất đột biến 0,9
Bảng 6 Kết quả tối ưu hóa
Chiều dày phần mũi vỏ giáp 25 mm Góc nghiêng phần mũi vỏ giáp 10o Chiều dày phía sau vỏ giáp 9 mm Chiều dày thành bên vỏ giáp 14 mm Góc nghiêng phía trên của hai
o Góc nghiêng phía dưới của hai
o
Kết quả tối ưu hóa các thông số tính toán thiết kế được thể hiện trong bảng bảng 6 Kết quả mô hình 3D xe thiết giáp xe thiết giáp sau khi tối ưu hóa thiết kế vỏ giáp như hình
3 và các thông số tính toán thiết bố chung của
xe sau thiết kế như bảng 7
Hình 3 Mô hình hóa 3D của mẫu xe thiết giáp thiết kế
Trang 4HỘI NGHỊ KHCN TOÀN QUỐC VỀ CƠ KHÍ - ĐỘNG LỰC NĂM 2017
Ngày 14 tháng 10 năm 2017 tại Trường ĐH Bách Khoa - ĐHQG TP.HCM
Bảng 7 Kết quả tính toán thiết bố trí chung
Khối lượng tổng cộng 12142 kg
Khối lượng phân bố lên cầu trước 4617 kg
Khối lượng phân bố lên cầu sau 7524 kg
Mô men quán tính theo trục x 5,2.104 Nm2
Mô men quán tính theo trục y 1,8.105 Nm2
Mô men quán tính theo trục z 2,0.105 Nm2
Chiều dài cơ sở 4,4 m
Khoảng cách từ tọa độ trọng tâm
đến tâm cầu trước
2,725 m Khoảng cách từ tọa độ trọng tâm
đến tâm cầu sau
1,675 m Chiều cao tọa độ trọng tâm 1,2 m
4 Kết luận
Bài báo đã xây dựng phương pháp tối ưu thiết kế vỏ giáp của xe thiết giáp được thiết kế trên sát-xi ô tô theo phương pháp di truyền Với việc áp dụng phương pháp trên giúp cho việc xác định và tối ưu hóa các thông số trong thiết
kế vỏ giáp đảm bảo yêu cầu khả năng bảo vệ của vỏ giáp cũng như sử dụng được hết khối lượng cho phép của sát-xi ô tô được chọn để thiết kế
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1 Vũ Đức Lập (1999), Cơ sở kết cấu ôtô quân
sự và xe bọc thép bánh hơi, Học viện Kỹ
thuật Quân sự, Hà Nội
2 Vũ Đức Lập (2004), Sổ tay tra cứu tính năng kỹ
thuật Ô tô, Học viện Kỹ thuật Quân sự, Hà Nội
3 Nguyễn Văn Luận (1996), Kết cấu và tính
toán xe tăng - thiết giáp Tập 1, Học Viện Kỹ
Thuật Quân Sự, Hà Nội
4 Nguyễn Khắc Trai (2006), Cơ sở thiết kế ôtô,
Nhà Xuất Bản Giao Thông Vận Tải, Hà Nội
5 В.А Григоряна (2007), Защита танков, Издательство МГТУ им Н.Э Баумана, Москва
6 Texas Armoring Corporation Armored Vehicle Protection Levels, truy cập ngày 10/06/2016, tại trang
7 S.N.Sivanandam và S.N.Deepa (2008), Introduction to Genetic Algorithms, springer
8 Miilux Miilux Protection 380/400/450/500 Datasheet, truy cập ngày, tại trang web
http://www.miilux.fi/armouring-solutions/?lang=en
OPTIMIZED DESIGN FOR ARMOR OF ARMORED VEHICLE
DESIGNED ON CHASSIS OF MILITARY VEHICLE
ABSTRACT
Armor is one of important part of armored
vehicle, because it protects people and equips
form enemy weapons When design the armor
should ensure the required technicals However,
the required technicals are interrelated, so need to
choose armor design parameters to ensure the
required technicals This article introduces a method for optimized design parameters of armor
of armored vehicles that designed on military chassis to ensure
Ketywords: optimized, armor, armored vehicle, Genetic Algorithms