Phân tích động lực học kết cấu vỏ động cơ phóng tên lửa phòng không tầm thấp chịu tác dụng đồng thời của tải trọng cơ và nhiệt

hiết lập được thuật toán PTHH, trong đó đã thực hiện thành công phương pháp ghép nối các ma trận phần tử có các bậc tự do tại mỗi nút khác nhau (phần tử vỏ cong 1 phía, cong 2 phía và phần tử khối) và xây dựng bộ chương trình tính Rocket_Shell_Motor_Press_Thermal_2017.text (RSMPT_2017) nhằm phân tích phi tuyến động lực học kết cấu vỏ động cơ phóng tên lửa phòng không tầm thấp chịu tác dụng của áp suất thay đổi theo thời gian và nhiệt độ.

ĐÀO DUY VIỆT

Phân tích động LựC HọC kết CấU

vỏ động cơ phóng tên lửa PHòNG KHÔNG TầM THấP chịu tác dụng đồng thời của tảI trọng cơ và nhiệt

TểM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2019

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ

Người hướng dẫn khoa học:

1 GS.TS Hoàng Xuân Lượng

2 TS Nguyễn Khải Hoàn

Phản biện 1: GS.TSKH Nguyễn Tiến Khiêm

Viện Cơ học Việt Nam

Phản biện 2: GS.TS Nguyễn Hồng Lanh

Học viện Kỹ thuật Quân Sự

Phản biện 3: GS.TS Nguyễn Mạnh Yên

Đại học Xây dựng

Luận án sẽ được bảo vệ tại Hội đồng đánh giá luận án cấp Học viện theo quyết định số /QĐ-HV, ngày 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

Có thể tìm hiểu luận án tại:

- Thư viện Học viện Kỹ thuật Quân sự

- Thư viện Quốc gia

1 Hoàng Xuân Lượng, Đào Duy Việt (2015), Nghiên cứu thực nghiệm đo

áp suất bên trong động cơ phóng tên lửa phòng không tầm thấp, Tuyển tập Hội nghị khoa học toàn quốc Cơ học vật rắn biến dạng lần thứ XII năm 2015, 7/8/2015, tr.1646-1652

2 Hoàng Xuân Lượng, Đào Duy Việt (2016), Nghiên cứu đo biến dạng vỏ

động cơ phóng tên lửa phòng không tầm thấp, Tạp chí nghiên cứu KH&CN quân sự, số 43, 06-2016, tr.165-170

3 Đào Duy Việt, Đỗ Văn Thơm (2016), Phân tích dao động riêng và phân tích động lực học của tấm composite có nhiều lỗ khoét trong môi trường

nhiệt độ, Tuyển tập Hội nghị khoa học toàn quốc Vật liệu và Kết cấu Composite, Cơ học, Công nghệ và ứng dụng, 28-29/7/2016, tr.805-811

4 Đào Duy Việt, Hoàng Xuân Lượng (2017), Phân tích động lực học kết

cấu vỏ động cơ phóng tên lửa bằng lý thuyết và thực nghiệm, Tuyển tập Hội nghị Cơ học toàn quốc lần thứ X, Hà Nội, 8-9/12/2017, tr.1395-1402

Tập 3 Cơ học Vật rắn Quyển 2

5 Đào Duy Việt, Hoàng Xuân Lượng (2018), Nghiên cứu đáp ứng động của

vỏ trụ kín chịu tác động đồng thời của tải trọng cơ, nhiệt, Tạp chí nghiên cứu KH&CN quân sự, số 54, 04-2018, tr.219-226

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Động cơ tên lửa là cụm kết cấu quan trọng trong mỗi quả tên lửa, trong đó vỏ động cơ tên lửa là cụm chi tiết đóng vai trò hết sức quan trọng trong kết cấu tổng thể của động cơ tên lửa nói chung, trong đó có loại động cơ phóng tên lửa phòng không tầm thấp (PKTT) Do vậy, vấn

đề nghiên cứu của luận án là có ý nghĩa khoa học, thực tiễn, đặc biệt trong lĩnh vực công nghiệp quốc phòng

2 Mục đích nghiên cứu của luận án

- Xây dựng mô hình, thuật toán PTHH và chương trình máy tính nhằm phân tích động lực học kết cấu vỏ động cơ phóng tên lửa (PKTT) chịu tác dụng của áp lực trong và nhiệt độ do quá trình cháy của thuốc phóng gây nên;

- Sử dụng thuật toán, chương trình tính đã lập để tính toán lựa chọn các thông số hợp lý, thiết kế, chế tạo và thử nghiệm đối với kết cấu vỏ động cơ phóng tên lửa (PKTT), có được số liệu áp suất, nhiệt độ trong vỏ động cơ để làm thông số tính toán, khảo sát số, đưa ra các khuyến cáo kỹ thuật nhằm định hướng ứng dụng vào thực tiễn;

- Nghiên cứu thực nghiệm trên kết cấu vỏ động cơ phóng tại thực địa, xác định đáp ứng áp suất trong vỏ và phản ứng động lực học của vỏ động cơ do quá trình cháy của thuốc phóng gây nên Kết quả đáp ứng áp suất, nhiệt độ trong vỏ dùng làm thông số tính toán, khảo sát số

3 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu của luận án

- Về kết cấu: Vỏ động cơ phóng tên lửa phòng không tầm thấp dạng tròn xoay làm bằng vật liệu đồng nhất, đẳng hướng

- Về tải trọng: Áp suất trong và nhiệt độ do quá trình cháy của thuốc phóng gây nên, trong đó áp suất biến đổi theo thời gian

- Phạm vi nghiên cứu của luận án: Đáp ứng động lực học của vỏ động cơ phóng tên lửa phòng không tầm thấp và tính toán, thiết kế, chế tạo, thử nghiệm vỏ động cơ dạng này

4 Phương pháp nghiên cứu

Kết hợp phương pháp lý thuyết và thực nghiệm

5 Cấu trúc luận án

Luận án được cấu trúc bởi: Mở đầu, 4 chương, phần kết luận và kiến nghị, tài liệu tham khảo và phụ lục

Mở đầu: Trình bày tính cấp thiết của vấn đề nghiên cứu

Chương 1 Tổng quan vấn đề nghiên cứu

Chương 2 Phân tích động lực học vỏ động cơ phóng tên lửa chịu tác dụng của tải trọng cơ và nhiệt

Chương 3 Khảo sát số và thảo luận

Chương 4 Phương án thiết kế, chế tạo vỏ động cơ phóng tên lửa phòng không tầm thấp và thử nghiệm

Kết luận và kiến nghị: Trình bày những kết quả mới của luận án và

một số kiến nghị của tác giả rút ra từ nội dung nghiên cứu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

Trình bày tổng quan về động cơ phóng tên lửa PKTT, tải trọng tác dụng và phương pháp tính toán kết cấu tên lửa Trên cơ sở các vấn đề cần được tiếp tục nghiên cứu, luận án tập trung nghiên vào các vấn đề sau:

- Xây dựng thuật toán PTHH và chương trình máy tính phân tích động lực học của kết cấu vỏ động cơ phóng tên lửa PKTT, chịu tác dụng của áp suất và nhiệt độ do khí thuốc cháy sinh ra;

- Khảo sát số trên các lớp bài toán khác nhau với các thông số kết cấu vật liệu, tải trọng thay đổi, nhằm lựa chọn các thông số hợp lý phục

vụ bài toán kiểm chứng và thiết kế mới đối với vỏ động cơ phóng tên lửa PKTT;

- Tính toán, thiết kế, chế tạo vỏ động cơ phóng tên lửa PKTT và nghiên cứu thực nghiệm tại thực địa, kết quả nghiên cứu thực nghiệm là

cơ sở làm thông số tính toán và kiểm chứng sự phù hợp của phương pháp và thuật toán, chương trình tính đối với kết cấu loại này

CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC VỎ ĐỘNG CƠ PHÓNG

TÊN LỬA PKTT CHỊU TÁC DỤNG CỦA TẢI TRỌNG CƠ VÀ NHIỆT 2.1 Đặt vấn đề

Trong chương này, tác giả xây dựng thuật toán phần tử hữu hạn (PTHH), chương trình máy tính nhằm phân tích động lực học của kết cấu

vỏ động cơ phóng tên lửa PKTT, chịu tác dụng của áp suất và nhiệt độ do quá trình cháy của thuốc phóng gây ra

2.2 Đặt bài toán và các giả thiết

Có thể xem vỏ động cơ phóng tên lửa PKTT được cấu tạo gồm 03 phần chính, đó là: Thân vỏ động cơ, đáy vỏ động cơ, nắp của động cơ

