Sử dụng phần mềm mô phỏng khí động học ansys nghiên cứu tính ổn định đầu đạn giảm thanh được thiết kế bằng phương pháp ống và lỗ khí động

Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Tên lửa, 09 - 2016 299 SỬ DỤNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG KHÍ ĐỘNG HỌC ANSYS NGHIÊN CỨU TÍNH ỔN ĐỊNH ĐẦU ĐẠN GIẢM THANH ĐƯỢC THIẾT KẾ BẰNG PHƯƠNG PHÁP ỐNG VÀ LỖ KHÍ ĐỘNG Võ Thiên Sơn1*, Trần Phú Hoành2 Tóm tắt: Đạn giảm thanh theo nguyên lý piston-xilanh có tác dụng giảm thanh khi bắn, đầu đạn chuyển động theo quán tính đến mục tiêu nhờ động năng piston truyền cho. Với kết cấu đầu đạn có hình trụ dài, do vậy việc nghiên cứu điều kiện ổn định của đầu đạn trên đường bay là vấn đề cần giải quyết. Bài báo đưa ra hình dáng kết cấu đầu đạn theo nguyên lý ổn định bằng ống và lỗ khí động, đồng thời trình bày phương pháp tính toán tính ổn định của đầu đạn giảm thanh bằng ống và lỗ khí động có ứng dụng phần mềm ANSYS FLUENT. Từ khóa: Đạn giảm thanh, Lỗ khí động, Độ ổn định tĩnh. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Đạn giảm thanh là loại đạn khi bắn có âm thanh đầu nòng nhỏ, hiệu ứng giảm thanh là do các cơ cấu bên trong đạn tạo ra chứ không kết hợp với vũ khí (như ống giảm thanh). Súng chỉ có tác dụng phát hỏa và định hướng chuyển động cho đầu đạn nên không tham gia phát bắn như các loại vũ khí nhiệt động kín thông thường khác. Trên cơ sở nguyên lý hoạt động của đạn và đảm bảo tính linh hoạt trong sử dụng nên nhóm tác giả đã chọn súng rulo để ứng dụng bắn đạn giảm thanh. Các kích thước của đạn được tính toán phù hợp với kết cấu của súng. Đầu đạn là phần tử dùng để tiêu diệt mục tiêu, quá trình thiết kế, chế tạo, thử nghiệm đã đưa ra các lựa chọn về hình dáng, các thông số kết cấu theo các đặc tính động học đã xác định. Đối với đạn giảm thanh, để đảm bảo quá trình truyền động năng và định vị chuyển động của đầu đạn trong xilanh khi bắn nên đầu đạn có hình trụ dài (5,7d). Từ kết cấu hình dạng của đầu đạn và ổn định của đầu đạn đến mục tiêu là chuyển động quán tính nên coi đầu đạn là vật thể bay và cần có các yếu tố phân tích khí động liên quan đến chuyển động của đầu đạn. Xét viên đạn giảm thanh theo nguyên lý piston-xilanh có kết cấu như hình vẽ: Hình 1. Nguyên lý kết cấu đạn piston-xylanh. 1. Xilanh; 2. Đầu đạn; 3. Piston; 4. Thuốc phóng; 5. Bộ phát hỏa. Khi bộ phát hỏa (5) làm việc tạo ra tia lửa mồi cháy cho thuốc phóng (4), thuốc phóng cháy tạo ra sản phẩm khí có nhiệt độ, áp suất cao, áp suất tăng nhanh Cơ học & Điều khiển thiết bị bay V.T. Sơn, T.P. Hoành, “Sử dụng phần mềm mô phỏng ống và lỗ khí động.” 300 và giãn nở sinh công, đến khi đủ lớn thắng được lực cản ban đầu của piston (3) và xilanh (1), piston chuyển động mang đầu đạn (2) chuyển động theo, khi piston chạm vào bậc giữ của xilanh (1) thì dừng lại và bịt kín khí thuốc không cho thoát ra ngoài, đầu đạn (2) tiếp tục chuyển động đến mục tiêu nhờ lực quán tính. Sản phẩm cháy hoàn toàn nằm trong buồng kín và được giữ lại trong xilanh, phần bay đi chỉ có đầu đạn, phần giữ lại bao gồm xilanh, piston và sản phẩm cháy do thuốc phóng tạo ra. Hình 2. Sản phẩm súng, đạn giảm thanh. Với các loại súng truyền thống, trong nòng súng có rãnh xoắn, nên khi ra khỏi nòng đầu đạn xoay quanh trục dọc của thân nên tạo nên mô men ổn định giúp đường đạn ổn định trong không gian. Do kết cấu đầu đạn giảm thanh dài nên thiết kế rãnh xoắn sẽ phức tạp và làm giảm động năng, sơ tốc đầu nòng. Để khắc phục những nhược điểm đó và phù hợp với mục đích sử dụng, súng bắn đạn giảm thanh theo nguyên lý piston-xilanh được thiết kế không có rãnh xoắn. Như vậy, phần đầu đạn bay ra ngoài bay theo quỹ đạo bài toán thuật phóng ngoài không có lực tác dụng sau cùng của khí thuốc, đầu đạn không quay. Với mục đích là đảm bảo đạn bay ra có độ ổn định và độ chụm cao, nhóm tác giả đề xuất phương án khoét lỗ ở đuôi đầu đạn tạo ống và lỗ ổn định như bản vẽ kỹ thuật ở hình 3. Quá trình thử nghiệm cho thấy, đầu đạn có thiết kế như vậy, cho hiệu quả chiến đấu tốt hơn nhiều so với đầu đạn thông thường (không khoét lỗ ở đuôi đầu đạn): xác xuất trúng bia 80% so với 30%, khả năng đâm xuyên cũng tốt hơn do đầu đạn không bị đập thân vào bia. Trong khuôn khổ bài báo này, nhóm tác giả sử dụng phần mềm mô phỏng ANSYS và lý thuyết động học bay để lý giải hiệu quả về mặt thiết kế của phương án khoét lỗ đuôi so với phương án không khoét lỗ. Từ đó thấy được sự khả thi trong giải pháp kỹ thuật này. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Tên lửa, 09 - 2016 301 2. XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐẠN VÀ BÀI TOÁN ĐỘNG HỌC BAY CỦA ĐẦU ĐẠN 2.1. Các tham số đầu đạn Đầu đạn có khoét lỗ khí động (a) Tỷ trọng = 0.00785 g/mm3 Khối lượng đạn = 5.41 grams Thể tích = 689.56 mm3 Diện tích tổng thể = 866.72 mm2 Tâm khối: (mm) X = -0.00; Y = 19.88; Z = 0.00 Mô men quán tính (đơn vị g.mm2): Lxx = 570.36; Lxy = 0.00; Lxz = -0.00 Lyx = 0.00; Lyy = 23.47; Lyz = -0.00 Lzx = -0.00; Lzy = -0.00; Lzz = 570.36; Đầu đạn không khoét lỗ khí động (b) Tỷ trọng = 0.00785 g/mm3 Khối lượng đạn = 5.82 grams Thể tích = 703.01 mm3 Diện tích tổng thể = 883.12 mm2 Tâm khối: (mm) X = -0.00; Y = 21.27; Z = 0.00 Mô men quán tính (đơn vị g.mm2): Lxx = 567.31; Lxy = 0.00; Lxz = -0.00 Lyx = 0.00; Lyy = 24.11; Lyz = -0.00 Lzx = -0.00; Lzy = -0.00; Lzz = 567.31; Hình 3. Các tham số hình dạng của đạn có lỗ khí động (a) và không có lỗ khí động (b). 2.2. So sánh độ dự trữ ổn định tĩnh trên cơ sở phần mềm Ansys Fluent/CFX 2.2.1. Mô hình hình học, xây dựng lưới tính toán và thiết lập trình giải bằng ANSYS.CFX a b Hình 4. Mô hình hình học và hệ tọa độ tính toán mô phỏng đạn không có lỗ khí động (a) và có lỗ khí động (b) Mô hình hình học: Dựa trên cơ sở các loại đầu đạn giảm thanh, nhóm tác giả xây dựng được mô hình hình học của đạn như hình 4. Cơ học & Điều khiển thiết bị bay V.T. Sơn, T.P. Hoành, “Sử dụng phần mềm mô phỏng ống và lỗ khí động.” 302 Rời rạc hóa mô hình (chia lưới): Sử dụng phương pháp chia lưới tứ diện không cấu trúc, dùng phần mềm chia lưới Ansys Meshing. Ví dụ: trong trường hợp góc tấn lựa chọn là 50, các tham số lựa chọn như sau: Hình 5. Các tham số chia lưới được lựa chọn. Cụ thể, các tham số chính được lựa chọn như sau: Use advanced size function: On: Proximity and Curvature Min size=0.001[m] Inflation: Use automatic inflation: program controlled Inflation option: First layer thickness First layer height=0.001[m] Các tùy chọn khác để mặc định, kết quả: Số nút lưới: 401998; Chất lượng trực giao lưới (Orthogonal Quality): min=0.034 (chấp nhận được). Thiết lập trình giải: Điều kiện đầu vào quá trình mô phỏng: Độ cao bay H=1 m và vận tốc V0=210 m/s. Các tùy chọn khác để mặc định. Kết quả mô phỏng: Hình 6. Phân bố đường dòng. Hình 7. Phân bố áp suất. Bảng 1. Vị trí tâm áp XF theo các góc tấn khác nhau như sau (tính từ đầu mũi quả đạn). Góc