Kiểm bền kết cấu thân vỏ khoang chiến đấu trong môi trường Ansys Workbench

Tên lửa & Thiết bị bay T. M. Tuân, N.P.Thắng, C.D.Lành “Kiểm bền kết cấu ... ANSYS Workbench.” 10 KiÓm bÒn kÕt cÊu th©n vá khoang chiÕn ®Êu trong m«i tr­êng ANSYS WORKBENCH TRẦN MẠNH TUÂN, NGUYỄN PHÚ THẮNG, CHU DUY LÀNH Tóm tắt: Bài báo trình bày phương pháp xây dựng bài toán kiểm bền kết cấu khoang chiến đấu K2 tên lửa Kh-35E trong môi trường ANSYS Workbench nhằm xác định trường phân bố ứng suất và biến dạng của các thành phần cấu tạo khoang. Kiểm tra khả năng chịu tải của kết cấu bằng thay đổi trọng lượng khối thuốc nổ. Kết quả tính toán làm cơ sở kiểm tra độ bền, độ ổn định khi làm việc của kết cấu. Bên cạnh đó kết quả tính toán còn được sử dụng để xác định khả năng chịu tải của kết cấu. Từ khóa: Kiểm bền kết cấu, ANSYS Workbench, ANSYS Static Structural, FSI 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Phương pháp truyền thống trong tính toán thiết kế kết cấu thân vỏ thiết bị bay là quy chúng về các phần tử kết cấu chịu lực cơ bản như dầm, vỏ, thanh v.v Trong giai đoạn thiết kế sơ bộ, phương pháp này có nhiều ưu điểm như tính toán đơn giản, xác định được các điều kiện làm việc cơ bản cho kết cấu, làm cơ sở cho các giai đoạn tính toán thiết kế sau này. Tuy nhiên, trên thực tế, nhằm tiết kiệm khối lượng nhưng vẫn đảm bảo độ bền kết cấu người ta thường chế tạo các chi tiết có hình dạng phức tạp, khác xa so với các dạng phần tử chịu lực cơ bản ở trên. Việc tính toán bằng phương pháp truyền thống trở nên không đáp ứng sát được với nhu cầu. Cùng với sự phát triển của khoa học công nghệ, phương pháp mô phỏng số được sử dụng ngày càng rộng rãi và mang lại hiệu quả cao. Bài báo trình bày phương pháp sử dụng phần mềm mô phỏng số trong môi trường ANSYS Workbench nhằm kiểm bền kết cấu khoang chiến đấu K2 của tên lửa đối hải Kh- 35E. Trên cơ sở mô hình bài toán tiến hành nghiên cứu khả năng chịu tải của kết cấu khi thay đổi khối lượng thuốc nổ được mang. Các gói phần mềm được sử dụng để mô phỏng là ANSYS CFX và ANSYS Static Structural. 2. KẾT CẤU CHỊU TẢI VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI 2.1. Sơ đồ kết cấu khoang chiến đấu Kết cấu chịu lực của khoang chiến đấu có thể chia thành các phần tử chịu lực cơ bản sau đây: -Mặt bích trước gắn với khoang K1 (khoang đầu tự dẫn); -Mặt bích sau gắn sau gắn với khoang K3 (khoang thiết bị); -2 thanh giằng dọc nối 2 mặt bích lại với nhau; -Nắp lưng dạng tấm uốn; -2 gân ngang gắn với 2 thanh giằng dọc để đỡ nắp lưng; -Nắp bụng và gân tăng cứng nắp bụng. 2.1.1. Về vật liệu Các chi tiết đều làm từ hợp kim nhôm AMg-6 có các thuộc Hình 1. Sơ đồ kết cấu các phần tử chịu lực cơ bản của khoang chiến đấu. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 35, 02 - 2015 11 tính cơ bản như sau: -Khối lượng riêng: 32800( )/kg m  ; -Ứng suất tới hạn bền: 320( )B MPa  ; -Ứng suất tới hạn chảy: 160( )T MPa  -Mô đun đàn hồi: 107,2.10 ( )E Pa ; -Hệ số Poisson: 0,32  ; 2.1.2. Về liên kết - Bích trước, bích sau, 2 thanh giằng dọc được hàn chặt với nhau; - 02 gân ngang được gắn với 02 thanh giằng dọc bằng đinh tán; - Nắp lưng được hàn với 02 mặt bích và 02 thanh giằng dọc; - Nắp bụng và gân tăng cứng nắp bụng được tán nóng lại với