Nghiên cứu ảnh hưởng của tỉ số giữa chiều dài và đường kính lõi xuyên đến khả năng xuyên thép của đầu đạn xuyên động năng

đánh giá kết quả nhận được với kết quả thử nghiệm. Kết quả nghiên cứu đóng góp cơ sở lý luận khoa học phục vụ cho việc tính toán, thiết kế lõi xuyên khi thiết kế, chế tạo đạn xuyên động năng. Từ khóa: Tỉ số L/D; Xuyên thép; Đạn xuyên động năng; Lõi xuyên. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Trong những năm gần đây, đầu đạn xuyên bắn trên súng bộ binh được phát triển và đưa vào trang bị nhằm tiêu diệt mục tiêu bọc thép nhẹ, phương tiện kỹ thuật cũng như mục tiêu sinh lực mặc giáp. Bên cạnh đầu đạn xuyên truyền thống (xuyên thường, xuyên cháy, xuyên cháy vạch đường) với lõi xuyên bằng thép tôi (thép các bon chất lượng cao và được nhiệt luyện đặc biệt) hoặc thép vonfram [2], những đầu đạn xuyên mới theo nguyên lý đầu đạn xuyên dưới cỡ dạng lưu tuyến, xuyên dưới cỡ dạng thoát vỏ cũng được áp dụng vào đầu đạn súng xuyên nhằm nâng cao uy lực. Đồng thời, do sinh lực ngày càng được che chắn và bảo vệ tốt hơn, các nguyên lý cấu tạo đầu đạn xuyên cũng được áp dụng đối với đầu đạn dùng để tiêu diệt sinh lực địch. Trong quân đội ta, các nhà nghiên cứu đã thiết kế, chế tạo thành công tại Việt Nam đạn súng xuyên thép 7,62x39 mm (hình 1) bắn trên súng tiểu liên AK, AKM [1, 2]. Hình 1. Đạn xuyên thép 7,62 x 39 mm (K56): 1- Vỏ đầu đạn; 2- Lõi xuyên; 3- Áo đạn; 4- Liều phóng. Khả năng xuyên thép của đầu đạn chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố, trong đó, hình dáng, kết cấu và vật liệu lõi xuyên là quan trọng nhất; ngoài ra còn phải kể tới hình dáng, kết cấu và vật liệu mục tiêu; điều kiện khi đầu đạn va chạm vào mục tiêu,). Hiện tượng va đập tốc độ cao của đầu đạn bằng cỡ có tỉ lệ L/d (L – Chiều dài đầu đạn, d – Đường kính đầu đạn) nhỏ hoặc đầu đạn có mũi dạng hình cầu vào mục tiêu có bề dày lớn thường xảy ra theo bốn giai đoạn (hình 2): giai đoạn ban đầu, giai đoạn ổn định, giai đoạn tạo lỗ và giai đoạn phục hồi [4, 9, 10]. Trong các giai đoạn trên, giai đoạn ban đầu phụ thuộc nhiều vào kết cấu phần mũi lõi xuyên; giai đoạn thâm nhập ổn định phụ thuộc vào tỉ lệ L/d. Tỉ lệ L/d càng lớn thì thời gian va xuyên càng dài và do đó, ảnh hưởng trực tiếp đến chiều sâu xuyên của đầu đạn xuyên động năng. Các nghiên cứu về ảnh hưởng của đầu đạn vào mục tiêu nói chung và lõi xuyên vào mục tiêu nói riêng được công bố chủ yếu tập trung vào đầu đạn bằng cỡ, kết cấu đồng nhất. Theo [10], kích thước lỗ xuyên thay đổi lớn hơn khi thử nghiệm thực tế với việc thay đổi tỉ số L/d từ 1 đến 32 của đầu đạn bằng cỡ chế tạo từ hợp kim vonfram (mp = 52 gam, Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 10 - 2020 299 vp = 2000 m/s) vào mục tiêu bán vô hạn (hình 3). Khi tăng tỉ số L/d, chiều sâu xuyên cũng tăng theo. Hình 2. Các giai đoạn xuyên thép. Hình 3. Lỗ xuyên của đầu đạn hợp kim vonfram khi thay đổi tỉ số L/d. Nếu chiều sâu xuyên được hiểu là hiệu quả theo chiều dọc đạn, còn đường kính lỗ xuyên được hiểu là hiệu quả theo chiều ngang thì khi thay đổi L/d, hai đại lượng trên có xu hướng biến đổi trái ngược nhau. Trong [11] đã mô phỏng và khảo sát va xuyên của đầu đạn bằng cỡ dạng hình trụ, mũi hình cầu, làm bằng thép У12, khối lượng 65g vào bản thép 45 bề dày khác nhau, kết quả cho thấy khi tăng tỉ số L/d từ 5 lên 10, vận tốc xuyên thủng giới hạn vào các