Mục đích nghiên cứu của luận án: Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố đến tác dụng xuyên của đầu đạn xuyên thép, làm cơ sở khoa học phục vụ cho thiết kế, sản xuất hay đánh giá các mẫu đạn xuyên mới, các trang bị phòng hộ mới…đáp ứng các yêu cầu của Quân đội.
Trang 2Người hướng dẫn khoa học:
Có thể tìm hiểu luận án tại:
- Thư viện Học viện Kỹ thuật Quân sự
- Thư viện Quốc gia
Trang 31 Nguyễn Quang Dũng, Trần Đình Thành, Trần Bá Tấn,Nguyễn Hữu Công (2016), Nghiên cứu tương tác của đầu đạn12,7mm xuyên cháy với bản thép đồng nhất, Hội nghị KH&CN toànquốc về Cơ khí – Động lực 2016, tập 1 tháng 10/2016, tr 260-264.
2 Nguyễn Quang Dũng, Vũ Đăng Quản (2017), Nghiên cứu sựhội tụ trong mô phỏng tương tác của đầu đạn 7,62mm với bản thép,Tạp chí Cơ khí Việt nam, số 5 năm 2017, tr 31-35
3 Nguyễn Quang Dũng, Đỗ Văn Minh (2017), Nghiên cứu sự
va đập của trụ độ cứng cao vào vật chắn tuyệt đối cứng, Tạp chí Cơkhí Việt nam, số 5 năm 2017, tr 48-52
4 Nguyễn Quang Dũng (2017), Mô phỏng quá trình tương táccủa đầu đạn cỡ 7,62mm với bản thép có độ dày khác nhau, Tạp chíkhoa học công nghệ Xây dựng, tâp 11 số 4 07-2017, tr 37-41
5 Nguyễn Quang Dũng, Trần Bá Tấn, Trần Đình Thành, ĐàoMạnh Hùng (2017), Ứng dụng phần mềm ANSYS AUTODYNnghiên cứu quan hệ giữa vận tốc chạm của đầu đạn súng với độ dàyxuyên thủng tới hạn tấm thép đồng nhất, Tạp chí Khoa học và Kỹthuật - số 187 (12/2017) – Học viện KTQS , tr 31- 38
6 Đỗ Văn Minh, Nguyễn Quang Dũng, Trần Đình Thành, ĐàoViệt Dũng, Nghiên cứu quá trình tương tác của đầu đạn súng với tấmgiáp sợi polyme trên cơ sở ứng dụng phần mềm ANSYSAUTODYN, Tạp chí Khoa học và Kỹ thuật - số 179 (10/2016) – Họcviện KTQS , tr 162- 171
Trang 5MỞ ĐẦU
1 Lý do lựa chọn đề tài luận án
Để thực hiện mục tiêu hiện đại hóa, nâng cao năng lực tácchiến đảm bảo hoàn thành thắng lợi nhiệm vụ bảo vệ Tổ quốc thìhiện đại hóa vũ khí, trang bị là nhu cầu tất yếu
Hiện nay, trang bị phòng hộ cho người lính, bảo vệ cho xetăng có bước phát triển vượt bậc như các loại áo giáp, xe chiến đấu
bộ binh thế hệ mới có khối lượng giảm nhưng khả năng chống đạntốt hơn, giáp bảo vệ xe tăng chủ động, thụ động… Song song với sựphát triển của phương tiện bảo vệ là sự phát triển của những hệ thống
vũ khí với các loại đầu đạn có khả năng xuyên lớn hơn
Với thực tế này, muốn hiện đại hóa vũ khí, trang bị đáp ứngnhiệm vụ của Quân đội trong tình hình mới thì việc trang bị các hệthống vũ khí có uy lực xuyên lớn và các trang bị phòng hộ, bảo vệtiên tiến là một trong những nội dung cấp thiết Tuy nhiên, những vũkhí, trang bị như thế thường khó mua hoặc có giá thành rất cao Vìvậy, yêu cầu nền công nghiệp quốc phòng trong nước từng bước tựchủ nghiên cứu, thiết kế, chế tạo được các sản phẩm này Nhiệm vụ
đó đã được đặt ra từ nhiều năm và ngày càng trở nên cấp bách
Để giải quyết tốt được nhiệm vụ trên cần phải nghiên cứu, tínhtoán định lượng các yếu tố ảnh hưởng tới tác dụng xuyên của đầuđạn xuyên làm cơ sở định hướng, đề xuất hay đánh giá trong thiết kếchế tạo các mẫu vũ khí, trang bị phòng hộ mong muốn… Các vấn đềnày được thực hiện công phu, lâu dài và liên tục phát triển ở cácnước tiên tiến với kết quả thể hiện là các vũ khí, trang bị với ưu thếvượt trội, nhưng do đặc thù bí mật quân sự nên chúng ta không cókhả năng tiếp cận nhiều