nhau; - Cụm nắp bụng và gân nắp bụng được gắn với 2 mặt bích và 2 thanh giằng bởi hệ thống đinh vít. 2.2. Các loại tải trọng tác dụng lên khoang chiến đấu Trong khuôn khổ đề tài KCT-10: “Nghiên cứu thiết kế thân cánh và chế thử theo mẫu thân vỏ khoang chiến đấu của Tên lửa Kh-35E”, nhóm tác giả đã nghiên cứu tài liệu và tiến hành tính toán xây dựng biểu đồ nội lực cho các phần tử thân tên lửa trong các trường hợp tính toán khác nhau: Khi sử dụng mặt đất, khi phóng và khi bay. Kết quả cho thấy, khi tên lửa ở cuối giai đoạn phóng khoang chiến đấu K2 có trạng thái chịu tải lớn nhất. Do vậy bài báo lựa chọn trường hợp tính tên lửa ở cuối giai đoạn phóng để mô phỏng tính toán kiểm bền cho khoang chiến đấu K2. Các loại tải trọng tác dụng lên khoang chiến đấu khi đó gồm: -Tải trọng khí động từ khoang đầu tự dẫn K1 tác dụng lên mặt bích trước 1kđF  ; -Tải trọng khí động tác dụng lên vỏ khoang chiến đấu 2kđF  dưới dạng áp suất phân bố; -Tải trọng gây ra do khối lượng (bao gồm trọng lực và lực quán tính) của khoang đầu tự dẫn tác dụng lên mặt bích trước 1SPF  ; -Tải trọng gây ra do khối lượng của bản thân kết cấu khoang chiến đấu 2SPF  ; -Tải trọng do khối lượng của các thiết bị đặt trong khoang chiến đấu K2 (khối thuốc nổ) TNF  tác dụng lên các móc treo khối nổ trên các thanh giằng; -Phản lực liên kết tại mặt bích sau tiếp giáp với khoang thiết bị (khoang K3) , ,N QM F F    . Các giá trị hệ số quá tải của tên lửa theo các phương dọc trục và phương ngang ở cuối giai đoạn phóng tương ứng được tính theo các công thức [4]: x T X n G    ; y Y n G  ; Hình 2. Tải trọng tác dụng lên khoang chiến đấu. Tên lửa & Thiết bị bay T. M. Tuân, N.P.Thắng, C.D.Lành “Kiểm bền kết cấu ... ANSYS Workbench.” 12 trong đó, T là lực đẩy động cơ ; G là trọng lượng tên lửa; X là lực khí động dọc trục ; Y là lực khí động theo phương ngang. Các thành phần lực gây ra do khối lượng mi theo phương dọc và phương ngang tương ứng sẽ là: ;i x i i y iS n G P n G    ; Gi = mi*g ; g = 10 (m/s 2) là gia tốc rơi tự do. 2.3. Giải bài toán trong môi trường ANSYS Workbench ANSYS Workbench là môi trường tương tác cho phép sử dụng đồng thời nhiều gói phần mềm ứng dụng khác nhau. Tại đây các gói phần mềm có thể được liên kết với nhau để chia sẻ mô hình cũng như các kết quả tính toán, mô phỏng. Trong phạm vi bài toán sử dụng 2 gói phần mềm là ANSYS CFX và ANSYS Static Structural. ANSYS CFX là gói phần mềm dùng cho việc mô phỏng động lực học dòng chảy. Nhóm tác giả cũng đã tiến hành nghiên cứu gói phần mềm này phục vụ cho việc tính toán xác định tải trọng khí động tác dụng lên thân cánh tên lửa Kh-35E ở các trường hợp bay khác nhau. Chi tiết có thể tham khảo tài liệu [3]. Ở đây chỉ tập trung vào việc khai thác gói phần mềm ANSYS Static Structural phục vụ cho bài toán mô phỏng kiểm bền kết cấu. Từ kết quả bài toán mô phỏng xác định tải trọng khí động tác dụng lên tên lửa ở cuối giai đoạn phóng ta có: Tổng lực dọc: X = 5988 (N); Tổng lực ngang: Y = -780,8 (N); Khối lượng tên lửa ở thời điểm cuối giai đoạn phóng: M = 551 (kg); Lực đẩy động cơ phóng: T = 78480 (N); Góc nghiêng dọc trục tên lửa: θ = 21,750;Gia tốc chuyển động của tên lửa theo các phương: * sin( ) 127,859x G X T a M       (m/s 2); cos( ) 