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

Do vậy, 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” cũng là một bước đi cần thiết và c

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ

-

NGUYỄN THANH BÌNH

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

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2018

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG

VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ

-

NGUYỄN THANH BÌNH

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

Chuyên ngành: CƠ KỸ THUẬT

Mã số: 9520101

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1 PGS.TS Nguyễn Minh Tuấn

2 TS Phan Tương Lai

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan, đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu, kết quả được trình bày trong luận án này là trung thực và chưa được ai công bố ở bất kỳ công trình nào khác, các dữ liệu tham khảo được trích dẫn đầy đủ

Hà Nội, ngày tháng 8 năm 2018 TÁC GIẢ LUẬN ÁN

Nguyễn Thanh Bình

LỜI CẢM ƠN

Luận án này được thực hiện tại Viện Khoa học và Công nghệ quân sự: với lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc, tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Minh Tuấn, TS Phan Tương Lai đã tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình hoàn thành luận án này

Tác giả xin chân thành cản ơn ban lãnh đạo, chỉ huy Viện Khoa học và Công nghệ quân sự, Viện Tên lửa, Phòng Đào tạo, Trung tâm Công nghệ Cơ khí chính xác, phòng Thân cánh/Viện Tên lửa và các đồng nghiệp đã tạo mọi điều kiện, hỗ trợ, giúp đỡ tôi trong thời gian học tập, nghiên cứu

Xin chân thành cảm ơn các nhà khoa học, bạn bè và gia đình đã quan tâm giúp đỡ, đóng góp nhiều ý kiến quý báu, cỗ vũ và động viên tôi hoàn thành công trình nghiên cứu khoa học

MỤC LỤC

Trang

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC CÁC BẢNG xi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ xi

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ĐỘ BỀN THÂN VÀ CÁNH TÊN LỬA ĐỐI HẢI 5

1.1 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 5

1.1.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước 5

1.1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 7

1.2 Tổng quan về kết cấu thân, cánh TLĐH 12

1.3 Tổng quan về các tham số động học, động lực học trong tính toán độ bền kết cấu thân, cánh TLĐH 13

1.4 Những vấn đề chung về ứng dụng phương pháp PTHH giải bài toán cơ học 14

1.5 Kết luận chương 1 15

Chương 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC VÀ XÁC ĐỊNH CÁC TRƯỜNG HỢP CHỊU TẢI LỚN NHẤT 16

2.1 Tải trọng tác động lên tên lửa trong quá trình chuyển động 16

2.1.1 Lực hấp dẫn 16

2.1.2 Khí quyển 17

2.1.3 Lực đẩy 18

2.1.4 Các lực khí động 18

2.1.5 Các lực điều khiển 25

2.1.6 Các mômen lực 27

2.1.7 Các mômen cản dịu 30

2.2 Xây dựng hệ phương trình chuyển động của TLĐH 33

2.2.1 Xây dựng các phương trình chuyển động tổng quát 33

2.2.2 Xác định các tham số phục vụ giải bài toán tính quỹ đạo 36

2.2.3 Các số liệu cơ bản để tính toán quỹ đạo bay của TLĐH 40

2.2.4 Thuật toán ghép nối mô phỏng chuyển động tên lửa 42

2.2.5 Kết quả mô phỏng và phân tích 44

2.3 Xác định trường hợp chịu tải lớn nhất của thân cánh tên lửa 46

2.4 Kết luận chương 2 51

Chương 3 XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ THUẬT TOÁN PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN TÍNH TOÁN TRƯỜNG ỨNG SUẤT - BIẾN DẠNG THÂN VÀ CÁNH TÊN LỬA ĐỐI HẢI 52

3.1 Thiết lập mô hình 52

3.2 Xây dựng thuật toán phương pháp PTHH xác định trường ứng suất - biến dạng thân TLĐH sử dụng phần tử tấm phẳng dạng tam giác 53

3.2.1 Xác định ma trận độ cứng phần tử tam giác đối với trạng thái màng 55

3.2.2 Xác định ma trận độ cứng của phần tử tam giác phẳng chịu uốn [Kue] 59

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 68

3.2.4 Chuyển hệ trục tọa độ 70

3.3 Xây dựng thuật toán phương pháp PTHH xác định trường ứng suất - biến dạng cánh TLĐH sử dụng phần tử tấm phẳng dạng tam giác 72

3.4 Kiểm chứng tính đúng đắn của mô hình toán 76

3.5 Kết luận chương 3 79

Chương 4 KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ THAM SỐ ĐỘNG HỌC, ĐỘNG LỰC HỌC ĐẾN ĐỘ BỀN KẾT CẤU THÂN VÀ CÁNH TÊN LỬA ĐỐI HẢI 81

4.1 Mô hình tính toán 82

4.2 Nghiệm bền kết cấu thân cánh tên lửa trong một số trường hợp chịu tải nguy hiểm 87

4.2.1 Nghiệm bền kết cấu thân tên lửa 87

4.2.2 Nghiệm bền kết cấu cánh nâng 93

4.2.3 Nghiệm bền kết cấu cánh lái 97

4.3 Khảo sát ảnh hưởng của vận tốc bay hành trình đến độ bền kết cấu thân tên lửa 101

4.4 Khảo sát ảnh hưởng của vận tốc bay hành trình đến độ bền kết cấu cánh nâng 102

4.5 Khảo sát ảnh hưởng của một số tham số đến độ bền kết cấu cánh lái 103

4.5.1 Ảnh hưởng của vận tốc 103

4.5.2 Ảnh hưởng của góc lệch cánh lái 104

4.6 Kết luận chương 4 105

KẾT LUẬN 107

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BỐ 109

TÀI LIỆU THAM KHẢO 110 PHỤ LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

[A] ma trận đàn hồi tấm ở trạng thái màng

C đạo hàm hệ số lực pháp của cánh lái theo αCL

[D] ma trận đàn hồi tấm ở trạng thái uốn

E môđun đàn hồi vật liệu

F lực tác dụng tương đương của các lực ngoài tác động lên hệ thống

Fa tiết diện mặt cắt thoát khí của ống phóng

Fđco lực đẩy động cơ

F0đco lực đẩy động cơ ở mực nước biển

f_xz toạ độ tâm áp trên trục Ox tính theo mặt phẳng nâng Oxz

f_xy toạ độ tâm áp trên trục Ox tính theo mặt phẳng dạt ngang Oxy {F*e} véctơ lực trong hệ tọa độ tổng thể

