Bài viết trình bày kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ số giữa chiều dài và đường kính lõi xuyên đến khả năng xuyên thép của đầu đạn xuyên động năng bằng phương pháp mô phỏng số; đánh giá kết quả nhận được với kết quả thử nghiệm.
Trang 1NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA TỈ SỐ GIỮA CHIỀU DÀI VÀ ĐƯỜNG KÍNH LÕI XUYÊN ĐẾN KHẢ NĂNG XUYÊN THÉP
CỦA ĐẦU ĐẠN XUYÊN ĐỘNG NĂNG
Nguyễn Đình Hùng1*, Bùi Ngọc Hưng2, Đặng Hồng Triển3, Trần Đình Thành4
Tóm tắt: Bài báo trình bày kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ số giữa chiều
dài và đường kính lõi xuyên đến khả năng xuyên thép của đầu đạn xuyên động năng bằng phương pháp mô phỏng số; đánh giá kết quả nhận được với kết quả thử nghiệm Kết quả nghiên cứu đóng góp cơ sở lý luận khoa học phục vụ cho việc tính toán, thiết kế lõi xuyên khi thiết kế, chế tạo đạn xuyên động năng
Từ khóa: Tỉ số L/D; Xuyên thép; Đạn xuyên động năng; Lõi xuyên
1 ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong những năm gần đây, đầu đạn xuyên bắn trên súng bộ binh được phát triển và đưa vào trang bị nhằm tiêu diệt mục tiêu bọc thép nhẹ, phương tiện kỹ thuật cũng như mục tiêu sinh lực mặc giáp Bên cạnh đầu đạn xuyên truyền thống (xuyên thường, xuyên cháy, xuyên cháy vạch đường) với lõi xuyên bằng thép tôi (thép các bon chất lượng cao và được nhiệt luyện đặc biệt) hoặc thép vonfram [2], những đầu đạn xuyên mới theo nguyên lý đầu đạn xuyên dưới cỡ dạng lưu tuyến, xuyên dưới cỡ dạng thoát vỏ cũng được áp dụng vào đầu đạn súng xuyên nhằm nâng cao uy lực Đồng thời, do sinh lực ngày càng được che chắn và bảo vệ tốt hơn, các nguyên lý cấu tạo đầu đạn xuyên cũng được áp dụng đối với đầu đạn dùng để tiêu diệt sinh lực địch Trong quân đội ta, các nhà nghiên cứu đã thiết kế, chế tạo thành công tại Việt Nam đạn súng xuyên thép 7,62x39 mm (hình 1) bắn trên súng tiểu liên AK, AKM [1, 2]
Hình 1 Đạn xuyên thép 7,62 x 39 mm (K56):
1- Vỏ đầu đạn; 2- Lõi xuyên; 3- Áo đạn; 4- Liều phóng
Khả năng xuyên thép của đầu đạn chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố, trong đó, hình dáng, kết cấu và vật liệu lõi xuyên là quan trọng nhất; ngoài ra còn phải kể tới hình dáng, kết cấu và vật liệu mục tiêu; điều kiện khi đầu đạn va chạm vào mục tiêu,…)
Hiện tượng va đập tốc độ cao của đầu đạn bằng cỡ có tỉ lệ L/d (L – Chiều dài đầu đạn,
d – Đường kính đầu đạn) nhỏ hoặc đầu đạn có mũi dạng hình cầu vào mục tiêu có bề dày
lớn thường xảy ra theo bốn giai đoạn (hình 2): giai đoạn ban đầu, giai đoạn ổn định, giai đoạn tạo lỗ và giai đoạn phục hồi [4, 9, 10] Trong các giai đoạn trên, giai đoạn ban đầu phụ thuộc nhiều vào kết cấu phần mũi lõi xuyên; giai đoạn thâm nhập ổn định phụ thuộc
vào tỉ lệ L/d Tỉ lệ L/d càng lớn thì thời gian va xuyên càng dài và do đó, ảnh hưởng trực
tiếp đến chiều sâu xuyên của đầu đạn xuyên động năng