Trang 6Mặt khác, những nghiên cứu, tìm hiểu trong nước về các vấn
đề này còn hạn chế, chủ yếu chỉ ở mức định tính, tính ứng dụng thấp,khó đáp ứng nhiệm vụ đặt ra
Từ những lý do như vậy, việc lựa chọn đề tài “ Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố đến tác dụng xuyên của đầu đạn xuyên thép” có tính cấp thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn góp
phần giải quyết nhiệm vụ đặt ra
2 Mục đích nghiên cứu của luận án
Nghiên cứu ảnh hưởng của một số yếu tố đến tác dụng xuyêncủa đầu đạn xuyên thép, làm cơ sở khoa học phục vụ cho thiết kế,sản xuất hay đánh giá các mẫu đạn xuyên mới, các trang bị phòng hộmới…đáp ứng các yêu cầu của Quân đội
3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án
Đối tượng nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu của luận án là hệ đầu đạn – mục tiêu,trong đó tập trung vào đầu đạn có lõi xuyên bằng thép cứng, trườnghợp cụ thể đầu đạn xuyên lõi thép cứng cỡ 7,62 mm do Nhà máyZ113 sản xuất, mục tiêu có dạng tấm phẳng bằng thép
4 Nội dung và cấu trúc luận án
Luận án gồm có phần mở đầu, 04 chương chính và phần kếtluận, danh mục các công trình nghiên cứu của tác giả, các tài liệutham khảo và phụ lục
Trang 7Chương 1 Tổng quan về quá trình va xuyên của đầu đạn vào
mục tiêu
Chương 2 Xây dựng mô hình toán học mô tả quá trình va
xuyên của đầu đạn vào mục tiêu
Chương 3 Khảo sát ảnh hưởng của một số yếu tố đến tác
dụng xuyên của đầu đạn xuyên thép
Chương 4 Thử nghiệm tác dụng xuyên của đầu đạn vào mục
tiêu
5 Phương pháp nghiên cứu
Kết hợp giữa phương pháp lý thuyết và thực nghiệm
- Phương pháp lý thuyết: sử dụng lý thuyết cơ học môi trườngliên tục, lý thuyết đàn hồi, lý thuyết dẻo và các nghiên cứu về tínhchất vật liệu đầu đạn, mục tiêu trong quá trình va xuyên để xây dựng
mô hình toán học mô tả chuyển động và trạng thái vật liệu đầu đạn
và mục tiêu trong quá trình va xuyên Ứng dụng phần mềm ANSYSAUTODYN giải mô hình toán học đã xây dựng để khảo sát ảnhhưởng của các yếu tố đến tác dụng xuyên của đầu đạn
- Phương pháp thực nghiệm: sử dụng các kết quả thực nghiệm
đã được công bố kết hợp với các kết quả nhận được khi thử nghiệmtại trường bắn để kiểm chứng, đánh giá kết quả tính toán mô phỏng
6 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Ý nghĩa khoa học của luận án
- Làm rõ hơn cơ sở khoa học về tương tác giữa đầu đạn vàmục tiêu, xây dựng mô hình toán học mô tả quá trình va xuyên củađầu đạn vào mục tiêu có kể đến tính tăng bền của vật liệu vật liệu khichịu tải trọng tốc độ cao, ứng dụng phần mềm ANSYS AUTODYNgiải mô hình toán học được xây dựng làm sáng tỏ quá trình va xuyên
Trang 8của đầu đạn vào mục tiêu thông qua các kết quả mô phỏng số;
- Phương pháp và quy trình giải bài toán va xuyên của đầu đạnvào mục tiêu nghiên cứu trong luận án để tính toán định lượng ảnhhưởng của các yếu tố đến tác dụng xuyên làm cơ sở khoa học khi lựachọn phương án thiết kế các trang bị phòng hộ hay các mẫu đạnxuyên đáp ứng yêu cầu đặt ra