{g} véctơ lực khối tác dụng lên phần tử

[H] ma trận tính ứng suất

[Hm] ma trận ứng suất – chuyển vị trạng thái màng

[Hue] ma trận ứng suất – chuyển vị phần tử chịu uốn

mômen quán tính của tên lửa trong hệ tọa độ liên kết Oxyz

Kc động lượng của hệ thống

, ,

x y z

J J J

n x , n y , n z hệ số quá tải theo phương Ox, Oy, Oz

véctơ tải trọng nút gồm các phần tử đã biết

 P 2 véctơ tải trọng gồm các phần tử chưa biết còn lại trong  P

P

  véctơ tải trọng nút tổng thể

 P' véctơ tải trọng nút tổng thể trong hệ tọa độ x’y’z’

p áp suất của không khí

po áp suất khí quyển ở mực nước biển

pH áp suất khí quyển ở độ cao H

 2b

q véctơ chứa tất cả các bậc tự do đã biết

 q 1 véctơ chứa các bậc tự do chưa biết còn lại trong  q

{q}e véctơ chuyển vị nút của phần tử trong hệ tọa độ xyz

{q’}e véctơ chuyển vị nút của phần tử trong hệ tọa độ tổng thể x’y’z’

R số nút của cả hệ

R* hằng số khí động

r số nút của phần tử

Sa tiết diện mặt cắt thoát khí của loa phụt

SP diện tích của cánh lái

s số bậc tự do của một nút

[T]e ma trận chuyển các thành phần chuyển vị nút từ hệ tọa độ tổng thể

x’y’z’ sang hệ tọa độ xyz

[T] ma trận chuyển hệ trục tọa độ

[T*] ma trận các cosin chỉ phương

u,v chuyển vị trong mặt phẳng theo trục Ox và Oy tương ứng

{u(x,y,z)} véctơ chuyển vị

X tổng lực cản dọc trục tác dụng lên tên lửa

X1d lực cản hoặc lực cản hút sau ống phụt của động cơ

X1B lực hướng trục của áp suất

X1TP lực ma sát dọc trục

X1 lực khí động dọc trục

xd khoảng cách từ đỉnh tên lửa đến tâm áp

xd.CT khoảng cách từ đỉnh tên lửa đến tâm áp của tấm ổn định

x tọa độ tâm khối khoang i

x, y, z hệ tọa độ địa phương

x * , y * , z * hệ tọa độ địa tổng thể

Y tổng lực pháp tuyến tác dụng lên tên lửa

Y1 lực pháp tuyến hay lực khí động hướng sườn

góc nghiêng cánh lái kênh nghiêng.

 véctơ ứng suất ở trạng thái màng

  ue véctơ chuyển vị phần tử chịu uốn

  *e véctơ chuyển vị trong hệ tọa độ tổng thể

e thế năng toàn phần của phần tử

góc nghiêng quỹ đạo

x , y góc xoay theo hướng x, y tương ứng

tốc độ góc tên lửa trong hệ tọa độ liên kết Oxyz

 hệ số lực cản cảm ứng của cánh lái xuất hiện khi αCL ≠ 00

góc hướng quỹ đạo

góc hướng

TLĐH tên lửa đối hải

KL tải trọng khối lượng các khoang

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang

Bảng 2.1 Bảng đặc trưng khối lượng quán tính tên lửa 37

Bảng 2.2 Bảng các hệ số khí động của tên lửa 39

Bảng 3.1 Các thông số kích thước, tải trọng, vật liệu 77

Bảng 3.2 Bảng so sánh kết quả tính toán 79

Bảng 4.1 Đặc trưng khối lượng và trọng tâm các khoang 82

Bảng 4.2 Tải trọng khối lượng các khoang Si (N) khi phóng 88

Bảng 4.3 Tải trọng tác dụng lên thân tên lửa 91

Bảng 4.4 Ứng suất cực đại thân tên lửa theo số Mach 101

Bảng 4.5 Ứng suất cực đại cánh nâng theo số Mach 102

Bảng 4.6 Ứng suất cực đại cánh lái theo số Mach 103

Bảng 4.7 Ứng suất cực đại cánh lái theo góc lệch 104

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Trang Hình 1.1 TLĐH cơ động hình xoắn ốc trong không gian 11

Hình 1.2 Quỹ đạo kiểu lượn sóng của TLĐH trong mặt phẳng ngang 11

Hình 1.3 Hệ thống thân cánh TLĐH 12

Hình 1.4 Cấu tạo cánh nâng 12

Hình 1.5 Cấu tạo cánh lái 13

Hình 1.6 Cấu tạo cánh ổn định 13

Hình 2.1 Các lực tác dụng lên TLĐH khi bay 16

Hình 2.2 Các thành phần lực khí động 22

Hình 2.3 Cánh lái khí TLĐH 29

Hình 2.4 Chuyển động của tên lửa trong không gian 34

Hình 2.5 Quỹ đạo bay điển hình của TLĐH 41

Hình 2.6 Sơ đồ thuật toán ghép nối mô phỏng chuyển động tên lửa 42

Hình 2.7 Quỹ đạo chuyển động trong mặt phẳng thẳng đứng với góc phóng 0° 44

Hình 2.8 Quỹ đạo chuyển động trong mặt phẳng nằm ngang với góc phóng 0° 44

Hình 2.9 Quỹ đạo chuyển động trong mặt phẳng thẳng đứng với góc phóng 45° 45

Hình 2.10 Quỹ đạo tên lửa trong mặt phẳng ngang khi góc phóng bằng 45° 45

Hình 2.11 Đồ thị quá tải dọc nx 47

Hình 2.12 Hệ số quá tải ngang thân tên lửa 47

Hình 2.13 Phối trí cánh nâng tên lửa 48

Hình 2.14 Góc tấn làm việc của cánh nâng 49

Hình 2.15 Góc tấn làm việc của cánh lái 50

Hình 3.1 Xấp xỉ bề mặt thân và cánh TLĐH bằng tổ hợp phần tử tấm phẳng dạng tam giác 52