Các nghiên cứu về ảnh hưởng của đầu đạn vào mục tiêu nói chung và lõi xuyên vào mục tiêu nói riêng được công bố chủ yếu tập trung vào đầu đạn bằng cỡ, kết cấu đồng nhất Theo [10], kích thước lỗ xuyên thay đổi lớn hơn khi thử nghiệm thực tế với việc thay
đổi tỉ số L/d từ 1 đến 32 của đầu đạn bằng cỡ chế tạo từ hợp kim vonfram (m p = 52 gam,
Trang 2v p = 2000 m/s) vào mục tiêu bán vô hạn (hình 3) Khi tăng tỉ số L/d, chiều sâu xuyên cũng
tăng theo
Hình 2 Các giai đoạn xuyên thép
Hình 3 Lỗ xuyên của đầu đạn hợp kim vonfram khi thay đổi tỉ số L/d
Nếu chiều sâu xuyên được hiểu là hiệu quả theo chiều dọc đạn, còn đường kính lỗ
xuyên được hiểu là hiệu quả theo chiều ngang thì khi thay đổi L/d, hai đại lượng trên có xu
hướng biến đổi trái ngược nhau Trong [11] đã mô phỏng và khảo sát va xuyên của đầu
đạn bằng cỡ dạng hình trụ, mũi hình cầu, làm bằng thép У12, khối lượng 65g vào bản thép
45 bề dày khác nhau, kết quả cho thấy khi tăng tỉ số L/d từ 5 lên 10, vận tốc xuyên thủng
giới hạn vào các bản thép giảm khoảng 8,6-10% Như vậy, tỉ số L/d của lõi xuyên có ảnh
hưởng rất lớn đến khả năng xuyên thép của đầu đạn xuyên động năng Để nghiên cứu phát
triển các loại đạn súng xuyên, cần phải có những nghiên cứu lý thuyết, kết hợp với thực
nghiệm về ảnh hưởng của tỉ số này trong các điều kiện cụ thể để tạo ra cơ sở dữ liệu phục
vụ tính toán, thiết kế các loại tương tự
Trang 32 MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH XUYÊN THÉP CỦA ĐẦU ĐẠN SÚNG XUYÊN VÀO BẢN THÉP ĐỒNG NHẤT
Theo [1], đạn xuyên giáp 7,62x39 mm có khả năng xuyên thủng áo giáp chống đạn cấp III+ của Việt Nam với tỉ lệ không nhỏ hơn 80% (khi bắn 06 viên, ít nhất có 05 viên xuyên
thủng ở khoảng cách 15 m) hoặc xuyên qua bản thép đồng nhất CT-3 dày 18 mm, đặt cách
miệng nòng 100 m cũng với tỉ lệ không nhỏ hơn 80% (khi bắn 10 viên, ít nhất có 08 viên
xuyên thủng) Do đó, để giải quyết vấn đề này, nhóm tác giả xây dựng mô hình với mục
tiêu là bản thép đồng nhất dày 18 mm bằng phần mềm ANSYS AUTODYN để mô phỏng quá trình xuyên này
2.1 Mô hình khảo sát
Xem xét bài toán va xuyên giữa đầu đạn xuyên giáp 7,62x39 mm và mục tiêu Do vỏ bọc ảnh hưởng ít tới quá trình va xuyên, để đơn giản hóa bài toán, xem xét quá trình va xuyên của lõi xuyên và mục tiêu
Lõi xuyên làm bằng cacbit vonfram, dạng hình trụ, phần mũi có dạng côn kết hợp với chỏm cầu – đây là kết cấu thông dụng của đầu đạn xuyên thép hiện đại Các kích thước chính của lõi xuyên như trên hình 4 Mục tiêu là bản thép đồng nhất, bề dày 18mm, kích thước bề mặt 100x100 mm – đây là kích thước đủ lớn để nghiên cứu quá trình va xuyên của đầu đạn vào mục tiêu (theo [8], ảnh hưởng của sóng va đập đến quá trình xuyên nằm trong phạm vi dưới 6 lần cỡ đạn) Tại thời điểm ban đầu, lõi xuyên chuyển động tịnh tiến đến va chạm vuông góc với bề mặt mục tiêu Vận tốc va chạm của đầu đạn được tính toán dựa trên vận tốc đo được V25 của đầu đạn và thông số tài liệu thiết kế [1] và các bài toán thuật phóng ngoài [2, 3]