Hình 2.1 Mô hình bài toán Các giả thiết: vật liệu đồng nhất, đẳng hướng, đàn hồi tuyến tính; biến dạng của kết cấu là bé; quy luật truyền nhiệt là hằng số và biến dạng nhiệt tuyến tính với hằng số dãn nở nhiệt Vỏ động cơ với phần thân và nắp thỏa mãn lý thuyết Reissner – Mindlin

2.3 Thiết lập các phương trình chủ đạo của bài toán bằng phương pháp PTHH

2.3.1 Các quan hệ đối với phần tử vỏ thuộc thân và nắp vỏ động cơ

a) Phần tử vỏ cong 2 chiều b) Phần tử vỏ cong 1 chiều

Hình 2.2 Phần tử vỏ cong mô phỏng thân và nắp

2.3.1.1 Quan hệ biến dạng và chuyển vị:

2.3.1.3 Phương trình mô tả dao động của phần tử:

Áp dụng nguyên lý Hamilton, phương trình dao động của phần tử:

Các ma trận, véc tơ trong (2.44) được xây dựng trong hệ tọa độ cục

bộ (x,y,z), nên khi xét chung toàn kết cấu phải chuyển về hệ tọa độ tổng thể (X,Y,Z) thông qua ma trận chuyển

Phương trình mô tả dao động không cản của phần tử vỏ lúc này:

Sử dụng phần tử khối 6 điểm nút và 8 điểm nút, mỗi nút của phần tử

2.4.1 Xây dựng ma trận tổng thể của kết cấu từ ma trận phần tử:

Các ma trận, véc tơ tải trọng tổng thể của hệ được tác giả tập hợp từ các ma trận và véc tơ phần tử, với nguyên tắc ma trận chỉ số và ứng dụng sơ đồ Skyline [1], [3], [12]

 

e i e j

f

f

1 2

e

i i e

j j

n-1 n

i=dof

f f

f + f

f + f

f f

f

e f

(2.86)

2.4.2 Phương trình dao động phi tuyến của hệ

Phương trình tổng thể mô tả dao động có cản của hệ:

 M q C   q  q K   q    q  R , (2.92)

Đây là phương trình phi tuyến hình học

2.5 Thuật toán giải phương trình dao động phi tuyến của kết cấu

vỏ động cơ phóng tên lửa PKTT chịu áp suất và nhiệt độ

2.5.1 Bài toán dao động tự do, bao gồm:

Dao động tự do tuyến tính và phi tuyến, được mô tả bởi phương trình:

N

k 0 và kuuN 1 (2.93)

2.5.2 Bài toán dao động cưỡng bức, bao gồm:

Dao động cưỡng bức, có cản, được mô tả bởi phương trình:

Được giải bằng phương pháp tích phân trực tiếp Newmark kết hợp với phương pháp lặp Newton-Raphson

2.6 Giới thiệu và kiểm tra độ tin cậy của chương trình tính

2.6.1 Giới thiệu chương trình tính

Chương trình tính được viết trong môi trường ANSYS 13.5, có tên Rocket_Shell_Motor_Press_Thermal_2017.text (RSMPT_2017)

2.6.2 Kiểm tra độ tin cậy của chương trình

Để kiểm tra độ tin cậy của chương trình tính RSMPT_2017, tác giả giải bài toán dao động riêng của vỏ kín dạng bể chứa như trong công trình đã công bố năm 2015 của các tác giả Sukhvarsh Jerath và Mark Lee [42]

Bảng 2.1 Bảng so sánh tần số dao động riêng

Tần số f (Hz)

STT

Luận án (RSMPT_2017)

Sukhvarsh Jerath

và Mark Lee [42]

Sai số (%)

- Xây dựng hệ phương trình phi tuyến của 02 loại phần tử dùng để

mô phỏng vỏ động cơ phóng tên lửa PKTT: phần tử vỏ cong và phần tử khối chịu áp suất bề mặt và nhiệt độ

- Xây dựng thuật toán PTHH và chương trình tính RSMPT_2017 trong môi trường ANSYS 13.5 nhằm phân tích phi tuyến động lực học của kết cấu vỏ động cơ phóng tên lửa phòng không tầm thấp chịu tác dụng của tải áp lực trong và nhiệt độ do quá trình cháy của thuốc phóng gây ra Chương trình tính do tác giả lập đã được kiểm chứng và có cơ sở tin cậy