Hình 3.2 Chuyển vị và lực nút của phần tử điển hình thân tên lửa 54

Hình 3.3 Tính tương thích dọc cạnh biên chung giữa hai phần tử kề nhau 62

Hình 3.4 Hệ tọa độ tổng thể 71

Hình 3.5 Hình dạng cánh và phần tử tam giác 73

Hình 3.6 Chuyển vị và lực nút của phần tử điển hình cánh tên lửa 73

Hình 3.7 Hướng của phần tử tam giác theo hệ tọa độ tổng thể 75

Hình 3.8 Sơ đồ giải thuật bài toán phân tích cơ học kết cấu vỏ 76

Hình 3.9 Mô hình của kết cấu đối chứng 77

Bảng 3.1 Các thông số kích thước, tải trọng, vật liệu 77

Hình 3.10 Phân bố chuyển vị tổng khi phân tích bằng chương trình 78

Hình 3.11 Phân bố ứng suất tương đương khi phân tích bằng chương trình 78

Hình 3.12 Phân bố chuyển vị tổng khi phân tích bằng ANSYS 78

Hình 3.13 Phân bố ứng suất tương đương khi phân tích bằng ANSYS 79

Hình 4.1 Sơ đồ giải bài toán bằng ANSYS 81

Hình 4.2 Phân bố áp suất bề mặt chảy bao thân cánh tên lửa 85

Hình 4.3 Mô hình lưới thân TLĐH 85

Hình 4.4 Mô hình lưới cánh nâng TLĐH 86

Hình 4.5 Mô hình lưới cánh lái TLĐH 86

Hình 4.6 Sơ đồ chịu tải thân tên lửa khi phóng 87

Hình 4.7 Biểu đồ lực dọc thân tên lửa khi phóng 88

Hình 4.8 Đặt tải trọng tác dụng lên thân khi phóng 88

Hình 4.9 Phân bố ứng suất và biến dạng thân tên lửa khi phóng 89

Hình 4.10 Phân bố ứng suất vỏ khoang K5 khi phóng 89

Hình 4.11 Tải trọng tác dụng lên thân tên lửa khi bay hành trình 90

Hình 4.12 Biểu đồ lực dọc 91

Hình 4.13 Biểu đồ lực cắt và mômen uốn thân tên lửa 91

Hình 4.14 Đặt tải trọng tác dụng khi bay hành trình 92

Hình 4.15 Phân bố ứng suất thân tên lửa 92

Hình 4.16 Phân bố ứng suất thân tên lửa 93

Hình 4.17 Hệ tọa độ khảo sát cụm cánh nâng 94

Hình 4.18 Dạng tải trọng tác dụng lên cánh nâng 94

Hình 4.19 Thiết lập thuộc tính mô phỏng cánh nâng 95

Hình 4.20 Liên kết FSI 95

Hình 4.21 Phân bố áp suất bề mặt cánh nâng 95

Hình 4.22 Phân bố ứng suất cánh nâng 96

Hình 4.23 Áp suất phân bố bề mặt chảy bao cánh nâng 96

Hình 4.24 Phân bố ứng suất cánh nâng 97

Hình 4.25 Hệ tọa độ khảo sát cụm cánh lái 97

Hình 4.26 Thiết lập các điều kiện mô phỏng cánh lái 98

Hình 4.28 Phân bố ứng suất cánh lái khi vòng về hướng chiến đấu 99

Hình 4.29 Phân bố ứng suất cánh lái khi hạ độ cao 100

Hình 4.30 Đồ thị phụ thuộc ứng suất cực đại thân tên lửa theo số Mach 101

Hình 4.31 Đồ thị phụ thuộc ứng suất cực đại cánh nâng theo số Mach 102

Hình 4.32 Đồ thị phụ thuộc ứng suất cực đại cánh lái theo số Mach 103

Hình 4.33 Đồ thị phụ thuộc ứng suất cực đại cánh lái theo góc lệch 104

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của luận án

Tên lửa hiện đại là một hệ thống rất phức tạp Tính toán thiết kế thân cánh tên lửa là một phần rất quan trọng trong quá trình thiết kế cả quả tên lửa Điều kiện làm việc của kết cấu tên lửa được phân thành hai loại: điều kiện làm việc ở mặt đất và trên không Điều kiện làm việc ở mặt đất bao gồm các điều kiện khai thác sử dụng như vận chuyển, bảo dưỡng kỹ thuật, diễn tập, nâng hạ… Điều kiện làm việc khi bay bao gồm các điều kiện tương tác giữa quả đạn với môi trường không khí do bay với tốc độ lớn: các lực khí động và tăng nhiệt khí động

Giải pháp kết cấu thân vỏ tên lửa thông thường là loại thân làm bằng kim loại đồng nhất được thực hiện dưới dạng vỏ trụ tròn, kết hợp vỏ côn tròn có các khung thân ghép nối Như vậy, toàn bộ tải trọng các khoang của thân được vỏ thành mỏng tiếp nhận Hình dạng vỏ này có ưu điểm nhất định so với hình dạng khác về mặt khí động, đơn giản trong chế tạo, phối trí và sử dụng tối đa thể tích bên trong Hệ thống cánh thân cánh tên lửa đối hải (TLĐH) bao gồm hệ thống cánh nâng, cánh lái và cánh ổn định để tạo ra lực nâng, lực điều khiển và mômen điều khiển tại các chế độ bay khác nhau của tên lửa và bảo đảm ổn định chuyển động của tên lửa Đồng thời

để tạo ra lực khí động thay đổi theo trị số, hướng và tạo ra mômen điền khiển và ổn định đảm bảo chế độ bay cho trước của tên lửa Hình dạng bên ngoài của cánh được đặc trưng bởi hình dạng bề mặt của cánh, biên dạng mặt cắt ngang và dạng mép trước của cánh Theo hình dạng bề mặt cánh, cánh có thể hình thang, hình tam giác Đặc tính quan trọng của cánh nâng, cánh lái và cánh ổn định là khả năng ghép nối với thân vỏ tên lửa Các mối ghép có thể là ghép cứng cố định theo điểm hoặc theo toàn bộ đường viền của biên dạng cánh

Yêu cầu cơ bản nhất đối với thiết kế thân cánh tên lửa hành trình đối hải là: kết cấu thân cánh không những phải có đủ độ bền mà còn phải có đủ độ cứng vững Trong điều kiện bay, độ cứng vững kém dẫn đến biến dạng lớn và ứng suất lớn gây

ra sai số đối với hệ thống điều khiển, hay có thể gây ra dao động phá vỡ kết cấu

Như vậy, kết cấu thân, cánh tên lửa là một hệ thống thống nhất vừa tạo lực nâng vừa chịu tương tác với môi trường không khí khi bay và làm việc trong điều kiện hết sức phức tạp và ngặt nghèo Chính vì vậy, việc tính toán độ bền kết cấu thân, cánh là một trong những nhiệm vụ quan trọng hàng đầu trong quá trình thiết

kế, chế tạo, thử nghiệm và trong việc đánh giá khả năng chịu tải đối với các trường hợp tăng tính cơ động trong chiến đấu của tên lửa hành trình đối hải Đây là một công việc nặng nề và tương đối mới mẻ, bởi vì:

- Để thực hiện được cần có sự tham gia của nhiều cán bộ thuộc nhiều chuyên ngành khác nhau, như: khí động, động lực học bay, điều khiển, hệ thống động lực, kết cấu thân cánh, tích hợp hệ thống, thử nghiệm mặt đất, thử nghiệm bay,…

- Phải có cơ sở thực nghiệm đủ mạnh để kiểm chứng, đánh giá kết quả tính toán, kết quả nghiên cứu, thiết kế, chế tạo

Đây là những vấn đề thực sự còn thiếu tại thời điểm hiện nay ở nước ta Để có thể bù lấp được những vấn đề còn thiếu, việc nghiên cứu riêng lẻ từng quá trình bằng sự ứng dụng sự phát triển vượt bậc của công nghệ thông tin và các mô hình toán - lý người ta có thể khảo sát kỹ càng các mô hình đối tượng có hình dạng phức tạp kết hợp với ảnh hưởng đồng thời của rất nhiều yếu tố bằng phương pháp tính

toán, mô phỏng số trên máy tính Do vậy, 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” cũng 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 tượng 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 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu các phương trình cơ bản của lý thuyết đàn hồi làm cơ sở xây dựng mô hình và tính toán kết cấu thân vỏ tên lửa; nghiên cứu nguyên lý chung của phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) để làm cơ sở xây dựng thuật toán tính toán kết cấu thân, cánh Nghiên cứu công cụ giải bài toán phục vụ tính toán kết cấu thân cánh tên lửa bằng phương pháp PTHH

