Nghiên cứu ảnh hưởng của kết cấu phần mũi lõi xuyên đến khả năng xuyên thép của đầu đạn xuyên động năng

Cơ kỹ thuật & Kỹ thuật cơ khí động lực N. Đ. Hùng, , T. Đ. Thành, “Nghiên cứu ảnh hưởng của đầu đạn xuyên động năng.” 170 NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA KẾT CẤU PHẦN MŨI 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 một số thông số kết cấu phần mũi 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 bắn đạn thật tại trường bắn. Kết quả nghiên cứu đóng góp cơ sở lý luận khoa học phục vụ cho việc lựa chọn kết cấu của lõi xuyên khi thiết kế, chế tạo đạn xuyên động năng. Từ khóa: Phần mũi; Xuyên thép; Đạn xuyên động năng; Lõi xuyên. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Đạn xuyên giáp dùng cho súng bộ binh được trang bị phổ biến trong Quân đội của các nước trên thế giới nhằm phá hủy các mục tiêu bọc thép nhẹ (có thành mỏng) như các xe quân chở quân, trực thăng, và đồng thời, đạn cũng được dùng để tiêu diệt sinh lực mặc áo giáp. Đạn xuyên giáp có rất nhiều cỡ khác nhau phổ biến là cỡ 5,56mm, 7,62mm, 9mm, 12,7mm và 14,5mm [1, 2]. Cấu tạo chung của các loại đầu đạn xuyên giáp bao gồm lõi xuyên và vỏ bọc, trong đó lõi xuyên là chi tiết đặc biệt quan trọng, quyết định lớn đến khả năng xuyên thép của từng loại đạn, ngoài ra ở một số loại đạn còn có thể có thêm liều thuốc cháy để tăng khả năng phá cháy mục tiêu hoặc thêm liều thuốc vạch đường để tăng khả năng quan sát khi bắn vào ban đêm. Khả năng xuyên của đầu đạn xuyên động năng chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố khác nhau như kết cấu, vật liệu của lõi xuyên; kết cấu, vật liệu của mục tiêu và điều kiện va chạm giữa đầu đạn và mục tiêu. Trong đó chiều dài phần mũi lõi xuyên có ảnh hưởng lớn đến khả năng xuyên thép của đầu đạn. Các công trình nghiên cứu của Eichelberger và Gehring năm 1962, Christman và cộng sự năm 1963, Kinslow năm 1970, Kawata và Shiori năm 1978,... chỉ ra rằng, mô hình hiện tượng va đập tốc độ cao của các viên đạn có tỉ lệ L/D nhỏ (trong đó L – chiều dài phần đầu đạn, D – cỡ đạn) hoặc đầu đạn hình cầu vào mục tiêu có bề dày lớn xảy ra theo bốn giai đoạn như trên hình 1 [8, 9]: - Giai đoạn ban đầu: Ngay sau khi va đập, tại bề mặt tiếp xúc xuất hiện một áp lực vô cùng lớn, áp lực này được tính theo Hugoniot: = . . trong đó: ρ - Mật độ vật liệu mục tiêu; us - Vận tốc va đập; up - Tốc độ âm thanh trong vật liệu mục tiêu. Giai đoạn này diễn ra rất nhanh. Đối với các đầu đạn phẳng, chỉ trong thời gian 01 nano giây; đối với đầu đạn có phần mũi hình cầu, giai đoạn này được tính bằng thời gian đầu đạn đi hết chiều cao phần mũi. Do vậy giai đoạn này chịu ảnh hưởng chủ yếu của kết cấu phần mũi đạn và là đầu vào của giai đoạn tiếp theo. - Giai đoạn thâm nhập ổn định: Giai đoạn này rất quan trọng và thời gian phụ thuộc vào tỉ lệ L/D, tỉ lệ L/D càng lớn thì thời gian càng dài. Trong giai đoạn này, xung va đập ban đầu liên tục bị suy yếu dẫn đến vận tốc va đập giảm dần. - Giai đoạn tạo lỗ xuyên: Giai đoạn này áp lực tại vùng biến dạng trong đạn giảm dần và tiếp tục diễn ra cho đến khi mật độ năng lượng sau sóng va đập trở nên quá nhỏ để Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 60, 4 - 2019 171 thắng được độ bền của vật liệu mục tiêu. Tại thời điểm này, sóng va đập chuyển thành sóng đàn hồi dẻo và tiếp tục di chuyển trong mục tiêu. - Giai đoạn phục hồi: Đây là giai đoạn phản ứng ngược lại của vật liệu mục tiêu xảy ra khi sóng ứng suất bị suy yếu đến mức không tồn tại dòng chảy dẻo của vật liệu hoặc biến dạng dẻo lớn của mục tiêu. Mô hình các giai đoạn thâm nhập mục tiêu được trình bày trên hình 1. Hình 1. Các giai đoạn xuyên thép. Qua những nghiên cứu trên nhận thấy, kết cấu phần mũi của đạn ảnh hưởng trực tiếp đến giai đoạn ban đầu của đầu đạn xuyên động năng, là đầu vào của giai đoạn thâm nhập ổn định và ảnh hưởng lớn đến khả năng xuyên thép. Trong khuôn khổ của bài báo, tác giả trình bày kết quả nghiên cứu bằng phương pháp mô phỏng số và kiểm chứng bằng thực nghiệm để đánh giá ảnh hưởng của kết cấu phần mũi lõi xuyên đến khả năng xuyên thép của đầu đạn xuyên động năng. 2. MÔ PHỎNG KHẢ NĂNG XUYÊN THÉP CỦA ĐẦU ĐẠN XUYÊN ĐỘNG NĂNG VÀO BẢN THÉP ĐỒNG NHẤT 2.1. Mô hình mô phỏng bằng phần mềm ANSYS AUTODYN Xem xét bài toán va xuyên giữa đầu đạn xuyên động năng 7,62x51 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 2. Mục tiêu là bản thép đồng nhất, bề dày 26mm, 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]. II IIII IV Cơ kỹ thuật & Kỹ thuật cơ khí động lực N. Đ. Hùng, , T. Đ. Thành, “Nghiên cứu ảnh hưởng của đầu đạn xuyên động năng.” 172 Hình 2. Kết cấu lõi xuyên. Để đánh giá ảnh hưởng của hình dạng và kích thước phần mũi, tiến hành khảo sát quá trình va xuyên của 06 lõi xuyên có cùng đường kính d = 5,05mm và có chiều dài phần mũi khác nhau, lm = 3,56; 3,76; 3,96; 4,16; 4,36 và 4,56mm, tương ứng các bán kính cong phần mũi lần lượt là R = 1,755; 1,655; 1,550; 1,440; 1,340; 1,230mm. Chiều dài của đầu đạn (L0) được tính để đảm bảo khối lượng các lõi xuyên không đổi (mloi = 5,08 gam). Hình 3. Mô hình phần tử hữu hạn. Khi mô phỏng, thực hiện xây dựng mô hình hình học trên ứng dụng Design Modeler tích hợp sẵn trong ANSYS Workbench. Xây dựng 1/4 mô hình và sử dụng 02 bề mặt đối xứng để tiết kiệm dung lượng bộ nhớ của máy tính. Mô hình phần tử hữu hạn (hình 3) 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. 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:     mpinpiy TeCBA  1ln1 0 trong đó A, B, C, m và n – Các hệ số vật liệu được xác định qua thực nghiệm; p i - Cường độ biến dạng dẻo; p ie 0 – Cường độ tốc độ biến dạng dẻo; 0 0 TT TT T nc    , T  Nhiệt độ quy đổi (oK); T0 – Nhiệt độ môi trường ( oK); Тnc – Nhiệt độ nóng chảy của vật liệu ( oK). Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 60, 4 - 2019 173 - Phương trình trạng thái Shock: )( HH EEppp    2 2 00 11 )1(      s cp pH           12 1 0p p E HH Vận tốc sóng va đập U được tính theo công thức: 2 211 pp uSuSCU  trong đó C1, S1, S2 – các hệ số; up – vận tốc môi trường;  – Hệ số Greneisen. trong đó: C, S1, S2, S3,  – các hệ số Giá trị các thông số vật liệu như trong bảng 1 [7]. Bảng 1. Thông số vật liệu lõi xuyên và mục tiêu. Thông số vật liệu Đơn vị Lõi xuyên (Tung. alloy) Mục tiêu (Thép 1006) Phương trình trạng thái Gruneisen Khối lượng riêng,  kg/m3 17000 7896 Hệ số Gruneisen  1,54 2,17 Hệ số C1 m/s 4029 4569 Hệ số S1 1,237 1,49 Hệ số S2 s/m 0 Nhiệt dung riêng J/kgK 134 452 Mô hình bền Johnson Cook Mô đun cắt GPa 160 81,8 Giới hạn chảy tĩnh, A MPa 1506 350 Hệ số hóa cứng, B MPa 177 275 Số mũ hóa cứng, n - 0,12 0,36 Hệ số tốc độ biến dạng, C - 0,016 0,022 Số mũ mềm nhiệt, m - 1,0 1,0 Nhiệt độ nóng chảy, Tnc 0K 1723 1811 Điều kiện phá hủy: Biến dạng chính lớn nhất cho phép - 0,4 0,5 Sau khi mô phỏng cần cần xác định chiều sâu xuyên của đầu đạn khi xuyên vào thép đồng nhất đối với các phương án thiết kế phần mũi đầu đạn khác nhau. So sánh với kết quả thực nghiệm để đánh giá khả năng ứng dụng mô hình tính toán mô phỏng. Cơ kỹ thuật & Kỹ thuật cơ khí động lực N. Đ. Hùng, , T. Đ. Thành, “Nghiên cứu ảnh hưởng của đầu đạn xuyên động năng.” 174 2.2. Các kết quả mô phỏng bằng phần mềm ANSYS AUTODYN Trên hình 4, ứng với các đầu đạn có chiều dài phần mũi khác nhau, trình bày hình ảnh khi đầu đạn dừng lại trong mục tiêu (hình 4, a, b, c - ứng với các trường hợp đầu đạn không xuyên quan bản thép) và khi lõi vừa ra khỏi mục tiêu (hình 4, d, đ, e - ứng với các đầu đạn xuyên thủng bản thép). Hình 4. Kết quả xuyên thép của các phương án thiết kế lõi xuyên. Trên hình cũng thể hiện giá trị vận tốc lõi xuyên sau khi xuyên thủng mục tiêu (vd). Trên hình 5 trình bày đồ thị biến đổi vận tốc của đầu đạn trong quá trình va xuyên. a) Lõi xuyên có lm=3,56 mm b) Lõi xuyên có lm= 4,36 mm Hình 5. Đồ thị vận tốc lõi xuyên. e) lm=4,56 mm vd = 32,8 m/s đ) lm=4,36 mm vd = 165,6 m/s d) lm= 4,16 mm vd = 121,5 m/s c) lm=3,96 mm b) lm= 3,76 mm a) lm=3,56 mm Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 60, 4 - 2019 175 Qua kết quả mô phỏng nhận thấy, phần mũi lõi xuyên ảnh hưởng đáng kể đến khả năng xuyên thép của đầu đạn. Với phương án thiết kế chiều dài phần mũi lõi xuyên lm = 4,36 mm, đầu đạn có khả năng xuyên bản thép là tốt nhất. Với các phương án chiều dài phần mũi lõi xuyên nhỏ hơn lm = 4,36mm, khả năng xuyên tăng lên khi tăng chiều dài phần mũi. Tuy nhiên khi khi chiều dài quá lớn, quá trình xuyên bản thép ở giai đoạn đầu, nhưng do độ bền phần mũi không cao (do tiết diện phần mũi nhỏ hơn so với phần thân) dẫn đến hiệu quả xuyên giảm. Kết quả, với phương án lm = 4,56 mm, đạn xuyên thủng bia, nhưng vận tốc còn lại của đầu đạn khi xuyên qua bia thép bị giảm đi so với phương án lm = 4,36 mm. Có thể kết luận rằng, phương án lm=4,36 mm là phương án tối ưu so với các phương án đã khảo sát, tốc độ sau khi xuyên thủng bia của lõi xuyên cũng đạt vận tốc lớn nhất (vd = 165,6 m/s). 