BỘ QUỐC PHÒNG
HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ
NGUYỄN QUANG DŨNG
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG
CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ ĐẾN TÁC DỤNG XUYÊN
CỦA ĐẦU ĐẠN XUYÊN THÉP
Chuyên ngành: Cơ kỹ thuật
Mã số: 9 52 01 01
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT
HÀ NỘI – NĂM 2019
CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
HỌC VIỆN KỸ THUẬT QUÂN SỰ BỘ QUỐC PHÒNG
Người hướng dẫn khoa học:
1. TS Trần Bá Tấn
2. PGS.TS Trần Đình Thành
Phản biện 1: PGS.TS Phan Bùi Khôi
Phản biện 2: PGS.TS Phạm Thế Phiệt
Phản biện 3: TS Phan Bá Bình
Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án cấp Học
viện
theo quyết định số ………./……….., ngày ….. tháng ….. năm 2019
khoa học công nghệ Xây dựng, tâp 11 số 4 072017, tr 3741.
5. Nguyễn Quang Dũng, Trần Bá Tấn, Trần Đình Thành, Đào
Mạnh Hùng (2017), Ứng dụng phần mềm ANSYS AUTODYN
nghiên cứu quan hệ giữa vận tốc chạm của đầu đạn súng với độ
dày xuyên thủng tới hạn tấm thép đồng nhất, Tạp chí Khoa học và
Kỹ thuật số 187 (12/2017) – Học viện KTQS , tr 31 38.
6. Đỗ Văn Minh, Nguyễn Quang Dũng, Trần Đình Thành,
Đào Việt Dũng, Nghiên cứu quá trình tương tác của đầu đạn súng
với tấm giáp sợi polyme trên cơ sở ứng dụng phần mềm ANSYS
AUTODYN, Tạp chí Khoa học và Kỹ thuật số 179 (10/2016) –
Học viện KTQS , tr 162 171.
5
MỞ ĐẦU
1.
Lý do lựa chọn đề tài luận án
Để thực hiện mục tiêu hiện đại hóa, nâng cao năng lực tác
chiến đảm bảo hoàn thành thắng lợi nhiệm vụ bảo vệ Tổ quốc thì
hiện đại hóa vũ khí, trang bị là nhu cầu tất yếu.
Hiện nay, trang bị phòng hộ cho người lính, bảo vệ cho xe
tăng 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 đạn tốt hơn, giáp bảo vệ xe tăng chủ động, thụ động….
Song song với sự phát 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 ứng
bị phòng hộ mới…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,
trường hợp cụ thể đầu đạn xuyên lõi thép cứng cỡ 7,62 mm do
Nhà máy Z113 sản xuất, mục tiêu có dạng tấm phẳng bằng thép.
Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu trạng thái và chuyển động (ứng suất, biến dạng,
vận tốc, gia tốc,…) của vật liệu đầu đạn và mục tiêu trong quá
trình va xuyên; ảnh hưởng của các yếu tố kết cấu, vật liệu mục
tiêu và điều kiện va chạm tới tác dụng xuyên của đầu đạn.
4. Nội dung và cấu trúc luận án
Luận án gồm có phần mở đầu, 04 chương chính và phần kết
luận, danh mục các công trình nghiên cứu của tác giả, các tài liệu
7
tham khảo và phụ lục.
Chương 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
Kết quả khảo sát các yếu tố ảnh hưởng đến tác dụng
xuyên của đầu đạn xuyên lõi thép cứng cỡ 7,62 mm và kết quả
thực nghiệm khẳng định khả năng ứng dụng phương pháp tính
toán trong nghiên cứu bài toán va xuyên giữa đầu đạn vào mục
tiêu;
Các kết quả khảo sát số cùng với các kết quả thực nghiệm
góp phần đánh giá đầy đủ, chính xác uy lực và khả năng sử dụng
hiệu quả của đạn xuyên lõi thép cứng cỡ 7,62 mm, mẫu đạn mới
trong trang bị của Quân đội;
Các dữ liệu vật liệu phù hợp với vật liệu đầu đạn xuyên
lõi thép cứng cỡ 7,62mm và mục tiêu tấm thép do luận án xác định
được dùng mô phỏng các bài toán trong luận án nói riêng, đồng
thời phương 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
GiacốpĐơMar cho trường hợp đầu đạn xuyên lõi thép cứng cỡ
7,62 mm va xuyên vào mục tiêu tấm thép độ cứng thấp do luận án
9
đề xuất được sử dụng khi tính toán tác dụng va xuyên bằng
phương pháp kỹ thuật.