Hình 4 Lõi xuyên đạn 7,62x39 mm (K56)
Để đánh giá ảnh hưởng của tỉ số L/d, tiến hành khảo sát quá trình va xuyên của 06 lõi xuyên có các tỉ số L/d thay đổi nhưng đảm bảo khối lượng của lõi xuyên là không đổi (m loi = 5,297 gam), thay đổi tham số L dựa trên tham số thiết kế 21,73 theo tài liệu thiết kế
ta có tham số đường kính lõi xuyên tương ứng, các tham số L/d khảo sát như sau (bảng 1)
Bảng 1 Thông số L/D các mẫu lõi xuyên khảo sát mô phỏng
Khi mô phỏng, thực hiện xây dựng mô hình hình học trên ứng dụng Design Modeler tích hợp sẵn trong ANSYS Workbench [7] Xây dựng mô hình 2D và sử dụng trục đối xứng để tiết kiệm dung lượng bộ nhớ của máy tính
Trang 4Mô hình phần tử hữu hạn (hình 5) được xây dựng trên ANSYS Explicit Dynamics, sau
đó chuyển sang ANSYS AUTODYN và chỉnh sửa các mô hình vật liệu và đặt các điều
kiện giải bài toán
Hình 5 Mô hình phần tử hữu hạn
Để mô tả cơ tính vật liệu lõi xuyên và bản thép trong điều kiện tương tác tốc độ cao, sử
dụng mô hình dòng chảy dẻo có tính tới tăng bền do tốc độ biến dạng:
- Mô hình tăng bền Johnson Cook: Theo mô hình này, ứng suất chảy động được xác
định theo công thức sau [5, 8, 9]:
p n 1 ln p01 m
Trong đó: A, B, C, m và n – Các hệ số vật liệu được xác định qua thực nghiệm; i p-
Cường độ biến dạng dẻo; e i p0– Cường độ tốc độ biến dạng dẻo; 0
0
nc
T
, T Nhiệt độ
quy đổi (oK), T 0 – Nhiệt độ môi trường (oK), Т nc – Nhiệt độ nóng chảy của vật liệu (oK)
- Phương trình trạng thái Shock [5, 8, 9]:
p p p EE
2
0 0
2
(1 )
H
p c p
s
0
1
H H
p E
p
Vận tốc sóng va đập U được tính theo công thức:
2
UC S u S u ,
Trong đó: C 1 , S 1 , S 2 – Các hệ số; u p – Vận tốc môi trường; – Hệ số Greneisen
Giá trị các thông số vật liệu như trong bảng 2 [5]
Trang 5Bảng 2 Thông số vật liệu lõi xuyên và mục tiêu
(Tung.alloy)
Mục tiêu (Thép 1006)
Phương trình trạng thái Gruneisen
Mô hình bền Johnson Cook
Điều kiện phá hủy:
Sau khi mô phỏng cần xác định chiều sâu xuyên của đầu đạn khi xuyên vào thép đồng
nhất đối với các phương án thiết kế tỉ số L/d của lõi xuyên khác nhau So sánh với kết quả
thực nghiệm để đánh giá khả năng ứng dụng mô hình tính toán mô phỏng
Để tiến hành giải bài toán, bổ sung một số giả thiết như: bỏ qua chuyển động quay của đạn và gia tốc trọng trường
2.2 Các kết quả tính toán
Sau khi giải, nhận được đồ thị vận tốc và hình ảnh khi lõi xuyên sau khi xuyên thủng
mục tiêu ứng với các tỉ số L/d thay đổi như trên các hình 612 Qua các đồ thị này nhận được vận tốc còn lại của lõi xuyên v r khi ra khỏi mục tiêu
Hình 6 Kết quả mô phỏng L/D=3,21, v r = 130,02 m/s
Trang 6Hình 7 Kết quả mô phỏng L/D=3,83, v r = 136,84 m/s
Hình 8 Kết quả mô phỏng L/D=4,48, v r = 138,70 m/s
Hình 9 Kết quả mô phỏng L/D=5,16, v r = 140,86 m/s
Hình 10 Kết quả mô phỏng L/D=5,87, v r = 144,84 m/s