bản thép giảm khoảng 8,6-10%. Như vậy, tỉ số L/d của lõi xuyên có ảnh hưởng rất lớn đến khả năng xuyên thép của đầu đạn xuyên động năng. Để nghiên cứu phát triển các loại đạn súng xuyên, cần phải có những nghiên cứu lý thuyết, kết hợp với thực nghiệm về ảnh hưởng của tỉ số này trong các điều kiện cụ thể để tạo ra cơ sở dữ liệu phục vụ tính toán, thiết kế các loại tương tự. II IIII IV Cơ học – Cơ khí động lực N. Đ. Hùng, , T. Đ. Thành, “Nghiên cứu ảnh hưởng đầu đạn xuyên động năng.” 300 2. MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH XUYÊN THÉP CỦA ĐẦU ĐẠN SÚNG XUYÊN VÀO BẢN THÉP ĐỒNG NHẤT Theo [1], đạn xuyên giáp 7,62x39 mm có khả năng xuyên thủng áo giáp chống đạn cấp III+ của Việt Nam với tỉ lệ không nhỏ hơn 80% (khi bắn 06 viên, ít nhất có 05 viên xuyên thủng ở khoảng cách 15 m) hoặc xuyên qua bản thép đồng nhất CT-3 dày 18 mm, đặt cách miệng nòng 100 m cũng với tỉ lệ không nhỏ hơn 80% (khi bắn 10 viên, ít nhất có 08 viên xuyên thủng). Do đó, để giải quyết vấn đề này, nhóm tác giả xây dựng mô hình với mục tiêu là bản thép đồng nhất dày 18 mm bằng phần mềm ANSYS AUTODYN để mô phỏng quá trình xuyên này. 2.1. Mô hình khảo sát Xem xét bài toán va xuyên giữa đầu đạn xuyên giáp 7,62x39 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 4. Mục tiêu là bản thép đồng nhất, bề dày 18mm, 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]. Hình 4. Lõi xuyên đạn 7,62x39 mm (K56). Để đánh giá ảnh hưởng của tỉ số L/d, tiến hành khảo sát quá trình va xuyên của 06 lõi xuyên có các tỉ số L/d thay đổi nhưng đảm bảo khối lượng của lõi xuyên là không đổi (mloi = 5,297 gam), thay đổi tham số L dựa trên tham số thiết kế 21,73 theo tài liệu thiết kế ta có tham số đường kính lõi xuyên tương ứng, các tham số L/d khảo sát như sau (bảng 1). Bảng 1. Thông số L/D các mẫu lõi xuyên khảo sát mô phỏng. TT lõi xuyên 1 2 3 4 5 6 7 L 17,73 19,73 21,73 23,73 25,73 27,73 29,73 d 5,526 5,150 4,848 4,596 4,382 4,196 4,034 L/d 3,21 3,83 4,48 5,16 5,87 6,61 7,37 Khi mô phỏng, thực hiện xây dựng mô hình hình học trên ứng dụng Design Modeler tích hợp sẵn trong ANSYS Workbench [7]. Xây dựng mô hình 2D và sử dụng trục đối xứng để tiết kiệm dung lượng bộ nhớ của máy tính. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 10 - 2020 301 Mô hình phần tử hữu hạn (hình 5) 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. Hình 5. Mô hình phần tử hữu hạn. 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 [5, 8, 9]:     01 ln 1 n p p m y i iA B C e T           Trong đó: A, B, C, m và n – Các hệ số vật liệu được xác định qua thực nghiệm; pi - Cường độ biến dạng dẻo; 0 p ie – Cường độ tốc độ biến dạng dẻo; 0 0nc T T T T T    , T  Nhiệt độ quy đổi (oK), T0 – Nhiệt độ môi trường (oK), Тnc – Nhiệt độ nóng chảy của vật liệu (oK). - Phương trình trạng thái Shock [5, 8, 9]: ( )H Hp p p E E     2 0 0 2 (1 ) 1 1 H p c p s          0 1 2 1 H H p E p          Vận tốc sóng va đập U được tính theo công thức: 2 1 1 2p pU C S u S u   , Trong đó: C1, S1, S2 – Các hệ số; up – Vận tốc môi trường;  – Hệ số Greneisen. Giá trị các thông số vật liệu như trong bảng 2 [5]. Cơ học – Cơ khí động lực N. Đ. Hùng, , T. Đ. Thành, “Nghiên cứu ảnh hưởng đầu đạn xuyên động năng.” 302 Bảng 2. 