Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn phân tích động lực học vỏ đạn giảm thanh theo nguyên lý piston-xilanh

Một trong những lực quan trọng tác động vào vỏ đạn khi hoạt động là áp suất khí thuốc do quá trình cháy của thuốc phóng sinh ra. Mặc dù thời gian tác động ngắn, song việc tính toán đáp ứng động lực học của vỏ đạn dưới tác dụng của áp suất khí thuốc với cường độ biến đổi theo thời gian là điều cần thiết. Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu động lực học vỏ đạn giảm thanh theo nguyên lý piston-xilanh bằng phương pháp phần tử hữu hạn.
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn phân tích động lực học vỏ đạn giảm thanh theo nguyên lý piston-xilanh Nghiên cứu khoa học công nghệ SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN PHÂN TÍCH ĐỘNG LỰC HỌC VỎ ĐẠN GIẢM THANH THEO NGUYÊN LÝ PISTON-XILANH Võ Thiên Sơn* Tóm tắt: Để nghiên cứu, thiết kế và chế tạo vỏ đạn giảm thanh theo nguyên lý piston-xilanh, điều quan trọng cần phải biết được ứng xử cơ học của vỏ đạn trước các lực tác động khi đạn làm việc. Một trong những lực quan trọng tác động vào vỏ đạn khi hoạt động là áp suất khí thuốc do quá trình cháy của thuốc phóng sinh ra. Mặc dù thời gian tác động ngắn, song việc tính toán đáp ứng động lực học của vỏ đạn dưới tác dụng của áp suất khí thuốc với cường độ biến đổi theo thời gian là điều cần thiết. Bài báo này trình bày kết quả nghiên cứu động lực học vỏ đạn giảm thanh theo nguyên lý piston-xilanh bằng phương pháp phần tử hữu hạn. Từ khóa: Piston, Xy lanh, Đạn giảm thanh. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Trong kết cấu của đạn giảm thanh theo nguyên lý piston-xilanh, vỏ đạn đóng vai trò như một xilanh làm việc trong điều kiện chịu áp suất cao của khí thuốc sinh ra do quá trình cháy của thuốc phóng. Chính vì vậy độ bền của vỏ đạn có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình làm việc của phát bắn. Trước đây, việc tính toán vỏ đạn thường được mô hình hóa dưới dạng xilanh chịu áp suất tĩnh, điều này thuận tiện cho việc tính toán, song không phản ánh được tính chất “động” của hệ khi làm việc do quá trình tác động của áp suất biến đổi theo thời gian và do đó kết quả tính toán không phản ánh được sát thực sự làm việc của hệ. Trong bài báo này, bằng phương pháp PTHH, tác giả phân tích động lực học vỏ đạn giảm thanh chịu áp suất trong, theo mô hình ống xilanh thành dày. 2. NỘI DUNG CẦN GIẢI QUYẾT 2.1. Đặt bài toán, các giả thiết Xét viên đạn giảm thanh theo nguyên lý piston-xilanh có kết cấu như hình 1 5 4 3 2 1 Hình 1. Nguyên lý kết cấu đạn piston-xilanh 1. Xi lanh; 2. Đầu đạn; 3. Piston; 4. Thuốc phóng; 5. Bộ phát hỏa. Trên cơ sở nghiên cứu về cấu tạo và sự làm việc của đạn giảm thanh, có thể thấy quá trình làm việc, vỏ đạn được xem như một ống xilanh thành dày, chịu áp suất trong p = Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 42, 04 - 2016 177  Cơ kỹ thuật & Cơ khí động lực p(t). Do kích thước chiều dài lòng xilanh là bé, thời gian lan truyền áp suất ngắn, nên có thể xem áp suất phân bố đều lên thành xy lanh và tại mỗi thời điểm cường độ áp suất tại mọi vị trí của thành xilanh là như nhau. Lúc này mô hình tính của bài toán được thể hiện như hình 2. A A A p t  A Hình 2. Mô hình tính của bài toán. Bài toán được giải quyết trên cơ sở các giả thiết: Vật liệu đẳng hướng, quan hệ ứng suất và biến dạng tuyến tính, biến dạng bé. 2.2. Các phần tử sử dụng và quan hệ ứng xử cơ học Để mô phỏng kết cấu xilanh mô tả vỏ đạn giảm thanh như trên, tác giả sử dụng loại phần tử khối (solid) đẳng tham số 8 điểm nút, mỗi nút có 3 bậc tự do là các chuyển vị theo các phương x, y và z của hệ trục tọa độ tổng thể. Hình 3. Mô hình hình học của phần tử khối đẳng tham số 8 điểm nút. Chuyển vị của một điểm trong phần tử [2]: T T u v w   N u1 v1 w1  u 8 v8 w 8    N qe , (1) trong đó: ui, vi, wi - các bậc tự do của nút i; [N] – ma trận hàm dạng phần tử; {q}e - véc tơ chuyển vị nút phần tử. Quan hệ biến dạng - chuyển vị của phần tử:    Bqe , (2) với: {}- véc tơ biến dạng; [B] - ma trận biến dạng, chúng có dạng như sau:    x   y  z  xy  xz  yz ,  B     N     B1   B2   B3    B8   , (3) 178 Võ Thiên Sơn, “Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn… theo nguyên lý piston-xilanh.” Nghiên cứu khoa học công nghệ    x 0 0    0 0  y     0 0 N 0 0  ở đây:  Bi       N i  , với:  B    z   0i N 0  .  (4)  i   i  0   0 0 Ni   y x      0 z y    0    z x  2.3. Phương trình mô tả dao động của hệ Dưới tác dụng của áp suất động, sử dụng ...