Trang 7Hình 11 Kết quả mô phỏng L/D=6,61, v r = 148,46 m/s
Hình 12 Kết quả mô phỏng L/D=7,37, v r = 152,65 m/s
Căn cứ kết quả tính toán mô phỏng, xây dựng được đồ thị mối quan hệ giữa v r và tỉ số
L/d như trên hình 13:
Hình 13 Mối quan hệ giữa v r và tỉ số L/D
Qua kết quả mô phỏng nhận thấy, hình ảnh va xuyên phù hợp với lý thuyết cũng như các tài liệu tham khảo Các đầu đạn khảo sát đều xuyên thủng bia thép dày 18 mm
130.02
136.84 138.7
140.86
144.84
148.46
152.65
115
120
125
130
135
140
145
150
155
Trang 83 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 3.1 Điều kiện tiến hành thực nghiệm
Để đánh giá khả năng xuyên thép của đầu đạn xuyên động năng 7,62x39 mm, nhóm tác
giả đã thực hiện thử nghiệm với các điều kiện thử như sau:
- Đạn 7,62 x39 mm - số lượng 10 viên, là loại có kết cấu và các kích thước của đầu
đạn, lõi xuyên, áo chì được thiết kế theo Tài liệu thiết kế; thành phần vật liệu, cơ tính của
lõi xuyên, áo chì, vỏ đầu đạn là các vật liệu sẵn có trong nước, có thể đáp ứng được các chỉ
tiêu chiến kỹ thuật [1] Với kết cấu khảo sát, việc tăng chiều dài lõi xuyên so với thiết kế
mẫu là khó khả thi do chiều dài tổng thể của viên đạn và khối lượng chuẩn của đầu đạn
7,62 x 39 mm cũng như các chỉ tiêu thuật phóng khi bắn đạn 7,62x39 mm trên súng AK,
AKM Kết cấu của đạn được trình bày trên hình 14
Hình 14 Kết cấu đầu đạn xuyên giáp 7,62x39 mm
- Súng thử nghiệm được kiểm định định kỳ theo quy định sử dụng thiết bị thử nghiệm
chuyên dụng
- Bia thép mục tiêu là thép CT-3 có độ dày 18 mm đạt yêu cầu theo tiêu chuẩn cơ sở
thử nghiệm
Sơ đồ thử nghiệm được bố trí trên hình 15:
Hình 15 Sơ đồ bố trí thử nghiệm
Cách thức tiến hành thử nghiệm: Mục tiêu đặt cách miệng nòng 100 m Góc hợp giữa
mặt bia và trục nòng súng đạt (90±2) độ Nòng súng đặt vuông góc với mục tiêu; Yêu cầu
khả năng xuyên bia mục tiêu của lõi xuyên không nhỏ hơn 80%
3.2 Kết quả thử nghiệm
10/10 phát xuyên thủng bia, kết quả bắn được thể hiện trên hình 16
a) Chiều dày bia 18 mm b) Mặt trước bia c) Mặt sau bia
Hình 16 Thử nghiệm bắn nghiệm thu đạn 7,62x39 mm xuyên bia thép dày 18 mm
Trang 94 KẾT LUẬN
Tính toán mô phỏng bằng phần mềm ANSYS AUTODYN đã xây dựng được đường
cong mối quan hệ giữa L/D – v r, qua đó đánh giá khả năng xuyên thép của loại đạn thiết
kế với các phương án thiết kế lõi xuyên khác nhau Với đường cong có được, căn cứ vào kết cấu tổng thể của đầu đạn, các thông số của súng cũng như yêu cầu xuyên thép của
đầu đạn vào mục tiêu để lựa chọn tỉ số L/d hợp lý Khi đó, đầu đạn đảm bảo độ bền kết
cấu, ổn định trên đường bay và các chỉ tiêu chiến - kỹ thuật đã đặt ra Thực nghiệm trên
đối với đạn chế tạo theo mẫu đạn 7,62x39 mm khẳng định với tỉ số L/d = 4,48, trong
điều kiện chuẩn đạn đảm bảo xuyên qua bia thép dày 18 mm Kết quả thử nghiệm phù hợp với kết quả tính toán lý thuyết Việc quy định trong tài liệu thiết kế về điều kiện xuyên bia mục tiêu của lõi xuyên không nhỏ hơn 80% là chấp nhận được do thực tế sản xuất có những sai số chi tiết chế tạo, lắp ghép, sai số thuật phóng và điều kiện môi trường thử nghiệm