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 14809 7850 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 xác định chiều sâu xuyên của đầu đạn khi xuyên vào thép đồng nhất đối với các phương án thiết kế tỉ số L/d của lõi xuyên khác nhau. So sánh với kết quả thực nghiệm để đánh giá khả năng ứng dụng mô hình tính toán mô phỏng. Để tiến hành giải bài toán, bổ sung một số giả thiết như: bỏ qua chuyển động quay của đạn và gia tốc trọng trường. 2.2. Các kết quả tính toán Sau khi giải, nhận được đồ thị vận tốc và hình ảnh khi lõi xuyên sau khi xuyên thủng mục tiêu ứng với các tỉ số L/d thay đổi như trên các hình 612. Qua các đồ thị này nhận được vận tốc còn lại của lõi xuyên vr khi ra khỏi mục tiêu. Hình 6. Kết quả mô phỏng L/D=3,21, vr = 130,02 m/s. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 10 - 2020 303 Hình 7. Kết quả mô phỏng L/D=3,83, vr = 136,84 m/s. Hình 8. Kết quả mô phỏng L/D=4,48, vr = 138,70 m/s. Hình 9. Kết quả mô phỏng L/D=5,16, vr = 140,86 m/s. Hình 10. Kết quả mô phỏng L/D=5,87, vr = 144,84 m/s. Cơ học – Cơ khí động lực N. Đ. Hùng, , T. Đ. Thành, “Nghiên cứu ảnh hưởng đầu đạn xuyên động năng.” 304 Hình 11. Kết quả mô phỏng L/D=6,61, vr = 148,46 m/s. Hình 12. Kết quả mô phỏng L/D=7,37, vr = 152,65 m/s. Căn cứ kết quả tính toán mô phỏng, xây dựng được đồ thị mối quan hệ giữa vr và tỉ số L/d như trên hình 13: Hình 13. Mối quan hệ giữa vr và tỉ số L/D. Qua kết quả mô phỏng nhận thấy, hình ảnh va xuyên phù hợp với lý thuyết cũng như các tài liệu tham khảo. Các đầu đạn khảo sát đều xuyên thủng bia thép dày 18 mm. 130.02 136.84 138.7 140.86 144.84 148.46 152.65 115 120 125 130 135 140 145 150 155 3.21 3.83 4.48 5.16 5.87 6.61 7.37 Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 10 - 2020 305 3. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 3.1. Điều kiện tiến hành thực nghiệm Để đánh giá khả năng xuyên thép của đầu đạn xuyên động năng 7,62x39 mm, nhóm tác giả đã thực hiện thử nghiệm với các điều kiện thử như sau: - Đạn 7,62 x39 mm - số lượng 10 viên, là loại có kết cấu và các kích thước của đầu đạn, lõi xuyên, áo chì được thiết kế theo Tài liệu thiết kế; thành phần vật liệu, cơ tính của lõi xuyên, áo chì, vỏ đầu đạn là các vật liệu sẵn có trong nước, có thể đáp ứng được các chỉ tiêu chiến kỹ thuật [1]. Với kết cấu khảo sát, việc tăng chiều dài lõi xuyên so với thiết kế mẫu là khó khả thi do chiều dài tổng thể của viên đạn và khối lượng chuẩn của đầu đạn 7,62 x 39 mm cũng như các chỉ tiêu thuật phóng khi bắn đạn 7,62x39 mm trên súng AK, AKM. Kết cấu của đạn được trình bày trên hình 14. Hình 14. Kết cấu đầu đạn xuyên giáp 7,62x39 mm. - Súng thử nghiệm được kiểm định định kỳ theo quy định sử dụng thiết bị thử nghiệm chuyên dụng. - Bia thép mục tiêu là thép CT-3 có độ dày 18 mm đạt yêu cầu theo tiêu chuẩn cơ sở thử nghiệm. Sơ đồ thử nghiệm được bố trí trên hình 15: Hình 15. Sơ đồ bố trí thử nghiệm. Cách thức tiến hành thử nghiệm: Mục tiêu đặt cách miệng nòng 100 m. Góc hợp giữa mặt bia và trục nòng súng đạt (90±2) độ. Nòng súng đặt vuông góc với mục tiêu; Yêu cầu khả năng xuyên bia mục tiêu của lõi xuyên không nhỏ hơn 80%. 