10, 705y G Y a M      (m/s 2); Giá trị các hệ số quá tải: 13,156x T X n G      ; 0,142y Y n G    ; Khối lượng khoang đầu tự dẫn K1: m1 = 44,3 (kg); Tải trọng gây ra do khối lượng khoang đầu tự dẫn: S1 = nx * m1* g = 5828,108 (N); P1 = ny * m1* g= 62,9 (N); Coi trọng tâm khoang K1 nằm trên trục Ox và có hoành độ 0,446 (m); Khối lượng khối thuốc nổ: mTN = 146,9 (kg); Tải trọng gây ra do khối lượng khối thuốc nổ: STN = nx * mTN* g = 19326,164 (N); PTN = ny * mTN* g = 208,6 (N); Coi trọng tâm khối nổ nằm trên trục Ox và có hoành độ 0,9865 (m); Từ kết quả bài toán mô phỏng xác định tải trọng khí động trong CFX nhận được giá trị tải trọng khí động tác dụng lên khoang đầu tự dẫn theo các phương dọc trục và phương ngang: X1 = 229,8 (N); Y1 = 26,15 (N); Coi tâm áp khoang K1 nằm trên trục Ox và có hoành độ 0,3491 (m); Quá trình giải bài toán kiểm bền được chia làm các bước như sau: 2.3.1. Xây dựng mô hình Mô hình hình học khoang chiến đấu được xây dựng trong môi trường Inventor dựa trên kích thước thực của khoang chiến đấu tên lửa Kh-35E. Để giảm thiểu thời gian tính toán mô hình được lược bớt một số dạng hình học nhỏ như lỗ đinh tán, lỗ bắt đinh vít, các đinh vít, góc hẹp và cạnh sắc. Mô hình sau đó được đưa vào tính toán thông qua ANSYS Design Modeler. 2.3.2. Đặt các thuộc tính vật liệu tương ứng Xây dựng thuộc tính vật liệu cho hợp kim nhôm AMg-6 có các thuộc tính như trên bằng nhấn vào dòng Engineering Data, sau đó gán cho các chi tiết. 2.3.3. Thiết lập dạng liên kết giữa các chi tiết Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 35, 02 - 2015 13 Trong kết cấu khoang chiến đấu, các chi tiết được liên kết với nhau bằng các mối hàn, đinh tán và đinh vít (liên kết cứng) nên trong mô phỏng sử dụng kiểu tiếp xúc giữa các chi tiết là Bonded (giới hạn chuyển động tương đối giữa các chi tiết tại bề mặt tiếp xúc theo tất cả các phương). 2.3.4. Chia lưới mô hình Ngày nay có rất nhiều ứng dụng dùng để chia lưới mô hình tính như Gambit, ICEM CFD v.v.. Ở đây tác giả sử dụng trình chia lưới có sẵn của ANSYS là ANSYS Meshing. Thiết lập các thông số chia lưới cơ bản như : -Kiểu lưới: lưới dùng cho tính toán cơ khí (Mechanical); -Không sử dụng các hàm mở rộng; -Chọn phương pháp chia lưới Automatic, chương trình sẽ tự động nhận biết các chi tiết để lựa chọn lưới dạng tứ diện hoặc lưới dạng lăng trụ cho phù hợp. -Kích thước các mắt lưới đối với các chi tiết có hình dạng phức tạp như thanh giằng, mặt bích được thiết lập là 1(cm) ; đối với bề mặt chịu tải trọng khối nổ của thanh giằng chọn kích thước lưới là 3(mm). Do phụ thuộc vào cấu hình máy tính nên kích thước các mắt lưới chỉ nên chia nhỏ vừa phải. Kết quả đạt được tổng số nút (nodes) là 258560; tổng số phần tử lưới là 124474 ; 2.3.5. Đặt các dạng tải trọng và ràng buộc - Thiết lập thuộc tính ngàm cố định (Fixed Support) tại mặt bích sau, nơi tiếp giáp với khoang thiết bị K3 để thể hiện cho các thành phần phản lực liên kết và phản mô men liên kết với khoang K3; - Đặt lực tác dụng từ xa (Remote Force) tượng trưng cho lực khí động 1kđF  của khoang đầu tự dẫn, tác dụng lên mặt bích trước của khoang chiến đấu có điểm đặt tại tâm áp A1 của khoang đầu tự dẫn. - Đặt lực tác dụng từ xa tượng trưng cho lực gây ra do