tấn Loại đạn 00 10 30 40 50 Đạn thông thường (mm) 18,24 19,25 19,34 20,11 21,05 Đạn khoét lỗ đuôi (mm) 26.12 27.10 27.15 28.21 28.75 Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Tên lửa, 09 - 2016 303 Có thể thấy rằng: - Từ hình 6, đường dòng có hiện tượng đi vào trong lỗ khoét ở đuôi, bắt đầu có hiện tượng chảy ngược, tạo xoáy dòng. Hiện tượng này làm tăng lực cản đáy xong có tác dụng đẩy tâm áp về phía sau, tăng độ dự trữ ổn định tĩnh của đạn (phần này sẽ được trình bày ở phần 2.2.2); - Cũng từ hình 6, đường dòng ở đáy kém trơn tru hơn so với khi chưa khoét lỗ. Dòng chảy rối hơn do hiện tượng đan xen tia dòng đi ra từ trong lòng đạn với dòng chảy bao quanh thân đạn. Hiện tượng tách dòng cũng xảy ra sớm hơn. Từ đó, có thể dự đoán được tâm áp sẽ bị lùi về sau trong trường hợp đạn khoét lỗ; - Phần dòng chảy bao bên ngoài tương đối trơn tru, chưa hình thành hiện tượng sóng xung kích cục bộ, do đó viên đạn không chịu ảnh hưởng của lực cản sóng. 2.2.2. Độ dự trữ ổn định tĩnh của thiết bị bay Độ dự trữ ổn định tĩnh của thiết bị bay là một khái niệm đánh giá độ ổn định của thiết bị bay theo các kênh: trục dọc và kênh ngang. Đây là đánh giá mang tính định tính. Theo đó ta được biết, tính ổn định dọc của thiết bị bay (trong trường hợp của chúng ta là đầu đạn giảm thanh) là khả năng của nó có thể giữ được chế độ bay cho trước và quay lại chế độ đó sau khi chịu tác động của các yếu tố bên ngoài làm thay đổi cân bằng lực và mômen lực ban đầu trên mặt phẳng đối xứng của nó [3]. Độ dự trữ ổn định tĩnh được tính theo công thức sau: D = XTF/L*100%; (1) Trong đó: D: độ dự trữ ổn định tĩnh; XTF: Khoảng cách tính từ tâm khối XT tới tâm áp XF; L: Chiều dài thân đầu đạn; Khi đó, D càng lớn thì độ ổn định của đầu đạn càng lớn trước các tác động. Tức là đường đạn càng ổn định. Hình 8. Vị trí tâm áp và tâm khối. Như vậy, từ công thức (1) ta có bảng giá trị độ dự trữ ổn định tĩnh của hai loại đầu đạn như sau: Bảng 2. Độ dự trữ ổn định tĩnh theo các góc tấn khác nhau . Góc tấn Loại đạn 00 10 30 40 50 Đầu đạn thông thường (%) -4,22 -1,62 -1,39 0,59 3,01 Đầu đạn khoét lỗ đuôi (%) 16,08 18,60 18,73 21,46 22,86 Từ bảng 2, có thể đánh giá mang tính định tính rằng, đầu đạn khoét lỗ đuôi có độ dự trữ ổn định tĩnh cao hơn. Do vậy, tính ổn định của đầu đạn cao hơn so với đầu đạn thông thường. Điều đó lý giải sơ bộ được nguyên nhân thực nghiệm đầu Cơ học & Điều khiển thiết bị bay V.T. Sơn, T.P. Hoành, “Sử dụng phần mềm mô phỏng ống và lỗ khí động.” 304 đạn khoét lỗ đuôi có độ chụm cao và khả năng đâm xuyên bia tốt hơn đầu đạn thông thường. 2.3. Đánh giá độ ổn định của đường đạn dựa trên các phương trình động học bay Do là đầu đạn không quay, nên ta có thể giả thiết đầu đạn chuyển động trong một mặt phẳng thẳng đứng. Khi đó, chuyển động của đầu đạn được mô tả bởi các phương trình động học bay như sau [4]: 1 ( ), 1 ( ), 1 ( ), 1 ( ( ) ), . z z y x y x z V PCos X GSin m PSin Y GCos mV PCos Sin Z mVCos M I I I H VSin                                            Hình 9. Sơ đồ lực tác dụng trong mặt phẳng thẳng đứng. Trong đó: V [m/s]: Vận tốc bay của đầu đạn; G[N]: Trọng lượng của đầu đạn; X, Y, Z[N]: Lực cản chính diện; lực nâng; lực cạnh; P[N]: Lực đẩy (trong trường hợp này P = 0 N);  [rad]: Góc tạo bởi vận tốc tức thời đầu đạn và mặt đất; H [m]: Độ cao đầu đạn; Các thành phần góc và vận tốc góc theo trục OY, OZ là bằng 0. Góc tấn  0 đóng vai trò là góc nhiễu