3.2. Kết quả thử nghiệm 10/10 phát xuyên thủng bia, kết quả bắn được thể hiện trên hình 16. a) Chiều dày bia 18 mm b) Mặt trước bia c) Mặt sau bia Hình 16. Thử nghiệm bắn nghiệm thu đạn 7,62x39 mm xuyên bia thép dày 18 mm. Cơ học – Cơ khí động lực N. Đ. Hùng, , T. Đ. Thành, “Nghiên cứu ảnh hưởng đầu đạn xuyên động năng.” 306 4. KẾT LUẬN Tính toán mô phỏng bằng phần mềm ANSYS AUTODYN đã xây dựng được đường cong mối quan hệ giữa L/D – vr, qua đó đánh giá khả năng xuyên thép của loại đạn thiết kế với các phương án thiết kế lõi xuyên khác nhau. Với đường cong có được, căn cứ vào kết cấu tổng thể của đầu đạn, các thông số của súng cũng như yêu cầu xuyên thép của đầu đạn vào mục tiêu để lựa chọn tỉ số L/d hợp lý. Khi đó, đầu đạn đảm bảo độ bền kết cấu, ổn định trên đường bay và các chỉ tiêu chiến - kỹ thuật đã đặt ra. Thực nghiệm trên đối với đạn chế tạo theo mẫu đạn 7,62x39 mm khẳng định với tỉ số L/d = 4,48, trong điều kiện chuẩn đạn đảm bảo xuyên qua bia thép dày 18 mm. Kết quả thử nghiệm phù hợp với kết quả tính toán lý thuyết. Việc quy định trong tài liệu thiết kế về điều kiện xuyên bia mục tiêu của lõi xuyên không nhỏ hơn 80% là chấp nhận được do thực tế sản xuất có những sai số chi tiết chế tạo, lắp ghép, sai số thuật phóng và điều kiện môi trường thử nghiệm. Như vậy, với bộ tham số vật liệu đã được xác định cùng với các tham số vật liệu trong thư viện ANSYS AUTODYN, sử dụng tính toán mô phỏng quá trình xuyên của đầu đạn xuyên động năng vào bản thép cho kết quả phù hợp với kết quả thử nghiệm, có thể áp dụng trong quá trình thiết kế sản phẩm và đánh giá khả năng xuyên thép của đạn xuyên động năng. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Đề tài cấp Tổng cục Công nghiệp Quốc phòng: “Nghiên cứu thiết kế, chế tạo đạn xuyên giáp 7,62×39 mm”. [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]. Nguyễn Đình Hùng, Bùi Ngọc Hưng, Đặng Hồng Triển, Trần Đình Thành, “Nghiên cứu ảnh hưởng của kết cấu mũi lõi xuyên đến khả năng xuyên thép của đầu đạn xuyên động năng”, Tạp chí Khoa học Kỹ thuật và Công nghệ Quân sự, số 60/2019, trang 170-177. [5]. Autodyn Training Course. Ansys Workbench Release 11.0.2006. [6]. Hallquist, John O. LS-DYNA theoretical manual. Livermore Software Technology Corporation, 2006. [7]. Jane’s Ammunition Handbook 2001 – 2002. [8]. LA-4167-MS. May 1 1969. Selected Hugoniots: EOS 7th Int. Symp. Ballistics. Johnson & Cook. [9]. Зукас Дж. А., Киколас Т., Свифт Х. Ф., Грешук Л. Б., Курран Д. Р. и др. Динамика удара: пер. с англ. М., Мир, 1985. [10]. Высокоскоростные ударные явления: пер. с англ, М., Мир, 1973. [11]. Чан Динь Тхань, “Влияние удлинения ударника на предельную скорость про- бития плиты, Динамика машин и рабочих процессов: cб. статей Всероссий- ской научно-технической конференции”. Челябинск, изд. ЮУрГУ, 2007. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 10 - 2020 307 ABSTRACT A STUDY ON THE EFFECTS OF PENETRATOR WITH A LENGTH TO DIAMETER RATIO (L/D) TO PENETRATION CAPABILITY OF ARMOR-PIERCING ROUNDS Numerical simulations were performed to study the effect of the length to diameter ratio of penetrator on the penetration capability of armor piercing rounds. Balistic results, deformations of the targets and bullets, the residual velocity yields were discussed in comparition 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. Keyword: L/D ratio; Penetration; Armor piercing bullets; Penetrator. Nhận bài ngày 29 tháng 7 năm 2020 Hoàn thiện ngày 05 tháng 10 năm 2020 Chấp nhận đăng ngày 05 tháng 10 năm 2020 Địa chỉ: 1Viện Vũ khí/Tổng cục Công nghiệp Quốc phòng; 2Cục Quản lý Công nghệ/Tổng cục Công nghiệp Quốc phòng; 3Trung tâm Nhiệt đới Việt - Nga; 4Học viện Kỹ thuật quân sự. *Email: dhungvvk@gmail.com.