- 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 nguy hiểm phục vụ cho việc tính toán

- 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 mô phỏng 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

Việc sử dụng 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

Chương 4 - 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 để 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 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

Chương 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 nước

1.1.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Thiết kế thân cánh tên lửa là một phần rất quan trọng trong quá trình thiết kế, chế tạo, thử nghiệm tên lửa, mà trước hết là tính toán động lực học bay tên lửa, tính toán quỹ đạo và xác định tải khí động tác dụng lên toàn thể hệ thống thân và cánh tên lửa

Bài toán chuyển động của tên lửa như vật rắn tuyệt đối đã được nhiều tác giả quan tâm nghiên cứu và đã được thể hiện trong các tài liệu [42], [48] và [51] Khi

đó, để nghiên cứu quỹ đạo của tên lửa, người ta đi vào giải quyết bài toán tìm quỹ đạo của tâm khối tên lửa và các chuyển động xoay của nó Các phương trình chuyển động sẽ được rút gọn và có thể tìm được lời giải tích Trong các trường hợp khác người ta sử dụng các phương pháp gần đúng để xác định quỹ đạo của tên lửa Trong quá trình khảo sát chuyển động của tên lửa vấn đề ổn định chuyển động của tên lửa cũng được đặt ra, với đối tượng khảo sát là tên lửa coi như vật rắn tuyệt đối, bài toán này cũng được nghiên cứu khá đầy đủ và là cơ sở của phương pháp điều khiển bay của tên lửa và được thể hiện trong [42] và [48]

Với những tên lửa nhỏ, ngắn hay có độ cứng vững cao thì khi nghiên cứu quỹ đạo có thể bỏ qua sự biến dạng cũng như dao động đàn hồi của thân tên lửa, tuy nhiên đối với những tên lửa dài như tên lửa hành trình hay một số tên lửa đối không thì khi nghiên cứu quỹ đạo nhất thiết phải kể đến sự biến dạng và dao động đàn hồi thân cánh tên lửa Khi nghiên cứu các ảnh hưởng động học và động lực học bay đến

độ bền thân cánh, một số tác giả đã tách riêng biệt nghiên cứu dao động đàn hồi đến chuyển động của tên lửa và được thể hiện trong [42] và [47]

Trong [50], tác giả đã giải bài toán dao động của thân tên lửa khi bay Trong tài liệu này, tác giả đã giải quyết bài toán dao động riêng của thân tên lửa bằng phương pháp bán giải tích, kết quả đã tìm thấy tần số dao động riêng của thân tên

Việc giải bài toán dao động riêng của thân tên lửa sẽ dẫn đến việc giải phương trình vi phân đạo hàm riêng với hai biến là thời gian và tọa độ trong tọa độ liên kết Có nhiều phương pháp giải phương trình vi phân đạo hàm riêng thu được, thường sử dụng nhất là các phương pháp sai phân hữu hạn, PTHH, phương pháp Galerkin, phương pháp phần dư có trọng số [51] Phương pháp phần dư có trọng số

là phương pháp thuần toán học để giải phương trình vi phân đạo hàm riêng và nó cho phép xấp xỉ bởi các đa thức bậc cao, tuy nhiên về mặt cơ học thì nó mô tả chưa sát về các hiện tượng vật lý trong phương trình

Phần lớn các phần tử kết cấu khí cụ bay do yêu cầu giảm trọng lượng nên thường sử dụng kết cấu tấm, vỏ mỏng và được thể hiện trong tài liệu [47] Sự khác nhau về hình dạng hình học của các phần tử hình chữ nhật, hình thang hay hình tam giác này không chỉ là dấu hiệu đơn thuần mang tính hình thức mà xét ở mức độ nào

đó còn phụ thuộc vào phản ứng của kết cấu với hiện tượng đàn hồi khí động của các phần tử và khả năng đáp ứng công nghệ cho các vị trí khác nhau trong dạng hình học của kết cấu, chẳng hạn như vị trí biên của cánh hay vị trí vát của đuôi cánh đòi hỏi chi tiết tấm có hình dạng tương ứng

Trong các tài liệu [47] và [51], các tác giả đã đưa ra các dạng bài toán tính bền cho các loại kết cấu thành mỏng của thân tên lửa với các dạng kết cấu khác nhau

Sơ đồ kết cấu chịu lực thể hiện ở sự phân bố tương đối của các phần tử chịu lực chính của kết cấu như vỏ, các tổ hợp chịu lực dọc và ngang Các tác giả phân tích các phần tử chịu lực tiếp nhận các loại tải trọng tác dụng lên thân Sơ đồ chịu lực và kết cấu thân tên lửa thực tế hết sức phức tạp do sự đa dạng của các loại tải trọng, đặc trưng phân bố khối lượng và các thiết bị bên trong, yêu cầu độ cứng vững của thân …

Các tác giả đã phân tích và phân loại sơ đồ kết cấu thành mỏng có gân tăng cường dọc hoặc ngang, hoặc vỏ có kết cấu dạng tổ ong Trong đó: kết cấu thành mỏng đơn giản nhất là loại không có gân tăng cường dọc và ngang, được tạo thành

từ vật liệu đồng nhất kim loại hoặc phi kim, nó được cấu tạo chỉ hai thành phần vỏ

và khung thân Trong nhiều trường hợp, các khung thân chỉ được dùng để liên kết

các khoang với nhau Với mỗi phần tử chịu lực, các tác giả lại chia ra thành các trường hợp chịu tải khác nhau Trên cơ sở đó các tác giả đã đưa ra các công thức tính toán độ bền phục vụ thiết kế các phần tử dạng vỏ trụ trơn, vỏ côn trơn chịu nén đúng tâm và lệch tâm và tính được trạng thái ứng suất tới hạn khi mất ổn định, vỏ

có gân tăng cường, vỏ trụ và côn chịu áp lực ngoài và trong phân bố, chịu cắt, chịu xoắn, chịu uốn Đồng thời các tác giả cũng trình bày các bài toán kiểm bền đối với các kết cấu chịu lực điển hình như khung tên lửa Từ đó, các tác giả đề xuất các công thức thiết kế các phần tử của thân tên lửa và có kết hợp với các hằng số thực nghiệm để phục vụ cho các nhà thiết kế kết cấu thân tên lửa