động, đặc trưng cho độ lớn của tác động nào đó khiến đầu đạn bay không ổn định. Đầu đạn có độ ổn định tốt là sau một thời gian nhất định góc nhiễu động nhỏ dần về 00. Điều kiện đầu vào của bài toán: M (khối lượng đầu đạn không đổi) = 0,0055 kg; V0=210(m/s); t0=0(s);  0=0,2(rad);  0= 0+ 0(rad); cao độ H0=1m. Kết quả giải hệ phương trình động lực học bay với các điều kiện biên như sau (trục tung – góc tấn  0; trục hoành – thời gian): Bảng 3. Kết quả ổn định của đạn phụ thuộc vào góc nhiễu động.  0=5 0  0=8 0  0=10 0  0=15 0 Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Tên lửa, 09 - 2016 305 Từ bảng kết quả có thể thấy rằng: - Góc nhiễu động nhỏ dần, đầu đạn dần ổn định đường bay theo thời gian; - Với góc nhiễu động nhỏ, đầu đạn nhanh chóng lấy lại vị trí cân bằng (đường đạn ổn định sau khoảng thời gian ít hơn 3.10-2 s, tương đương với đường đạn bay khoảng 5÷8 m). Sau khoảng thời gian này đường đạn ổn định, các nhiễu động đã bị khử hoàn toàn, xác suất trúng bia cũng như độ chụm cao. Kết quả bắn thực nghiệm đã xác định tầm bắn xa nhất đến 60m, tầm bắn hiệu quả từ 20 đến 30m. - Với góc nhiễu động lớn, đạn lấy lại vị trí cân bằng chậm hơn. Đặc biệt là nếu do tác động nào đó làm đầu đạn bay với góc tấn lớn hơn 150 thì xác suất trúng bia là gần như bằng 0. 3. KẾT LUẬN Với mô hình đạn như đã thử nghiệm, kết quả chứng minh về mặt lý thuyết cho thấy độ ổn định của đạn tốt hơn, phù hợp với kết quả thực nghiệm; Hệ số lực cản tăng là phù hợp về mặt lý thuyết, song ảnh hưởng không đáng kể đến hiệu quả chiến đấu của đầu đạn; Đạn có thể ổn định với những nhiễu động không quá lớn, với những nhiễu động lớn thì khả năng ổn định quỹ đạo trở lại là kém hơn (với góc nhiễu động lớn hơn 15o, gần như khả năng tự ổn định là không còn); Hướng phát triển tiếp theo: thiết kế đầu mũi hợp lý để giảm thiểu lực cản chính diện, lựa chọn vật liệu tối ưu để tăng khoảng cách khối tâm và tâm áp, từ đó tăng độ dự trữ ổn định tĩnh của đầu đạn. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. G.A. Danhilin, 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. [2]. Bùi Ngọc Hồi và cộng sự, "Nghiên cứu thiết kế và công nghệ chế tạo mẫu vũ khí siêu nhỏ, giảm thanh, bắn gần theo nguyên lý đạn piston", Viện Tên lửa - TT KHCNQS, 2004-2007. [3]. Г.Н.Абрамович. Прикладная газовая динамика. [4]. А.А. Лебедев, Л.С. Чеpнобровкин. Динамика полета беспилетных летательных аппаратов. Москва. Машиностроение 1973. Cơ học & Điều khiển thiết bị bay V.T. Sơn, T.P. Hoành, “Sử dụng phần mềm mô phỏng ống và lỗ khí động.” 306 ABSTRACT STUDY ON STABILITY OF WARHEAD SILENCER BY USING GAS PIPELINE AND OPERATING LOSS Bullet silencer piston-cylinder principle silencer effect when fired, the bullet moves to target inertia thanks to the kinetic energy transmission piston. With structural long cylindrical warheads, so the study conditions on the stability of the warhead routes are problems to be solved. This paper presents a warhead shape structural stability principle by tubes and aerodynamic losses, and presents methods of calculation warhead stability and hole silencer aerodynamic tube with software applications ANSYS FLUENT. Keywords: Piston, cylinder, Bullet silencer Nhận bài ngày 15 tháng 07 năm 2016 Hoàn thiện ngày 09 tháng 8 năm 2016 Chấp nhận đăng ngày 05 tháng 09 năm 2016 Địa chỉ: 1Phòng Đạn dược/ Cục Quân khí/ TCKT; *Email : Thiensont263@gmail.com 2Viện Tên lửa/ Viện KH-CNQS.