Ý nghĩa thực tiễn của luận án
- Kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến tác dụng xuyêncủa đầu đạn xuyên lõi thép cứng cỡ 7,62 mm và kết quả thực nghiệmkhẳng định khả năng ứng dụng phương pháp tính toán trong nghiêncứu bài toán va xuyên giữa đầu đạn vào mục tiêu;
- Các kết quả khảo sát số cùng với các kết quả thực nghiệmgóp phần đánh giá đầy đủ, chính xác uy lực và khả năng sử dụnghiệu quả của đạn xuyên lõi thép cứng cỡ 7,62 mm, mẫu đạn mớitrong trang bị của Quân đội;
- Các dữ liệu vật liệu phù hợp với vật liệu đầu đạn xuyên lõithép cứng cỡ 7,62mm và mục tiêu tấm thép do luận án xác định đượcdùng mô phỏng các bài toán trong luận án nói riêng, đồng thờiphương pháp xác định dữ liệu vật liệu do luận án đề xuất có thể được
sử dụng cho các vật liệu khác trong điều kiện chịu tải trọng tương tự;
- Hệ số đặc trưng độ cứng vật cản K trong công thức
Giacốp-Đơ-Mar cho trường hợp đầu đạn xuyên lõi thép cứng cỡ 7,62 mm vaxuyên vào mục tiêu tấm thép độ cứng thấp do luận án đề xuất được
sử dụng khi tính toán tác dụng va xuyên bằng phương pháp kỹ thuật
Trang 9CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH VA XUYÊN
CỦA ĐẦU ĐẠN VÀO MỤC TIÊU
Trong chương này LA đã nghiên cứu tổng quan các nội dung:
1.1 Khái quát về sự va xuyên của đầu đạn vào mục tiêu
Phần này trình bày khái quát về đầu đạn, mục tiêu; các hiệntượng vật lý xảy ra trong quá trình va xuyên khi vận tốc va chạm lớn;các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình va xuyên của đầu đạn vào mụctiêu và các dạng phá hủy
Khi nghiên cứu quá trình va xuyên của đầu đạn xuyên có lõixuyên thép cứng vào mục tiêu, xảy ra với vận tốc chạm cỡ vàitrăm m/s đến 1000 m/s Đối với phần lớn các kim loại, hợp kim vàcác vật liệu khác, trong khoảng vận tốc chạm này, vật liệu đầu đạn
và mục tiêu thể hiện chủ yếu tính đàn hồi – dẻo – nhớt và đặc biệt
là sự tăng giới hạn đàn hồi, giới hạn chảy, giới hạn bền khi tăngtốc độ biến dạng
1.2 Tổng quan về các công trình nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố đến tác dụng xuyên
Nghiên cứu vấn đề này được thực hiện bằng các phương phápthực nghiệm và lý thuyết
Các công trình nghiên cứu theo phương pháp thực nghiệm
Một số công trình thực nghiệm: công thức Giacốp-Đơ-Mar,công thức Lambert và Johnac Mỗi công thức được xây dựng từ kếtquả của một số lượng thực nghiệm đủ lớn với các dạng đầu đạn vàmục tiêu nhất định, kể đến một số yếu tố ảnh hưởng đến tham số tácdụng xuyên Các yếu tố ảnh hưởng khó xác định được kể đến qua các
hệ số thực nghiệm
Các công trình nghiên cứu theo phương pháp lý thuyết
Trang 10Qua một số kết quả nghiên cứu trong những năm gần đây cóthể nhận xét: khi nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố đến tác dụngxuyên của đạn xuyên, các tác giả đều ứng dụng các phần mềm đểthực hiện khảo sát số quá trình va xuyên, đánh giá định lượng ảnhhưởng của yếu tố cụ thể đến tác dụng xuyên Sau đó sử dụng các kếtquả thử nghiệm để kiểm chứng, đánh giá các kết quả tính toán.