1.1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước

Ở trong nước, việc nghiên cứu bài toán đàn hồi, dao động, ổn định của thân cánh tên lửa tuy bắt đầu khá muộn so với các nước khác trên thế giới, nhưng cũng

có nhiều nhà khoa học quan tâm và đạt được những kết quả nhất định

Trong [27], nhóm tác giả đã tiến hành nghiên cứu khí động học của khí cụ bay, nghiên cứu dòng chảy bao quanh vật thể, phân vùng tốc độ bay Kết quả nghiên cứu đã đưa ra bức tranh vật lý dòng chảy bao xung quanh vật thể rắn và khi chảy bao quanh vật thể rắn, dòng chảy không khí sẽ bị biến dạng, dẫn đến sự biến đổi của vận tốc, áp suất, nhiệt độ và tỉ trọng các tia nhỏ của dòng chảy Từ đó, nhóm tác giả đã nghiên cứu các đặc trưng hình học của bề mặt nâng của khí cụ bay, như cánh nâng, profile cánh, đặc trưng hình học của thân bao gồm phần đầu của vật thể tròn xoay có dạng hình nón, dạng parabol, phần thân hình trụ và phần đuôi dạng côn Từ đó xây dựng phương pháp tính các lực và mômen khí động của khí cụ bay

và tổng hợp các lực khí động tác dụng lên khí cụ bay khi chúng tương tác với dòng chảy ngoài Đồng thời, trong tài liệu này nhóm tác giả cũng nghiên cứu phương pháp xác định đặc trưng khí động của khí cụ bay làm cơ sở để tính toán các hệ số lực nâng, tính toán lực nâng, lực điều khiển cánh lái khí cụ bay

Trong [26], nhóm tác giả đã nghiên cứu phương pháp xác định một số thông

số khí động của TLĐH trong môi trường ANSYS CFX Công trình đã đưa ra phương pháp mô phỏng số trong CFX mô tả dòng chảy bao quanh thân cánh TLĐH,

kết quả nhận được các hệ số lực nâng phụ thuộc vào góc tấn và tốc độ bay và so sánh với kết quả của phương pháp bán thực nghiệm cho sai số chấp nhận được Trong tài liệu này, mô hình thân cánh TLĐH được chia lưới gồm các phần tử tam giác phẳng được xấp xỉ cho các bề mặt cong của thân và cánh Lưới được chia không đều cho các vùng của thân và cánh tên lửa, theo nguyên lý những vùng quan tâm thì mật độ lưới càng dày và kích thước phần tử tam giác càng nhỏ để đảm bảo

độ chính xác của kết quả tính toán theo phương pháp PTHH

Trong [5], nhóm tác giả đã nghiên cứu và đưa ra phương pháp thiết kế đạn đạo TLĐH Kết quả nghiên cứu nhóm tác giả đã trình bày cơ sở lý thuyết và đưa ra hệ phương trình chuyển động của khí cụ bay phục vụ tính toán động lực học tên lửa, đã

đề xuất số liệu đầu vào trong bài toán thiết kế đạn đạo tên lửa, đề xuất sơ đồ khối thuật toán thiết kế đạn đạo TLĐH phục vụ tính toán quỹ đạo tên lửa trong giai đoạn thiết kế sơ bộ Đồng thời, nhóm tác giả cũng nghiên cứu mô phỏng động lực học bay trong môi trường Malab-Simulink kết hợp với công cụ phần mềm chuyên dụng FDC 1.3 (Fligh Dynamic Control) Trên cơ sở mô phỏng động lực học của thiết bị bay có điều khiển cho phép không chỉ xác định các tham số của hệ thống điều khiển

mà còn đánh giá ảnh hưởng của các tham số thiết kế đặt ra

Trong các tài liệu [6] và [22], nhóm tác giả đã nghiên cứu tính toán kết cấu, độ bền và thiết kế kết cấu khí cụ bay Trong các công trình nghiên cứu này đã trình bày kết quả và đặc tính chung kết cấu thiết bị bay, phương pháp xác định tải trọng tác dụng lên kết cấu thân cánh tên lửa, trình bày sâu về các phần tử kết cấu điển hình, trạng thái làm việc của chúng, phân tích độ bền và khả năng chịu tải của các kết cấu thiết bị bay, đã đưa ra sơ đồ, phương pháp tính độ bền, độ ổn định, độ cứng vững các phần tử của thân, vỏ, cánh lái, cánh nâng và các chi tiết, cụm chi tiết của thiết bị động lực của thiết bị bay

Trong các tài liệu [19] và [20], nhóm tác giả đã nghiên cứu tính toán tải trọng khí động tác dụng lên cánh lái vật bay dưới âm và tính toán thiết kế cụm cánh lái - khung thân vật bay chịu tải trọng khí động Trong công trình này nhóm tác giả đã xây dựng mô hình tính toán cụm cánh lái - khung thân, giả thiết cánh lái là tấm

côngxôn phẳng xoay được nằm trên trục và có mặt phẳng giữ cánh song song với trục thân vật bay Trục quay nằm trên gối trượt và nối với trục của máy lái qua thanh truyền Cánh lái được ghép nối với khung đỡ cánh qua trục quay và tai đỡ ngõng trục Khung thân vừa đảm nhiệm đỡ cánh lái và có chức năng ghép nối với

vỏ vật bay của khoang máy lái và các khoang khác của thân vật bay Kết quả nghiên cứu đã đưa ra phương pháp tính toán thiết kế cụm cánh lái - trục quay - khung đỡ thân cánh - ổ trượt - tai đỡ ngõng trục phục vụ tính toán thiết kế thân cánh TLĐH Trong tài liệu [21], nhóm tác giả đã giải bài toán dao động riêng của tấm mỏng

có chiều dày thay đổi và hình dạng phức tạp bằng phương pháp PTHH khi sử dụng phần tử tấm phẳng dạng tam giác Kết quả đã tìm thấy tần số dao động riêng của các loại tấm mỏng hình chữ nhật, hình thang, hình tam giác phục vụ cho tính toán thiết

kế cánh lái, cánh nâng của TLĐH

Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển nhảy vọt của kỹ thuật tính toán và công cụ tính toán, rất nhiều bài toán mà trước đây chỉ sử dụng các phương pháp giải tích [6], [20], [22], [42], [47], [48], [50] và [51], thì nay có thể thực hiện được bằng phương pháp số trên máy tính điện tử, trong đó phương pháp sai phân hữu hạn, phương pháp PTHH, phương pháp phần tử biên

Tư tưởng cơ bản của phương pháp sai phân hữu hạn là biểu thị các đạo hàm hoặc đạo hàm riêng trong phương trình bằng hiệu của các giá trị hàm tương ứng giữa một khoảng chia hữu hạn Tại mỗi điểm chia của các khoảng gọi là lưới có thể viết một phương trình biểu thị phương trình vi phân bằng sai phân hữu hạn Cùng với điều kiện cũng được biểu thị bằng sai phân hữu hạn, người ta có thể thiết lập một hệ phương trình đại số cho phép xác định các giá trị bằng số hàm cần tìm tại những điểm tính Quá trình tính toán không đòi hỏi những biến đổi toán học phức tạp và rất thuận lợi cho việc lập trình trên máy tính

