Tài liệu 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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ ------------------------ NGUYỄN THANH BÌNH NGHIÊN CỨU ẢNH HƢỞNG 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 HƢỞNG 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 NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS Nguyễn Minh Tuấn 2. TS. Phan Tƣơng Lai HÀ NỘI - 2018 i 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 ii 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. iii 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 Chƣơng 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 Chƣơng 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC VÀ XÁC ĐỊNH CÁC TRƢỜNG 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 iv 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 Chƣơng 3. XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ THUẬT TOÁN PHƢƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN TÍNH TOÁN TRƢỜNG 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 Chƣơng 4. KHẢO SÁT ẢNH HƢỞNG 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 v 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 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT ma trận đàn hồi tấm ở trạng thái màng. [A] m ma trận hằng số trạng thái màng. u [A ] ma trận hằng số trạng thái uốn. [B] ma trận tính biến dạng. [A ] m ma trận biến dạng màng. [B ] u [B ] ma trận biến dạng chịu uốn. ' Cx, Cy, C y, Cx1, Cy1, C'y1, CQ, CR, C'R C 0 xCN các hệ số khí động. hệ số cản của cánh nâng khi góc tấn αCN = 00. C yCN đạo hàm hệ số lực pháp của cánh nâng theo αCN. 0 CxCL hệ số cản của cánh lái khi góc tấn αCL = 00. C yCL 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. *e {F } véctơ lực trong hệ tọa độ tổng thể. {g} véctơ lực khối tác dụng lên phần tử. [H] ma trận tính ứng suất. m ma trận ứng suất – chuyển vị trạng thái màng. ue [H ] ma trận ứng suất – chuyển vị phần tử chịu uốn. Jx, J y, Jz mômen quán tính của tên lửa trong hệ tọa độ liên kết Oxyz. Kc động lượng của hệ thống. [H ] vii  K  ma trận độ cứng tổng thể.  K ' ma trận độ cứng tổng thể trong hệ tọa độ x’y’z’. [K]e ma trận độ cứng phần tử. *e ma trận độ cứng phần tử trong hệ tọa độ tổng thể. me ma trận độ cứng phần tử trạng thái màng. ue [K ] ma trận độ cứng phần tử chịu uốn. [L]e ma trận định vị của phần tử. [K ] [K ] mô men động lượng của hệ thống so với trọng tâm của hệ thống. (c ) c L số Mach. M (c) M mô men tổng cộng của các lực ngoài đối với trọng tâm của hệ thống. {M} véctơ mômen. m khối lượng tên lửa. mz đạo hàm hệ số mô men chúc ngóc mz theo góc tấn . mz đạo hàm hệ số mô men chúc ngóc mz theo góc xoay cánh lái . m y đạo hàm của hệ số mô men hướng my theo góc trượt cạnh . mz z đạo hàm của hệ số mô men cản dịu kênh chúc ngóc theo tốc độ góc quay quanh trục Oz. m  x đạo hàm của hệ số mô men nghiêng mx theo góc trượt cạnh . my y đạo hàm của hệ số mô men cản dịu kênh hướng theo tốc độ góc quay. quanh trục Oy. hệ số mô men nghiêng bản lề xoay cánh đuôi (cánh lái). m_shar m x x đạo hàm của hệ số mô men cản dịu kênh nghiêng theo tốc độ góc quay quanh trục Ox.    mx1 , my1 , mz1 các hệ số chống xóc khí động. [N] ma trận hàm dạng. {N} véctơ nội lực màng. viii nx , ny , nz hệ số quá tải theo phương Ox, Oy, Oz. {P} véc tơ lực mặt. {P}e véctơ tải trọng nút phần tử. [P(x,y)] ma trận các đơn thức.  P véctơ tải trọng nút gồm các phần tử đã biết. b 1 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. q  2 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. b 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. ix 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. xai tọa độ tâm áp khoang i. xtt tọa độ trọng tâm tên lửa. xti tọa độ tâm khối khoang i. hệ tọa độ địa phương. x, y, z * * * 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. Z tổng lực trượt cạnh. w độ võng tấm. w(x,y) hàm xấp xỉ chuyển vị.  góc tấn. {} véctơ các tham số của các đa thức xấp xỉ chuyển vị.  góc trượt cạnh.  , a góc nghiêng của tên lửa trong hệ tọa độ liên kết và hệ tọa độ tốc độ. { } véctơ biến dạng. { } véctơ biến dạng màng. x , y , xy các thành phần biến dạng.   véctơ ứng suất ở trạng thái chịu uốn. 1 góc nghiêng cánh lái kênh chúc ngóc. 2 góc nghiêng cánh lái kênh hướng. m u ( x, y ) x 3 góc nghiêng cánh lái kênh nghiêng.   véctơ chuyển vị màng.   véctơ chuyển vị nút ở trạng thái màng.   véctơ ứng suất ở trạng thái màng.   véctơ chuyển vị phần tử chịu uốn.   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. x ,  y , z tốc độ góc tên lửa trong hệ tọa độ liên kết Oxyz.  góc chúc ngóc. m ( x, y ) me m ( x, y ) ue *e  mật độ không khí. { } véctơ độ cong tấm chịu uốn.   hệ số poisson vật liệu.  CxiCN hệ số lực cản cảm ứng của cánh nâng xuất hiện khi αCN ≠ 00.  CxiCL 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. KĐ tải trọng khí động các khoang. KĐCN tải trọng khí động cánh nâng. KĐCL tải trọng khí động cánh lái. PTHH phần tử hữu hạn. u xi 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 xii 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 xiii 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 1 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. 2 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 3 lớp tên lửa hành trình đối hải phục vụ việc thiết kế, chế tạo, thử nghiệm thân, cánh tên lửa. 3. Đối tƣợng 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. Phƣơng 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. 4 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. 6. Bố cục của luận án Nội dung của luận án ngoài phần mở đầu và kết luận, nội dung cơ bản được trình bày trong 4 chương: Chương 1 - Tổng quan tình hình nghiên cứu trong nước và ngoài nước. Nghiên cứu tổng quan kết cấu thân, cánh TLĐH; nguyên lý chung của phương pháp PTHH để làm cơ sở xây dựng thuật toán tính toán kết cấu thân, cánh TLĐH. Chương 2 - 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 tính toán. Chương 3 - Xây dựng mô hình và thuật toán phương pháp PTHH sử dụng phần tử tấm phẳng dạng tam giác để xác định trường ứng suất - biến dạng của thân, cánh tên lửa chịu tác động của tải trọng khí động. 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. 5 Chƣơng 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 nƣớc 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 lửa khi bay.