1.3 Những tồn tại của vấn đề nghiên cứu và hướng giải quyết 1.3.1 Những tồn tại của vấn đề nghiên cứu
- Đối với các công trình theo phương pháp thực nghiệm:
+ Hạn chế của các công thức thực nghiệm là phạm vi sử dụnghẹp (thường có phạm vi áp dụng giống với điều kiện thử nghiệm khixây dựng công thức), việc lựa chọn giá trị hệ số thực nghiệm để cókết quả chính xác trong các trường hợp cụ thể rất khó
+ Ngoài ra, mỗi công thức thực nghiệm không thể phản ánhđầy đủ thông tin, sáng tỏ quá trình va xuyên nên khó khăn trong đánhgiá toàn diện một mẫu đạn hay trang bị mới hoặc định hướng hiệuquả cho công tác thiết kế, chế tạo đạn và các trang bị chống đạn đápứng yêu cầu nhiệm vụ;
- Đối với các công trình nghiên cứu lý thuyết:
+ Các vật liệu cụ thể của đầu đạn và mục tiêu phải có dữ liệuvật liệu (bao gồm mô hình vật liệu và các tham số vật liệu cụ thể)chính xác Các công trình nghiên cứu trên thế giới thường sử dụngcác dữ liệu vật liệu do phần mềm cung cấp hoặc tiến hành thửnghiệm xác định dữ liệu vật liệu Khó khăn cho nghiên cứu trongnước là các đối tượng đầu đạn hay trang bị thiết kế chế tạo trongnước thiếu dữ liệu vật liệu cần phải được nghiên cứu xác định;+ Mặt khác, vì đặc thù bí mật quân sự nên việc công bố, khả
Trang 11năng tiếp cận các kết quả nghiên cứu rất hạn chế
+ Các công trình đều ứng dụng phần mềm để nghiên cứu ảnhhưởng của các yếu tố đến tác dụng xuyên trong trường hợp va xuyên
cụ thể nhưng không thể hiện mô hình toán học quá trình va xuyên,không thể hiện thuật toán giải nên khả năng khai thác phục vụ thiết
kế các mẫu đạn xuyên hay trang bị chống đạn mới trong nước khôngđạt được hiệu quả cao;
1.3.2 Hướng nghiên cứu giải quyết các vấn đề tồn tại
Phương pháp lý thuyết được lựa chọn để nghiên cứu ảnhhưởng của các yếu tố đến tác dụng xuyên của đầu đạn xuyên
Để khắc phục hạn chế của các công trình nghiên cứu hiện nay,luận án đưa ra hướng giải quyết:
- Nghiên cứu phương pháp xác định dữ liệu vật liệu phù hợpcác vật liệu sử dụng trong đầu đạn, mục tiêu trong nước;
- Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết cơ học môi trường liên tục, lýthuyết đàn hồi, lý thuyết dẻo kết hợp với mô hình vật liệu đầu đạn,mục tiêu trong quá trình va xuyên để xây dựng mô hình toán học mô
tả chuyển động và trạng thái vật liệu đầu đạn và mục tiêu trong quátrình va xuyên, xác định rõ các điều kiện đầu, điều kiện biên của bài toán;
- Nghiên cứu thuật toán giải bằng phương pháp PTHH trênphần mềm ANSYS AUTODYN để giải mô hình toán học được xâydựng, xác định chuyển động và trạng thái vật liệu đầu đạn và mụctiêu trong quá trình va xuyên từ đó định lượng ảnh hưởng của cácyếu tố đến tác dụng xuyên;
- Tổ chức thử nghiệm với điều kiện như tính toán mô phỏngtrên phần mềm để kiểm chứng, đánh giá kết quả tính toán
Mục tiêu của luận án:
Trang 12Luận án xác định được trạng thái và chuyển động của vật liệuđầu đạn, mục tiêu trong quá trình va xuyên; khảo sát, tính toán địnhlượng ảnh hưởng của các yếu tố tính chất vật liệu, kết cấu mục tiêu,vận tốc chạm và góc chạm đến tác dụng xuyên của đầu đạn xuyên lõithép cứng cỡ 7,62 mm xuyên vào mục tiêu tấm thép.