Tư tưởng của phương pháp PTHH là trên cơ sở của nguyên lý năng lượng tối thiểu sử dụng phương pháp nội suy qua các hàm xấp xỉ chuyển vị, điều kiện cân bằng phân tố được thay thế bằng điều kiện cân bằng phần tử có kích thước hữu hạn, với số bậc tự do hữu hạn, từ đó thay các phương trình vi phân cân bằng bởi hệ

phương trình vi phân đại số tuyến tính, các quan hệ vật lý được biểu diễn dưới dạng

ma trận phù hợp với ngôn ngữ máy tính

Phương pháp phần tử biên tìm lời giải cho phương trình cơ bản của bài toán được đặt dưới dạng tích phân Green của các phương trình vi phân trên miền đang được xét Tuy nhiên, khác với phương pháp PTHH cho các giá trị bằng số của hàm cần tìm tại các điểm nút trên toàn miền đã được rời rạc hóa của miền đang xét, rồi sau đó tiếp tục tính toán cho các điểm trong miền Phương pháp phần tử biên bắt nguồn từ phương trình tích phân biên và phát triển nhờ tiếp thu ý tưởng rời rạc hóa miền lấy tích phân của phương pháp PTHH Mặc dù cơ sở toán học và thuật toán tương đối khó, ma trận của hệ phương trình đại số là ma trận đầy, phương pháp phần tử biên cũng đã được quan tâm và sử dụng ngày càng nhiều trong tính toán kết cấu

Do có tính tổng quát cao nên phương pháp PTHH nhanh chóng được ứng dụng rộng rãi, nhiều bộ chương trình tính toán rất mạnh được dùng để tính toán kết cấu dạng thanh, tấm, vỏ Thuật toán phương pháp PTHH đã được nhiều tác giả trên thế giới và trong nước xây dựng tương đối hoàn chỉnh [30], [33], [36] … Trong điều kiện như vậy, việc tính toán kết cấu thân vỏ, cánh tên lửa không còn gặp khó khăn lớn do hình dạng, tải trọng và điều kiện biên phức tạp gây nên Nhiều mô hình kết cấu hỗn hợp gồm hai hay nhiều loại phần tử thanh, tấm, vỏ làm việc đồng thời

đã được xây dựng để giải bài toán tĩnh và động Tuy nhiên, đi sâu vào các bài toán

độ bền kết cấu dạng tấm vỏ hỗn hợp chịu tác động của lực khí động hay ảnh hưởng của động lực học bay đến sự làm việc của kết cấu thân cánh tên lửa, thì số lượng các nghiên cứu theo phương pháp số còn rất hạn chế

Trong các tài liệu [8], [17] các tác giả đã nghiên cứu, tính toán và đề xuất một

số phương án sử dụng các quỹ đạo bay cơ động phức tạp (cơ động kiểu lượn sóng,

cơ động kiểu xoắn ốc) nhằm tăng cường khả năng tác chiến của TLĐH nhằm vượt hỏa lực phòng không của tàu đối phương Tuy nhiên việc tính toán, kiểm tra độ bền của thân và cánh tên lửa trong các trường hợp cơ động theo các quỹ đạo đó chưa được đề cập đến

Hình 1.2 Quỹ đạo kiểu lượn sóng của TLĐH trong mặt phẳng ngang

Căn cứ các nội dung, tình hình và kết quả nghiên cứu được trình bày trong các công trình khoa học đã được công bố của các tác giả trong và ngoài nước, có thể thấy 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 thuật toán 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 TLĐH

- 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

Hình 1.1 TLĐH cơ động hình xoắn ốc trong không gian

1.2 Tổng quan về kết cấu thân, cánh TLĐH

Kết cấu thân cánh TLĐH 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 cụm cánh 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 Ghép nối các đơn vị lắp và các cụm máy móc được tiến hành thông qua mối ghép mặt bích bu lông đai ốc tháo được Sơ đồ kết cấu và khí động học các khoang được bố trí theo chiều dài thân và có hình parabol của chóp đầu tự dẫn, hình trụ của thân hay hình côn của đuôi quả đạn

Khoang chiến đấu

Khoang thiết bị

Khoang động cơ hành trình

Khoang chuyển tiếp

Khoang ổn định Khoang động cơ phóng

Vỏ

Gốc cánh

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

Kết cấu cụm cánh nâng được liên kết chặt vào thân tên lửa và truyền toàn bộ tải trọng lên thân Mỗi cụm cánh nâng gồm bản cánh và gốc cánh gắn với nhau bởi

Gốc cánh Chốt xoay

Chuôi cánh

Bệ

bay V; góc tấn ; góc trượt cạnh ; góc chúc ngóc 𝜗; góc nghiêng cánh lái 𝛿; góc nghiêng quỹ đạo ; góc hướng quỹ đạo ; góc hướng ; khối lượng tên lửa m; tốc

độ góc ; độ cao bay h; lực đẩy động cơ Fđco

Các tham số động học, động lực học liên quan đến nhau thông qua hệ phương trình chuyển động của tên lửa Giải hệ phương trình chuyển động, xác định được quỹ đạo tên lửa, qua đó xác định được các thời điểm nguy hiểm Tuy nhiên, ảnh hưởng của các tham số động học, động lực học đánh giá được là khác nhau Trong phạm vi nghiên cứu của luận án, chúng tôi lựa chọn hai tham số có ảnh hưởng lớn nhất đến độ bền kết cấu thân, cánh TLĐH đó là vận tốc bay hành trình và góc lệch cánh lái Hai tham số được lựa chọn để khảo sát là hai tham số độc lập với nhau, đồng thời sự thay đổi giá trị lớn nhất của hai tham số này liên hệ trực tiếp đến tính năng chiến kỹ thuật của TLĐH Vì vậy, các kết quả của việc khảo sát sự ảnh hưởng của hai tham số trên về cơ bản có thể đánh giá được độ bền kết cấu thân, cánh TLĐH

1.4 Những vấn đề chung về ứng dụng phương pháp PTHH giải bài toán

cơ học

Phương pháp được sử dụng nhiều nhất để tính toán kết cấu phức tạp là phương pháp PTHH Tư tưởng cơ bản của phương pháp PTHH là thay thế kết cấu liên tục bằng một số hữu hạn các phần tử rời rạc có hình dạng đơn giản Từ việc chọn trước các hàm xấp xỉ chuyển vị cho PTHH, xây dựng ma trận độ cứng và véctơ tải trọng nút tổng thể của toàn bộ kết cấu Sử dụng các nguyên lý biến phân năng lượng sẽ xây dựng được hệ phương trình đại số, trong đó các ẩn số là các chuyển vị của các nút của kết cấu Do đó, việc phân tích kết cấu thực hiện với từng phần tử riêng biệt

đã trở lại toàn bộ kết cấu Điều đặc biệt tiện lợi là hàm chuyển vị chỉ cần thỏa mãn điều kiện liên tục trong phạm vi của PTHH Ưu điểm nổi bật của phương pháp PTHH là có tính hệ thống cao, rất phù hợp cho việc lập trình trên máy tính Có thể

dễ dàng nhận thấy kết quả có độ chính xác cao hơn khi ta chia nhỏ kết cấu, tăng số lượng PTHH tại những miền có tập trung ứng suất Việc tăng số lượng phần tử chỉ làm tăng số ẩn của bài toán mà không làm thay đổi thuật toán