CHƯƠNG 3 KHẢO SÁT SỐ VÀ THẢO LUẬN

3.1 Đặt vấn đề

Trong chương này tác giả tiến hành khảo sát số trên các lớp bài toán, xem xét đáp ứng động lực học của của kết cấu vỏ động cơ phóng tên lửa PKTT

3.2 Bài toán khảo sát

Xét vỏ động cơ tên lửa PKTT dạng tròn xoay, kích thước thể hiện như trên Hình 2.1 Vỏ động cơ bằng thép 28X3CHMBA, với mô đun

đàn hồi E = 2,0.1011

N/m2, hệ số Poisson  = 0,29, khối lượng riêng  = 7790kg/m3, hệ số dãn nở nhiệt th = 1110-6/oC Áp suất và nhiệt độ phân bố đều trong vỏ động cơ, với biểu đồ đáp ứng áp suất như hình 3.1,

mô hình tính của bài toán được thể hiện như trên hình 3.2

Hình 3.1 Đáp ứng áp suất theo thời gian

a) Mặt cắt đứng và tải trọng tác dụng b) Hình chiếu bằng

Hình 3.2 Mô hình tính của bài toán

Sự thay đổi nhiệt giữa bề mặt trong và ngoài của vỏ động cơ là

T = 25000C Vỏ được liên kết gối tựa theo chu vi đáy

Mô hình PTHH của bài toán thể hiện như trên hình 3.3

Hình 3.3 Mô hình PTHH của bài toán

 Bài toán dao động riêng:

Hình 3.4 Bốn dạng dao động riêng đầu tiên

 Bài toán dao động cưỡng bức: Căn cứ cấu tạo, đặc điểm của vỏ động cơ phóng tên lửa, các điểm xuất kết quả của bài toán được xác định

là điểm A (miệng lỗ ở đỉnh), điểm B (giao giữa đường sinh và mặt cắt giữa thân) và điểm C (miệng lỗ chính giữa đáy) Tính toán với 3 trường hợp: bài toán phi tuyến, có nhiệt độ (bài toán luận án) và tuyến tính có

và không có nhiệt độ, kết quả đáp ứng chuyển vị, biến dạng và ứng suất tại các điểm tính được thể hiện như trên hình 3.5 đến 3.13

Hình 3.5 Chuyển vị đứng tại A

(phi tuyến+nhiệt, tuyến tính+nhiệt và tuyến tính không nhiệt)

Hình 3.6 Ứng suất σx tại điểm A

(phi tuyến+nhiệt, tuyến tính+nhiệt và tuyến tính không nhiệt)

Hình 3.7 Chuyển vị hướng kính tại B

Hình 3.8 Biến dạng dọc trục tại B

Hình 3.10 Chuyển vị đứng tại C

Hình 3.11 Ứng suất σx tại C

Bảng 3.1 Tóm tắt giá trị lớn nhất của chuyển vị và ứng suất

Đại lượng max

A

w [mm] wmaxB [mm] wmaxC [mm]

max A



[N/cm2]

max C

 [N/cm2] Giá trị 0,488 0,381 0,393 12,97.103 10,73.103 Nhận xét: Kết quả tính cho thấy giữa bài toán phi tuyến, có nhiệt độ khác khá nhiều so với trường hợp tuyến tính, có nhiệt độ, đặc biệt là trường hợp tuyến tính, không có nhiệt độ

3.3 Ảnh hưởng của một số yếu tố đến đáp ứng động của kết cấu vỏ động cơ phóng tên lửa PKTT

3.3.1 Ảnh hưởng của vật liệu

Xét 4 trường hợp, kết quả ảnh hưởng của đặc trưng cơ học này đến đáp ứng động của vỏ thể hiện như các hình 3.14  3.19 và bảng 3.2

Hình 3.14 Đáp ứng chuyển vị tại A với các vật liệu khác nhau

Hình 3.15 Đáp ứng ứng suất tại A với các vật liệu khác nhau

Hình 3.16 Đáp ứng biến dạng tại B với các vật liệu khác nhau

Hình 3.17 Đáp ứng chuyển vị tại B với các vật liệu khác nhau

Hình 3.18 Đáp ứng chuyển vị tại C với các vật liệu khác nhau

Hình 3.19 Đáp ứng ứng suất tại C với các vật liệu khác nhau

Bảng 3.2 Các giá trị lớn nhất về chuyển vị và ứng suất tại các điểm tính E[N/m2].1011 1,14 (Hợp

kim Titan)

1,90 ( Thép không gỉ )