CHƯƠNG 2 XÂY DỰNG MÔ HÌNH TOÁN HỌC MÔ TẢ QUÁ TRÌNH VA XUYÊN CỦA ĐẦU ĐẠN VÀO MỤC TIÊU
Chương 2 xây dựng mô hình toán học mô tả quá trình va xuyêncủa đầu đạn vào mục tiêu kể đến tính tăng bền của vật liệu khi chịu tảitrọng tốc độ cao
Xây dựng mô hình toán học mô tả quá trình va xuyên của đầuđạn xuyên lõi thép cứng cỡ 7,62 mm do Nhà máy Z113 sản xuất (kếtcấu gồm vỏ đầu đạn, áo chì, lõi xuyên thép cứng) xuyên vào mụctiêu tấm thép với góc chạm
Hình 2.3 Mô hình vật lý thời điểm đầu đạn chạm mục tiêuCác giả thiết:
- Vận tốc chạm của đầu đạn v 0 trong khoảng từ 200 ÷ 1000 m/s;
- Bỏ qua tác dụng của trọng lực;
- Coi quá trình va xuyên là quá trình đoạn nhiệt;
- Bỏ qua ảnh hưởng của chuyển động quay, chuyển động
Trang 13trương động và chuyển động tiến động của đầu đạn;
- Coi rằng phương của vec tơ vận tốc chuyển động tịnh tiếncủa đầu đạn trùng với trục đối xứng của đầu đạn;
- Các vật liệu mục tiêu và đầu đạn là các kim loại có độ bền
cao, với vận tốc va chạm v 0 xem như quá trình tương tác biến dạnglớn (có xảy ra phá hủy), các kim loại cả đầu đạn và mục tiêu có tínhchất đàn hồi dẻo lý tưởng
Để mô tả chuyển động vật liệu đầu đạn và mục tiêu, chọn hệtọa độ vuông góc Đề các gắn với trái đất (hệ qui chiếu quán tính),điểm gốc tọa độ là điểm O của mục tiêu, điểm mà sự va chạm bắtđầu (hình 2.3) Chọn gốc thời gian tại thời điểm đầu đạn bắt đầu vachạm vào mục tiêu
Sử dụng lý thuyết cơ học môi trường liên tục cùng với lýthuyết chảy dẻo, xây dựng được hệ phương trình mô tả trạng thái vàchuyển động của từng môi trường vật liệu đầu đạn và mục tiêu trongquá trình va xuyên
Mỗi môi trường vật liệu của đầu đạn và mục tiêu trong quátrình va xuyên được mô tả bởi hệ phương trình (2.24) (viết dưới dạngchỉ số), trong đó vật liệu thép như mục tiêu, lõi xuyên, vỏ đầu đạn sửdụng mô hình tăng bền Johnson – Cook, vật liệu chì sử dụng môhình tăng bền của Steinberg Guinan
Trong hệ tọa độ Đề các đã chọn, hệ phương trình (2.24) củamỗi môi trường là hệ kín gồm 38 phương trình, 38 ẩn
Thỏa mãn các điều kiện đầu và điều kiện biên tương ứng, hệphương trình (2.24) cho mỗi vật liệu xác định được nghiệm duy nhấttrạng thái và chuyển động của vật liệu đầu đạn và mục tiêu trong quátrình va xuyên
Trang 14Do sự phức tạp của hệ phương trình (2.24) phải sử dụng cácphương pháp tính toán chuyên dụng – các phương pháp số của cơhọc môi trường liên tục
Trang 15Theo tài liệu [8], [9], để mô phỏng bài toán va xuyên đầu đạnvào mục tiêu hay nói cách khác là giải hệ phương trình mô tả quátrình va xuyên đầu đạn vào mục tiêu thì hiệu quả nhất là phươngpháp giải Explicit Dynamic.
Ứng dụng phương pháp giải Explicit Dynamic, thực hiện rờirạc hóa không gian và thời gian để giải mô hình toán học được xâydựng Explicit Dynamic rời rạc hóa không gian bằng phương phápPTHH và rời rạc hóa thời gian sử dụng phương pháp tính sai phântrung tâm
Trong chương 2, luận án đã khai thác phần mềm ANSYSAUTODYN (phương pháp giải Explicit Dynamic) mô phỏng quátrình va xuyên đầu đạn mũi dạng bán cầu vào mục tiêu bề dày hữuhạn, nhận được chuyển động và trạng thái vật liệu đầu đạn, mục tiêutrong quá trình va xuyên Kết quả nhận được phù hợp với kết quả thửnghiệm và lý thuyết trong tài liệu [22], [3] Điều này chứng minh chokhả năng khai thác phần mềm ANSYS AUTODYN để giải hệphương trình mô tả quá trình va xuyên của đầu đạn xuyên vào mục tiêu
CHƯƠNG 3 KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ ĐẾN TÁC DỤNG XUYÊN CỦA ĐẦU ĐẠN
XUYÊN
Đạn xuyên cỡ 7,62x39mm (K56) đầu lõi thép [phụ lục 1] làmẫu đạn xuyên thép mới đưa vào trang bị Chương này khảo sát ảnhhưởng của các yếu tố tính chất vật liệu mục tiêu, kết cấu mục tiêu,vận tốc chạm, góc chạm đến tác dụng xuyên từ đó đánh giá mẫu đạnmới trong trang bị này