, ,

x y z

  

Qua quá trình nghiên cứu, khảo sát hệ thống thân cánh TLĐH nhận thấy hệ thống này có biên dạng phức tạp, bề mặt vỏ cong liên tục và cánh hình dạng không vuông Vì vậy, việc sử dụng lưới phần tử tấm phẳng dạng tam giác để rời rạc hóa bề mặt thân, cánh tên lửa sẽ có thuận lợi trong việc đơn giản trong quá trình xây dựng tính chất phần tử và thể hiện trong lập trình; đồng thời, phần tử tấm phẳng dạng tam giác cũng thích hợp trong nghiên cứu các vùng tập trung ứng suất và được trình bày trong chương 3 của luận án

1.5 Kết luận chương 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

Đây là các nội dung chính sẽ được thực hiện ở các chương tiếp theo của luận

án

Chương 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC VÀ XÁC ĐỊNH

CÁC TRƯỜNG HỢP CHỊU TẢI LỚN NHẤT

2.1 Tải trọng tác động lên tên lửa trong quá trình chuyển động

Tên lửa được hiểu như là hệ thống cơ học mà toàn bộ khối lượng ở một thời điểm cho trước được gói gọn trong một thể tích giới hạn bởi các bề mặt bên ngoài của vỏ và các cánh lái của tên lửa và bởi mặt phẳng tiết diện đầu ra của ống phụt của động cơ Có các lực bên ngoài sau đây tác dụng lên tên lửa: lực hấp dẫn, các lực khí tĩnh học và khí động học và các lực từ các cơ cấu điều khiển Lực hấp dẫn là lực phân bố khối lượng, nó là tổng hợp của các lực thành phần đặt lên từng phần nhỏ khối lượng của tên lửa Các lực còn lại là các lực bề mặt, cụ thể là các lực khí tĩnh

và các lực khí động lực học được tạo ra từ các lực thành phần đặt lên mỗi đơn vị diện tích của bề mặt vỏ tên lửa, còn các lực từ các cơ cấu điều khiển cũng được hợp thành từ các lực thành phần theo bề mặt cánh lái Sơ bộ có thể xác định như sau:

Hình 2.1 Các lực tác dụng lên TLĐH khi bay

2.1.1 Lực hấp dẫn

Lực hấp dẫn hay trọng lượng của tên lửa G được biểu diễn bởi công thức quen thuộc:

G = mg (2.1)

Khối lượng tên lửa m được xác định bởi chế độ làm việc của động cơ (bởi mức tiêu thụ tính theo thời gian) từ lúc khởi động động cơ tới thời điểm khảo sát Nếu qua m ta kí hiệu mức tiêu thụ khối lượng tính theo thời gian thì ta có:

mm mdt (2.3) trong đó: tKĐ - là thời điểm động cơ bắt đầu hoạt động, cho tới thời điểm này khối lượng của tên lửa không thay đổi và bằng mKĐ

Nói chung tiêu hao khối lượng tính theo thời gian là không cố định Bởi vậy việc tính khối lượng tên lửa nói chung cần phải thực hiện theo (2.3)

2.1.2 Khí quyển

Khí quyển trái đất là môi trường mà tên lửa bay trong đó Để xác định trị số của các lực tác dụng lên tên lửa cần phân biệt các đặc trưng cơ bản của môi trường: mật độ, áp suất và nhiệt độ

Các đại lượng này phụ thuộc mạnh vào một loạt yếu tố: độ cao so với mặt đất,

vĩ độ, thời gian trong năm và thời gian trong một ngày đêm Nhưng thực tế người

ta chỉ lưu ý đến các đặc trưng của khí quyển vào độ cao Sự phụ thuộc này được cho

ở các bảng khí quyển chuẩn để được sử dụng khi tính toán các quỹ đạo

Nhiệt độ T, áp suất p và mật độ không khí  liên quan với nhau và liên quan với độ cao so với mặt đất bởi phương trình trạng thái, [52]:

0

epp

độ ổn định của tên lửa nên có thể bỏ qua Thường người ta giả thiết rằng lực đẩy của động cơ chính đặt lên vị trí gắn khung động cơ với thân Các thành phần lực đẩy của khí nén máy lái đặt lên vị trí gắn thân máy lái Do dung sai chế tạo xuất

hiện độ lệch tâm của lực đẩy nhưng khi tính độ bền thường được bỏ qua Giá trị lực

đẩy động cơ chính và máy lái tăng lên theo độ cao bay theo biểu thức, [48]:

Fđco = F0đco + Sa(p0 - pH) (2.8) Trong đó: F0đco - lực đẩy động cơ ở mực nước biển

Sa - tiết diện mặt cắt thoát khí của loa phụt

p0- áp suất khí quyển ở mực nước biển

pH- áp suất khí quyển ở độ cao H

Giá trị lực đẩy động cơ ở mực nước biển F0đco phụ thuộc vào tốc độ tiêu hao nhiên liệu của động cơ theo giây m NL, tốc độ dòng sản phẩm cháy w a, áp suất dòng

khí ở mặt cắt loa phụt p a , áp suất khí quyển p và tiết diện mặt cắt loa phụt, [48]:

0 co

2.1.4 Các lực khí động

Các lực khí động là kết quả sự tác động của môi trường lên bề mặt tên lửa khi

nó chuyển động Từ bề mặt chung S của tên lửa ta phân biệt bề mặt ngoài của vỏ Se

và phần mặt phẳng của tiết diện ra loa phụt Sa Bề mặt của các cánh lái khí và các lực tác dụng lên nó lúc này ta chưa khảo sát Nói chung tác dụng lên từng đơn vị diện tích bề mặt là lực pháp tuyến (kí hiệu dS) và lực tiếp tuyến (kí hiệu dS) ( - lực pháp tuyến;  - lực tiếp tuyến)

Lực tổng cộng tác dụng lên một đơn vị diện tích bề mặt tên lửa được kí hiệu là

Nếu tên lửa đứng yên thì  = 0 và  = p ( p- áp suất của không khí ) Khi tên lửa chuyển động  0 và  p Hiệu số: '

là áp suất còn dư của không khí tác dụng lên bề mặt tên lửa

Lực R xuất hiện do tác dụng của không khí lên toàn bề mặt tên lửa bằng:

pdS pdS R S

(2.12)

* Đối với tên lửa đứng yên áp suất không khí theo toàn bộ bề mặt tên lửa bị triệt tiêu: R = 0 (2.13) nhưng mỗi một tích phân:

e

S pdS

 và

a

S pdS

p dS

a

H S

S

H dS p dS p

* Đối với tên lửa chuyển động, mỗi tích phân tham gia vào công thức (2.12) trên cơ sở biểu thức (2.9) được chia thành tổng của 2 tích phân:

S dS

 và

S dS



 cũng như được xác định bởi các tổng của các tích phân như vậy được gọi là lực khí động Lực khí động trở nên bằng 0 đối với tên lửa đứng yên cũng như đối với các phần riêng của bề mặt tên lửa Công thức (2.16) và (2.12) chỉ ra rằng lực R mà không khí tác dụng lên toàn

bộ bề mặt tên lửa khi động cơ không làm việc là lực khí động có tên gọi là lực khí động toàn phần

Có thể bỏ qua chuyển động của không khí ở tiết diện ra của ống phụt, khi đó các lực tiếp tuyến sẽ biến mất: 0

Ta kí hiệu đại lượng không đổi này là '

d Áp suất không đổi '

Ta sẽ gọi X1d là lực cản hoặc lực cản hút sau ống phụt của động cơ Ta nhận thấy rằng lực cản hút được tạo ra không chỉ ở phía sau ống phụt mà cả ở phía sau các diện tích đầu mút khác trên tên lửa, mà các đầu mút đã được tính vào bề mặt ngoài Se Lực cản hút X1de tạo ra do các diện tích đầu mút này sẽ là một phần của

TP S

Như vậy biểu thức (2.11) dựa trên các đẳng thức (2.12), (2.17) - (2.20) có thể viết lại như sau: R = X1B+X1TP+X1d+Y1 (2.21) Tổng của ba số hạng đầu trong (2.21) là lực hướng dọc trục tên lửa, ta sẽ gọi là lực khí động dọc trục và kí hiệu là X1: X1 = X1B+X1TP+X1d (2.22) Cuối cùng ta có: R = X1+Y1 (2.23) Nếu trục tên lửa hướng theo tiếp tuyến đối với quỹ đạo thì dòng chảy quanh tên lửa sẽ đối xứng so với trục của nó Khi đó, ngay cả phân bố áp suất và phân bố lực ma sát cũng sẽ đối xứng, bởi vậy lực khí động pháp tuyến sẽ bằng không Nếu trục tên lửa tạo với tiếp tuyến quỹ đạo của tên lửa một góc  nào đó gọi là góc tấn công thì đối với các loại tên lửa có hình dáng gần như tròn xoay dòng chảy

sẽ đối xứng so với mặt phẳng đi qua trục tên lửa và đi qua tiếp tuyến với quỹ đạo tên lửa Khi đó lực khí động pháp tuyến và cả khí động lực toàn phần sẽ được phân tích ra thành các thành phần ở trong mặt phẳng này

Khi tên lửa bay bình thường góc tấn công thường không lớn - cỡ vài độ Nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết chứng tỏ rằng đối với các góc tấn công như

vậy lực khí động dọc trục và toàn bộ các thành phần của nó ít phụ thuộc vào góc tấn, còn lực khí động pháp tuyến tỉ lệ thuận với góc tấn công:

Ta sẽ tìm các biểu thức cho trị số lực cản trực diện và lực nâng Chiếu các lực

X1 và Y1 lên các hướng tiếp tuyến và pháp tuyến với quỹ đạo ta nhận được:

Giải hệ phương trình (2.25) đối với X1 và Y1 ta sẽ tìm được các sự phụ thuộc ngược:

X 1 = Xcos - Ysin

Y 1 = Xsin + Ycos

hoặc một cách gần đúng:

' 2 1

Chuyến bay với động cơ làm việc Ta sẽ coi phân bố áp suất và lực ma sát theo

bề mặt ngoài vỏ tên lửa không phụ thuộc vào sự làm việc của động cơ, tức là khi bay với động cơ làm việc mọi thứ đối với chúng vẫn như cũ Về phần liên quan đến tiết diện đầu ra của ống phụt thì sự làm việc của động cơ loại trừ bất kỳ tác động nào của môi trường bên ngoài tới mặt phẳng tiết diện này

Kí hiệu áp suất trung bình ở tiết diện đầu ra của ống phụt là pa ta có thể viết:

0 1

a

a a S

Lực p tác dụng lên một đơn vị diện tích bề mặt tên lửa vẫn như trước đây có thể biểu diễn dưới dạng tổng của áp suất khí quyển pháp tuyến pH, áp suất còn dư '

và lực ma sát  Một cách tương ứng tích phân (2.34) có thể viết dưới dạng tổng của các tích phân:

Trong trường hợp tên lửa đứng yên p = pH, '

= 0,  = 0 và chỉ có lực khí tĩnh tác dụng lên tên lửa từ phía bề mặt ngoài:

0 1

Các lực khí động pháp tuyến trùng nhau khi động cơ làm việc và không làm việc, còn các lực dọc trục khác nhau một lượng là lực cản hút sau ống phụt:

Y 1P.D =Y 1 , X 1P.D = X 1B + X 1TP = X 1 - X 1D (2.41)

Các công thức chuyển (2.26) từ các lực khí động dọc trục và pháp tuyến sang lực cản trực diện và lực nâng cũng như các biểu thức (2.29) - (2.32) đối với các lực này giữ nguyên dạng của mình cho trường hợp tên lửa bay với động cơ đang làm việc

2.1.5 Các lực điều khiển

Toàn bộ các tham số được đo và điều chỉnh bởi hệ thống điều khiển, có thể rất

đa dạng Trong khuôn khổ nội dung của luận án này chúng ta chỉ khảo sát hệ điều khiển chỉ điều chỉnh các tham số góc chuyển động của tên lửa xung quanh trọng tâm

Hệ thống điều khiển cần phải gồm các phần tử nhạy cảm phản ứng với sự lệch của tên lửa so với quy luật chuyển động cho trước và đo các độ lệch này, nó gồm các cơ cấu chấp hành tạo ra các lực cần thiết để thay đổi chuyển động tên lửa và gồm các thiết bị biến đổi tiếp nhận các tín hiệu từ các cảm biến, thiết bị đo và tạo ra các lệnh đưa tới cơ cấu chấp hành

Vì tên lửa trong chuyển động có ba bậc tự do so với trọng tâm (, , ), các cơ cấu chấp hành của hệ thống điều khiển cũng cần có ba bậc tự do Khi số bậc tự do của cơ cấu điều khiển ít hơn chúng ta không thể xác định được chuyển động của tên lửa xung quanh trọng tâm theo tất cả ba bậc tự do Khi sử dụng số bậc tự do lớn hơn bài toán điều khiển trở nên bất định bởi vì trong trường hợp này tương ứng với chuyển động cho trước của tên lửa không phải là một quy luật nhất định của các cơ cấu điều khiển mà là vô số các quy luật như vậy Nhưng với điều kiện số bậc tự do của các cơ cấu điều khiển bằng 3 sẽ tồn tại không hạn chế số khả năng thực hiện cụ thể các cơ cấu này

Cũng hoàn toàn như thế, các cảm biến và thiết bị đo của hệ thống điều khiển

có thể được thực hiện theo nhiều nguyên tắc rất khác nhau, dưới các hình thức khác nhau

Bởi vậy các phương trình liên kết chuyển động của các cơ cấu điều khiển với chuyển động của tên lửa (có tên là các phương trình điều khiển) có thể có dạng hoàn