3. THỰC NGHIỆM KHẢ NĂNG XUYÊN THÉP CỦA LÕI XUYÊN. 3.1. Điều kiện tiến hành thực nghiệm Thực nghiệm được tiến hành tại trường bắn nhà máy Z113/ Tổng cục Công nghiệp Quốc phòng. Súng thử nghiệm có kết cấu phần nòng súng chuyên dùng cho thử nghiệm, được kiểm định định kỳ theo quy định sử dụng thiết bị thử nghiệm chuyên dụng. Sử dụng thiết bị đo bia quang (máy Mibus) để đo tốc độ của đầu đạn. Dùng Crusher loại 0,2cm2, trụ đồng 46,5 mm, dư áp 2.300 kG/cm2 để đo áp suất trong vỏ liều. Bia thép mục tiêu là thép CT-3 có độ dày 26 mm đạt yêu cầu theo tiêu chuẩn cơ sở thử nghiệm. Lõi xuyên theo hai phương án thiết kế có chiều dài phần mũi đạn khác nhau (lm1 = 3,96 mm; lm2 = 4,36 mm), cùng các bán thành phẩm được tổng lắp theo yêu cầu của tài liệu thiết kế [1]. Kết cấu của đạn được trình bày trên hình 6. Hình 6. Kết cấu đầu đạn xuyên giáp 7,62x51 mm. Hình 7. Hai phương án thiết kế lõi xuyên cho đạn 7,62x51 mm. Vỏ Lõi xuyên Áo chì lm1 = 3,96 mm lm2= 4,36 mm Cơ kỹ thuật & Kỹ thuật cơ khí động lực N. Đ. Hùng, , T. Đ. Thành, “Nghiên cứu ảnh hưởng của đầu đạn xuyên động năng.” 176 Sơ đồ thử nghiệm được bố trí trên hình 8: Hình 8. Sơ đồ bố trí thử nghiệm. Cách thức tiến hành thử nghiệm: Mục tiêu đặt cách miệng nòng 100 m. Nòng súng đặt vuông góc với mục tiêu. Bố trí đo vận tốc của đạn ở cự ly 25 m theo quy định của tài liệu thiết kế; số lượng bắn 20 viên; xác định vận tốc trung bình V25tb và độ chênh lệch vận tốc Δ25 giữa vận tốc lớn nhất và nhỏ nhất của đạn trong nhóm bắn. Xác định khả năng xuyên bia mục tiêu của lõi xuyên ở hai phương án thiết kế. 3.2. Kết quả thử nghiệm Kết quả bắn được thể hiện trên hình 9 a) Bắn với lõi xuyên lm = 3,96 mm b) Bắn với lõi xuyên lm = 4,36 mm Hình 9. Mặt trước (hình bên trái) và mặt sau (hình bên phải) của bia thép sau khi bắn thử nghiệm với bia bề dày 26mm. Bảng 2. Kết quả thực nghiệm đo vận tốc và khả năng xuyên của đầu đạn. Thứ tự Nội dung Đơn vị Chiều dài lm, mm Ghi chú 4,36 3,96 1 Vận tốc trung bình V25tb m/s 833,7 827,8 2 Chênh lệch vận tốc Δ25 m/s 25,0 17,2 3 Khả năng xuyên bia thép: - Bia thép dày δ = 22 mm viên 10/10 10/10 - Bia thép dày δ = 26 mm viên 10/10 04/08 2 phát không trúng bia 4. KẾT LUẬN Qua tính toán mô phỏng, kiểm chứng bằng thực nghiệm nhận thấy kết quả giữa tính toán và thực nghiệm về cơ bản tương đối phù hợp. Các kết quả khảo sát trên cơ sở ứng dụng mô phỏng bằng phần mềm ANSYS AUTODYN cho kết quả một cách tường minh. Đối