trọng lượng khoang đầu tự dẫn 1SPF  (trọng lực và lực quán tính), tác dụng lên mặt bích trước của khoang chiến đấu, có điểm đặt tại trọng tâm G1 của khoang đầu tự dẫn. - Sử dụng liên kết FSI (Fluid Structural Interaction) đưa kết quả tính toán áp suất phân bố (tải trọng khí động) trên bề mặt vỏ khoang chiến đấu từ CFX sang Static Structural. Sơ đồ thể hiện liên kết FSI được mô tả trên Hình 4. Áp suất phân bố bề mặt chảy bao vỏ khoang K2 từ CFX sẽ được Static Structural tích phân theo bề mặt để nhận được tải áp suất phân bố tác dụng lên bề mặt chảy bao của vỏ khoang K2 trong Static Structural như hình 5. Hình 4. Liên kết FSI. Hình 3. Chia lưới mô hình tính. Tên lửa & Thiết bị bay T. M. Tuân, N.P.Thắng, C.D.Lành “Kiểm bền kết cấu ... ANSYS Workbench.” 14 - Đặt lực tác dụng từ xa tượng trưng cho lực gây ra do trọng lượng khối nổ TNF  tác dụng lên các móc treo khối nổ, có điểm đặt tại trọng tâm khối nổ. - Thiết lập gia tốc chuyển động a  trong hệ tọa độ liên kết và gia tốc rơi tự do g  trong hệ tọa độ gốc để thể hiện dạng tải trọng gây ra do trọng lượng bản thân kết cấu vỏ khoang chiến đấu. Hệ tọa độ trái đất được xây dựng trên cơ sở hệ tọa độ liên kết bằng cách xoay các trục tọa độ Ox và Oy quanh trục Oz một góc bằng góc nghiêng dọc trục tên lửa θ. 2.3.6. Giải bài toán và phân tích kết quả Sử dụng trình giải mặc định của ANSYS Static Structural. Quá trình giải bài toán nhanh hay chậm tùy thuộc vào cấu hình máy tính và độ mịn của lưới được chia. Bài báo quan tâm đến trường phân bố ứng suất Von – Mises và biến dạng tổng của kết cấu, do đó cần đưa chúng vào phần Solution. Có thể tùy chỉnh để xem kết quả của từng chi tiết hoặc cụm chi tiết. Trên cơ sở mô hình bài toán kiểm bền khoang chiến đấu, nhóm tác giả tiến hành nghiên cứu khả năng chịu tải của khoang bằng cách thay đổi tải trọng khối thuốc nổ đặt trên khoang. Phương pháp thực hiện là sử dụng thuộc tính tham số (Parameter) cho tải trọng khối thuốc nổ, giá trị ứng suất Von - Mises cực đại và giá trị biến dạng tổng cực đại. Giả thiết tên lửa vẫn bay với các giá trị vận tốc và gia tốc như cũ. Kết quả nghiên cứu làm cơ sở để xác định giới hạn tối đa lượng nổ mà tên lửa có thể mang. 3. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG Trường phân bố ứng suất và biến dạng của các phần tử kết cấu khoang chiến đấu ứng với lượng thuốc nổ ban đầu. Từ kết quả mô phỏng nhận thấy: -Ứng suất cực đại xuất hiện ở thanh giằng có giá trị: max 27,4( )MPa  ; -Biến dạng tổng cực đại xuất hiện ở nắp bụng có giá trị: max 0,06( )d mm ; Chọn hệ số an toàn cho quá trình bay của tên lửa là f = 1,5 ta có: max* 41,1 160Tf MPa MPa    Như vậy kết cấu khoang chiến đấu trong điều kiện làm việc của bài toán đảm bảo độ bền. Hình 6. Trường phân bố ứng suất và biến dạng kết cấu khoang chiến đấu. Hình 5. Phân bố áp suất vỏ khoang chiến đấu trích xuất qua liên kết FSI. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 35, 02 - 2015 15 Giá trị ứng suất cực đại và biến dạng tổng cực đại nhận được khi tăng dần khối lượng thuốc nổ như Bảng 1: Bảng 1. Ứng suất cực đại và biến dạng tổng cực đại của khoang chiến đấu. Khối lượng thuốc nổ (kg) Ứng suất Von-Mises cực đại (MPa) σmax 1,5* σmax(MPa) Biến dạng tổng cực đại (mm) 146,9 27,4 41,1 0,06 200 36,3 54,45 0,08 300 52,8 79,2 0,117 400 69,3 103,95 0,155 500 86,2 129,3 0,194 600 103 154,5 0,232 800 137 205,5 0,310 1000 170 255 0,387 Từ đồ thị nhận thấy, khi tăng dần khối lượng khối thuốc nổ đến 1000 kg, ứng suất Von-Mises cực đại và biến dạng tổng cực đại tăng tuyến tính do trạng thái chịu tải của các chi tiết vẫn nằm trong giới hạn đàn hồi của vật liệu. Với giá trị khối lượng thuốc nổ 600 kg, nếu tính với hệ số an toàn f = 1,5 ứng suất Von-Mises cực đại đã đạt tới giá trị ứng suất tới hạn 160T MPa  . Do đó nếu chỉ tính tới độ bền của kết cấu, để đảm bảo sự làm việc ổn định chỉ nên sử dụng lượng thuốc nổ tới 600kg. 4. KẾT LUẬN Sử dụng mô phỏng số để kiểm bền kết cấu trong môi trường ANSYS Workbench là phương pháp tiện lợi và có chi phí thấp hơn nhiều so với các phương pháp khác. Phương pháp này có thể áp dụng để mô phỏng các kết cấu phức tạp, sát với thực tế cho kết quả có độ chính xác cao. Bài báo đã đưa ra được kết luận về khả năng làm việc của kết cấu với lượng nổ cho trước. Giá trị ứng suất cực đại xuất hiện trong kết cấu có tính đến hệ số an toàn nhỏ hơn nhiều so với giá trị ứng suất tới hạn chảy của vật liệu. Do đó kết cấu trong điều kiện làm việc nêu trên đảm bảo độ bền. Bên cạnh đó đề xuất được giá trị giới hạn của lượng nổ mà kết cấu có thể sử dụng dưới 600kg. Kết quả mô phỏng có thể được sử dụng để tính toán thiết kế sơ bộ kết cấu của khoang chiến đấu. Hình 7. Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của ứng suất cực đại và biến dạng tổng cực đại vào khối lượng thuốc nổ khoang chiến đấu. Tên lửa & Thiết bị bay T. M. Tuân, N.P.Thắng, C.D.Lành “Kiểm bền kết cấu ... ANSYS Workbench.” 16 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Nguyễn Hoa Thịnh, Hoàng Xuân Lượng, Nguyễn Đức Cương, Trịnh Hồng Anh, Nguyễn Minh Tuấn, “Kết cấu và tính toán độ bền khí cụ bay ”, Nhà xuất bản KHKT, năm 2005, trang 76, 78. [2]. В.И. Моссаковского – “Прочность ракетных конструкций”. Москва “Высшая Школа”, 1990г. [3]. Trần Mạnh Tuân, Nguyễn Phú Thắng, Chu Duy Lành, “Xác định một số thông số khí động của thiết bị bay trong môi trường ANSYS CFX”, Tạp chí nghiên cứu khoa học và công nghệ Quân sự tháng 4 năm 2014, trang 92 - 99. [4]. Trần Đức Trung, Cao Bá Ninh “Báo cáo tổng kết đề tài: Tính toán nguyên lý và triển khai chế tạo một số cụm chức năng của tên lửa hành trình đối hải với vận tốc bay dưới âm”, Viện Tên lửa, Viện KH-CN Quân sự, tháng 9 năm 2005. ABSTRACT STRUCTURAL STRENGTH ESTIMATING OF MISSILE FULSAGE IN THE ANSYS WORKBENCH ENVIRONMENT The paper presents a approach method to estimate structural strength of missile fulsage in the ANSYS Workbench environment in other to determine the stress distribution and deformation of fulsage section components. Based on the calculated results in simulation program, strength and stability estimating of structure can be done. The results are also used to determine the load capacity of the structure. Keywords: Structural strength estimating, ANSYS Workbench, ANSYS Static Structural, FSI. Nhận bài ngày 05 tháng 06 năm 2014 Hoàn thiện ngày 02 tháng 12 năm 2014 Chấp nhận đăng ngày 10 tháng 02 năm 2015 Địa chỉ: Viện Tên Lửa, Viện KH-CNQS; Tel: 0972.450.813; Email: tuanmanh1308@gmail.com.