Như vậy, với bộ tham số vật liệu đã được xác định cùng với các tham số vật liệu trong thư viện ANSYS AUTODYN, sử dụng tính toán mô phỏng quá trình xuyên của đầu đạn xuyên động năng vào bản thép cho kết quả phù hợp với kết quả thử nghiệm, có thể áp dụng trong quá trình thiết kế sản phẩm và đánh giá khả năng xuyên thép của đạn xuyên động năng
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Đề tài cấp Tổng cục Công nghiệp Quốc phòng: “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo đạn
xuyên giáp 7,62×39 mm”
[2] G.A Đanhilin, V.P Ogorodnhicov, A.B Davolocin, (Người dịch: Nguyễn Văn
Thủy, Trần Văn Định, Trần Đình Thành), “Cơ sở thiết kế đạn súng bộ binh”, Học
viện KTQS, 2007
[3] Nguyễn Văn Thọ, Nguyễn Đình Sại, “Giáo trình Thuật phóng ngoài”, Học viện Kỹ
thuật Quân sự, 2003
[4] Nguyễn Đình Hùng, Bùi Ngọc Hưng, Đặng Hồng Triển, Trần Đình Thành, “Nghiên
cứu ảnh hưởng của kết cấu mũi lõi xuyên đến khả năng xuyên thép của đầu đạn xuyên động năng”, Tạp chí Khoa học Kỹ thuật và Công nghệ Quân sự, số 60/2019,
trang 170-177
[5] Autodyn Training Course Ansys Workbench Release 11.0.2006
[6] Hallquist, John O LS-DYNA theoretical manual Livermore Software Technology Corporation, 2006
[7] Jane’s Ammunition Handbook 2001 – 2002
[8] LA-4167-MS May 1 1969 Selected Hugoniots: EOS 7th Int Symp Ballistics Johnson & Cook
[9] Зукас Дж А., Киколас Т., Свифт Х Ф., Грешук Л Б., Курран Д Р и др Динамика удара: пер с англ М., Мир, 1985
[10] Высокоскоростные ударные явления: пер с англ, М., Мир, 1973
[11] Чан Динь Тхань, “Влияние удлинения ударника на предельную скорость
про-бития плиты, Динамика машин и рабочих процессов: cб статей Всероссий-ской научно-техничеВсероссий-ской конференции” Челябинск, изд ЮУрГУ, 2007
Trang 10ABSTRACT
A STUDY ON THE EFFECTS OF PENETRATOR WITH A LENGTH TO DIAMETER
RATIO (L/D) TO PENETRATION CAPABILITY OF ARMOR-PIERCING ROUNDS
Numerical simulations were performed to study the effect of the length to
diameter ratio of penetrator on the penetration capability of armor piercing rounds
Balistic results, deformations of the targets and bullets, the residual velocity yields
were discussed in comparition with the firing results The research results can be of
interest for size and structure selection during design or manufacture of state armor
piercing bullets
Keyword: L/D ratio; Penetration; Armor piercing bullets; Penetrator
Nhận bài ngày 29 tháng 7 năm 2020 Hoàn thiện ngày 05 tháng 10 năm 2020 Chấp nhận đăng ngày 05 tháng 10 năm 2020
Địa chỉ: 1 Viện Vũ khí/Tổng cục Công nghiệp Quốc phòng;
2 Cục Quản lý Công nghệ/Tổng cục Công nghiệp Quốc phòng;
3 Trung tâm Nhiệt đới Việt - Nga;
4 Học viện Kỹ thuật quân sự
*Email: dhungvvk@gmail.com.