2,00 (Hợp kim 28 )

2,07 (Thép Cacbon) max

3.3.2 Ảnh hưởng của dạng tải trọng

Kết quả đáp ứng động của vỏ như trên các hình 3.20  3.24

Hình 3.20 Đáp ứng chuyển vị tại A của 2 trường hợp tải trọng

Hình 3.21 Đáp ứng ứng suất tại A của 2 trường hợp tải trọng

Hình 3.22 Đáp ứng biến dạng tại B của 2 trường hợp tải trọng

Hình 3.23 Đáp ứng chuyển vị tại C của 2 trường hợp tải trọng

Bảng 3.3 Các giá trị lớn nhất về chuyển vị và ứng suất tại các điểm tính

3.3.3 Ảnh hưởng của góc lệch trục lỗ thoát khí tạo sơ tốc

Với góc lệch trục  của 05 lỗ thoát khí tạo sơ tốc thay đổi, kết quả thể hiện như bảng 3.4 và trên hình 3.25, 3.26

Bảng 3.4 Biến thiên giá trị lớn nhất theo góc 



015’ 10015’ 11015’ 12015’ 13015’ max

C

 [N/cm2] 103 10,40 10,52 10,73 11,05 11,59

Hình 3.25-26 Quan hệ chuyển vị, ứng suất lớn nhất tại A và C - góc 

3.3.4 Ảnh hưởng của chiều dày thân vỏ

Tính toán với chiều dày ttr của thân vỏ thay đổi, kết quả như sau: Bảng 3.5 Biến thiên giá trị lớn nhất theo chiều dày thân vỏ động cơ

C

 [N/cm2] 103 13,44 11,91 10,73 9,72 9,19

Hình 3.27-28 Quan hệ chuyển vị, ứng suất lớn nhất tại A và C - ttr

3.3.5 Ảnh hưởng của nhiệt độ

Với biến thiên nhiệt độ tăng, kết quả bài toán như sau:

Bảng 3.6 Biến thiên giá trị lớn nhất theo số gia nhiệt độ T

3.4 Kết luận chương 3

- Tính toán kết cấu vỏ động cơ phóng tên lửa PKTT chịu tác dụng của áp suất trong và nhiệt độ do khí thuốc cháy gây ra

- Tính toán với nhiều lớp bài toán, xem xét ảnh hưởng của nhiều yếu

tố, từ đó đưa ra các nhận xét có ý nghĩa khoa học, thực tiễn

- Kết quả tính toán số trong chương này cùng với các đánh giá, nhận xét là cơ sở cho việc tính toán, lựa chọn các thông số hợp lý phục

vụ thiết kế và chế tạo vỏ động cơ phóng tên lửa PKTT được tác giả thực hiện, nội dung sẽ được trình bày trong chương 4 của luận án

CHƯƠNG 4 PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ, CHẾ TẠO VỎ ĐỘNG CƠ TÊN LỬA

4.2.3 Các kết quả tính toán lựa chọn phương án thiết kế:

Sử dụng chương trình tính đã lập, tính với các phương án khác nhau, kết quả có được bộ số liệu thiết kế hợp lý thể hiện như trong bảng 4.1 Bảng 4.1 Kết quả bộ số liệu thiết kế hợp lý vỏ động cơ tên lửa PKTT

Hình 4.8-4.9 và 4.11 Vỏ động cơ phóng qua các bước gia công

4.4 Thử nghiệm và kết quả thử nghiệm

4.4.1 Mục đích, địa điểm thí nghiệm

4.4.1.1 Mục đích thí nghiệm:

Xác định biến thiên áp suất khí thuốc trong động cơ phóng theo thời gian, đáp ứng biến dạng của vỏ động cơ phóng khi thuốc phóng cháy So sánh kết quả thí nghiệm với kết quả tính toán lý thuyết với chương trình tính đã lập trên mô hình bài tính tương tự

4.4.1.2 Địa điểm thí nghiệm: tại Trường thử nhà máy thuộc Tổng cục

Công nghiệp Quốc phòng trong đợt thử nghiệm sản phẩm nghiên cứu của Chương trình đề án KHCN, trong đó nội dung thí nghiệm là một phần đề tài do tác giả làm chủ nhiệm

4.4.2 Thí nghiệm và kết quả

Tiến hành thí nghiệm, kết quả thí nghiệm được máy thí nghiệm ghi, lưu và xử lý bằng phần mềm chuyên dụng