10
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ QUÁ TRÌNH VA XUYÊN
CỦA ĐẦU ĐẠN VÀO MỤC TIÊU
thể nhận xét: khi nghiên cứu ảnh hưởng của các yếu tố đến tác
dụng xuyên của đạn xuyên, các tác giả đều ứng dụng các phần
mềm để thực hiện khảo sát số quá trình va xuyên, đánh giá định
lượng ảnh hưởng của yếu tố cụ thể đến tác dụng xuyên. Sau đó
sử dụng các kết quả 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
dụng hẹp (thường có phạm vi áp dụng giống với điều kiện thử
nghiệm khi xây dựng công thức), việc lựa chọn giá trị hệ số thực
nghiệm để có kết quả chính xác trong các trường hợp cụ thể rất
khó.
+ Ngoài ra, mỗi công thức thực nghiệm không thể phản ánh
đầy đủ thông tin, sáng tỏ quá trình va xuyên nên khó khăn trong
đánh giá toàn diện một mẫu đạn hay trang bị mới hoặc định hướng
hiệu quả cho công tác thiết kế, chế tạo đạn và các trang bị chống
đạn đáp ứng 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
liệu vật 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
dụng các dữ liệu vật liệu do phần mềm cung cấp hoặc tiến hành
thử nghiệm xác định dữ liệu vật liệu. Khó khăn cho nghiên cứu
trong nước là các đối tượng đầu đạn hay trang bị thiết kế chế tạo
12
13
Tổ chức thử nghiệm với điều kiện như tính toán mô phỏng
trên phần mềm để kiểm chứng, đánh giá kết quả tính toán.
Mục tiêu của luận án:
Luận án xác định được trạng thái và chuyển động của vật
liệu đầu đạn, mục tiêu trong quá trình va xuyên; khảo sát, tính toán
định lượng 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 lõi thép 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
xuyên của đầu đạn vào mục tiêu kể đến tính tăng bền của vật liệu
khi chịu tải trọng tốc độ cao.
Xây dựng mô hình toán học mô tả quá trình va xuyên của
đầu đạn xuyên lõi thép cứng cỡ 7,62 mm do Nhà máy Z113 sản
xuất (kết cấu gồm vỏ đầu đạn, áo chì, lõi xuyên thép cứng) xuyên
vào mục tiêu tấm thép với góc chạm .
Hình 2.3. Mô hình vật lý thời điểm đầu đạn chạm mục
tiêu
Các giả thiết:
Vận tốc chạm của đầu đạn v0 trong khoảng từ 200 ÷ 1000
14
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
Do sự phức tạp của hệ phương trình (2.24) phải sử dụng
các phương pháp tính toán chuyên dụng – các phương pháp số của
cơ học môi trường liên tục.
16
Theo tài liệu [8], [9], để mô phỏng bài toán va xuyên đầu
đạn vào mục tiêu hay nói cách khác là giải hệ phương trình mô tả
quá trình va xuyên đầu đạn vào mục tiêu thì hiệu quả nhất là
phương pháp giải Explicit Dynamic.
Ứng dụng phương pháp giải Explicit Dynamic, thực hiện rời
rạc hóa không gian và thời gian để giải mô hình toán học được xây
dựng. Explicit Dynamic rời rạc hóa không gian bằng phương pháp
PTHH và rời rạc hóa thời gian sử dụng phương pháp tính sai phân
trung tâm.
Trong chương 2, luận án đã khai thác phần mềm ANSYS
AUTODYN (phương pháp giải Explicit Dynamic) mô phỏng quá
trình va xuyên đầu đạn mũi dạng bán cầu vào mục tiêu bề dày hữu
hạn, nhận được chuyển động và trạng thái vật liệu đầu đạn, mục
tiêu trong quá trình va xuyên. Kết quả nhận được phù hợp với kết
quả thử nghiệm và lý thuyết trong tài liệu [22], [3]. Điều này
chứng minh cho khả năng khai thác phần mềm ANSYS
AUTODYN để giải hệ phương 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] là
mẫu đạn xuyên thép mới đưa vào trang bị. Chương này khảo sát
ảnh hưởng 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
C
n
m
Giá trị
495,56
389,37
0,022
0,36
1
Bảng 3.4. Tham số vật liệu lõi xuyên (Johnson –Cook)
18
Tham số
Giá trị
A
2280,61
B
706,8
C
0,012
n
0,18
m
1
Hình 3.4. Mô hình phần tử hữu hạn của đầu đạn
Trong chương 3 đã tiến hành khảo sát một số nội dung và có
kết quả tương ứng:
3.2. Ảnh hưởng của bề dày mục tiêu đến tác dụng xuyên của đầu
đạn Vật liệu mục tiêu là thép tấm đồng nhất CT3, kích thước
19
500x500 mm, với các bề dày khác nhau, được chế tạo tại Nhà máy
Z113 và kiểm tra cơ tính [phụ lục 2].