với kết quả thực nghiệm khi khảo sát với lõi xuyên có lm = 3,96 mm cho 04/08 phát xuyên, có thể nhận định với kết cấu phần mũi như trên, chiều dày xuyên thép 26 mm đã nằm trong vùng giới hạn xuyên của lõi xuyên và phù hợp với tính toán mô phỏng. Kết quả mô phỏng đạn đã xuyên hết chiều dài bia nhưng chưa xuyên thủng, mũi đạn đã lộ ra mặt sau của bia (hình 4 c). Kết quả của bài toán tính toán mô phỏng cho thấy các dữ liệu vật liệu đầu vào được lựa chọn là phù hợp với thực tế, có những sai số chấp nhận được. Một số nguyên nhân dẫn đến sai số có thể kể đến như: δ Súng thử nghiệm Bia thép Bia quang Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 60, 4 - 2019 177 - Bỏ qua chuyển động quay của đạn và gia tốc trọng trường; - Các sai lệch do tham số vật liệu đầu vào, một số dữ liệu trong thư viện vật liệu là gần đúng và các điều kiện tiến hành thử nghiệm thực tế (vận tốc đo được tính giá trị trung bình, tính toán vận tốc chạm theo lý thuyết,...). Như vậy với bộ tham số vật liệu đã được xác định cùng với các tham số vật liệu trong thư viện ANSYS AUTODYN, hoàn toàn có thể tiến hành mô phỏng quá trình xuyên của đầu đạn xuyên động năng vào bản thép. Kết quả mô phỏng tương đối sát với thực tế, có thể áp dụng trong quá trình thiết kế sản phẩm và đánh giá uy lực của đạn. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Đề tài cấp Tổng cục Công nghiệp Quốc phòng: “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo đạn xuyên cỡ 7,62×51 mm NATO”. [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]. Autodyn Training Course. Ansys Workbench Release 11.0.2006. [5]. Hallquist, John O. LS-DYNA theoretical manual. Livermore Software Technology Corporation, 2006. [6]. Jane’s Ammunition Handbook 2001 – 2002. [7]. LA-4167-MS. May 1 1969. Selected Hugoniots: EOS 7th Int. Symp. Ballistics. Johnson & Cook. [8]. Зукас Дж. А., Киколас Т., Свифт Х. Ф., Грешук Л. Б., Курран Д. Р. И др. Динамика удара: пер. с англ. М., Мир, 1985. [9]. Высокоскоростные ударные явления: пер. с англ. М., Мир, 1973. ABSTRACT A STUDY ON THE EFFECTS OF PENETRATOR NOSE SHAPE AND LENGTH ON PENETRATION CAPABILITY OF ARMOR-PIERCING ROUNDS Numerical simulations were performed to study the effect of the length of the nose section on the penetration capability of armor piercing rounds. Ballistic results, deformations of the targets and bullets were discussed in comparison 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. Keywords: Nose section; Penetration; Armor piercing bullets; Piercing core. Nhận bài ngày 12 tháng 12 năm 2018 Hoàn thiện ngày 16 tháng 01 năm 2019 Chấp nhận đăng ngày 16 tháng 4 năm 2019 Địa chỉ: 1Viện Vũ khí/ Tổng cục Công nghiệp quốc phòng. 2Cục Quản lý Công nghệ/ Tổng cục Công nghiệp quốc phòng 3Viện Khoa học và Công nghệ quân sự 4Học viện Kỹ thuật quân sự *Email: dhungvvk@gmail.com.