Bảng 3.7. Tham số vật liệu mục tiêu (Johnson – Cook)
Tham số
A
B
C
n
Giá trị
313,6
246,4
0,022
0,36
m
1
Thực hiện mô phỏng số quá trình va xuyên của đầu đạn vào
mục tiêu tấm thép trong đó: góc chạm 0 0; vận tốc chạm 716,8 m/s;
bỏ qua chuyển động quay, chuyển động trương động, chuyển
động tiến động và trọng lượng của đầu đạn; bỏ qua áp suất khí
quyển; điều kiện biên các mặt bên mục tiêu cố định. Bề dày mục
sau khi xuyên với các mục tiêu kết cấu khác nhau
21
3.3.2. Ảnh hưởng của sự tăng cứng bề mặt mục tiêu
Luận án khảo sát ảnh hưởng của sự tôi cứng bề mặt tấm
thép đến vận tốc còn lại của đầu đạn sau khi xuyên, mục tiêu là
các tấm thép đồng nhất CT3, kích thước 500x500 mm, bề dày thay
đổi lần lượt được tôi cứng bề mặt đến các độ cứng bằng (1,5; 2;
2,5) lần độ cứng bản thép ban đầu (130 HB) và bề dày thấm tôi 5
mm. Kết quả nhận được: biểu đồ quan hệ vận tốc còn lại của
đầu đạn sau khi xuyên với các mục tiêu độ cứng khác nhau trong
điều kiện va chạm không đổi (hình 3.15).
Hình 3.15. Biểu đồ quan hệ vận tốc còn lại của đầu đạn
sau khi xuyên với các mục tiêu độ cứng khác nhau
3.4. Ảnh hưởng của tính chất vật liệu mục tiêu đến tác dụng
xuyên của đầu đạn
Luận án khảo sát quá trình va xuyên của đầu đạn xuyên lõi
thép cứng cỡ 7,62 mm vào các tấm mục tiêu thép CT3 và Kevlar để
so sánh khả năng chống đạn của hai vật liệu này. Qua k ết quả mô
phỏng thấy được: ưu thế của vật liệu Kevlar so với thép CT3 là
cùng khả năng chống được đạn thì tấm Kevlar có khối lượng nhỏ
hơn nhiều, thuận lợi cho trang bị phòng hộ cá nhân.
22
3.5. Ảnh hưởng điều kiện va chạm đến tác dụng xuyên của đầu
đạn
3.5.1. Ảnh hưởng của vận tốc chạm
đạn với
góc
chạm
(hình
3.22).
Hình 3.22. Biểu đồ quan hệ vận tốc còn lại của đầu đạn
sau khi xuyên thủng bản thép với góc chạm
CHƯƠNG 4. THỬ NGHIỆM TÁC DỤNG XUYÊN
CỦA ĐẦU ĐẠN XUYÊN VÀO MỤC TIÊU
Thử nghiệm tác dụng xuyên của đầu đạn vào mục tiêu ở
một số trường hợp như trong điều kiện tính toán mô phỏng
chương 3 để kiểm chứng đánh giá độ chính xác, khả năng tin cậy
sử dụng các kết quả tính toán cũng như mức độ phù hợp của sự
lựa chọn các dữ liệu vật liệu. Nội dung thử nghiệm được thực
hiện tại Nhà máy Z113/ TCCNQP. Qua phân tích cơ sở kỹ thuật và
điều kiện thực tế tại nhà máy Z113 thực hiện thử nghiệm các nội
24
dung: bắn xác định đặc điểm vết xuyên, vận tốc chạm mục tiêu và
vận tốc còn lại của đầu đạn sau khi xuyên thủng mục tiêu theo các
bề dày mục tiêu khác nhau; bắn xác định vận tốc tới hạn xuyên
thủng mục tiêu với bề dày cho trước; bắn xác định đặc điểm vết
xuyên, vận tốc chạm và vận tốc còn lại sau khi xuyên thủng mục
tiêu với các góc chạm khác nhau.
Kết quả so sánh giữa thử nghiệm và kết quả mô phỏng:
4.4.1. So sánh ảnh hưởng của bề dày mục tiêu đến tác dụng
Mô phỏng
654
517
425
2,57
2,78
11,18
4.4.2. So sánh ảnh hưởng của góc chạm đến tác dụng xuyên
thử nghiệm và tính toán mô phỏng
Bảng 4.8. So sánh kết quả thử nghiệm và mô phỏng vận tốc còn
lại của đầu đạn sau khi xuyên theo góc chạm
Vận tốc còn
lại của đầu
đạn
Sai lệch (%)
Bề dày của
sau khi xuyên
mục tiêu
qua mục tiêu,
8mm
(m/s)
Thử nghiệm
(giá trị trung
Mô phỏng
bình)
Mục tiêu thẳng
616,7
546
Copyright: Tài liệu đại học ©