BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ QUỐC PHÒNG VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ VŨ TÙNG LÂM NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ TỐI ƯU KẾT CẤU VỎ KHOANG TÊN LỬA ĐỐI HẢI DƯỚI ÂM Chuyên ngành: CƠ KỸ THUẬT Mã số: 62 52 01 01 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội, 2016 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI VIỆN KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ QN SỰ-BỘ QUỐC PHỊNG Người hướng dẫn khoa học: PGS TS Nguyễn Văn Chúc TS Trần Ngọc Thanh Phản biện 1: GS TSKH Nguyễn Đông Anh Viện Hàn lâm Khoa học Công nghệ Việt Nam Phản biện 2: PGS TS Đặng Ngọc Thanh Học viện Kỹ thuật quân Phản biện 3: PGS TS Nguyễn Trang Minh Viện Khoa học Công nghệ quân Luận án bảo vệ hội đồng chấm luận án tiến sĩ họp Viện Khoa học Công nghệ quân vào hồi .giờ, ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận án tại: - Thư viện Viện Khoa học Công nghệ quân - Thư viện Quốc gia Việt Nam MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài: Nắm vững phát triển phương pháp thiết kế, chế tạo thử nghiệm khí cụ bay (KCB) có tên lửa yêu cầu cấp thiết nhằm tăng cường sức mạnh, đại hóa quân đội Trong tên lửa, vỏ khoang kết cấu chịu lực chính, q trình thiết kế kết cấu khơng tính đến tiêu độ bền, độ cứng mà ý đến tiêu khác đặc biệt khối lượng kết cấu Các phương pháp thiết kết truyền thống không đáp ứng việc đánh giá đầy đủ đặc tính kết cấu nhanh chóng xác Theo quan điểm đại, thiết kế kết cấu vỏ khoang tên lửa coi tốn tối ưu hóa Bài toán toán tối ưu kết cấu vỏ mỏng với hàm mục tiêu khối lượng ràng buộc độ bền, độ ổn định Tối ưu kết cấu vỏ nhiều nhà khoa học nghiên cứu, việc giải cách toàn diện tốn cịn hạn chế: thiết lập tốn tối ưu chưa xây dựng khơng gian tìm kiếm chứa đựng đầy đủ phương án khả dĩ; chưa hiệu giải tốn đa ràng buộc đặc biệt có kể đến ràng buộc ổn định; việc phân tích kết cấu vỏ có kể đến vấn đề ổn định, ứng xử phi tuyến khó khăn Từ lý kể việc nghiên cứu phương pháp thiết kế tối ưu vỏ khoang tên lửa vấn đề có ý cấp thiết Mục tiêu luận án: xây dựng phương pháp hiệu thiết lập giải toán tối ưu cấu trúc tham số cho vỏ khoang tên lửa chịu đồng thời ràng buộc độ bền ổn định; xây dựng chương trình tính tốn thiết kế tối ưu, áp dụng để thiết kế tối ưu cho khoang điển hình lớp tên lửa hành trình đối hải âm Nội dung nghiên cứu: nghiên cứu thiết lập, giải toán tối ưu cấu trúc tham số vỏ khoang tên lửa kể đến đồng thời ràng buộc độ bền ổn định; xây dựng chương trình số, áp dụng giải tốn tối ưu kết cấu cho khoang điển hình loại tên lửa đối hải âm; nghiên cứu thử nghiệm, đánh giá vỏ khoang thiết kế Đối tượng phạm vi nghiên cứu: phương pháp thiết lập giải toán thiết kế tối ưu cấu trúc tham số cho vỏ khoang tên lửa đối hải âm (chỉ có tác động học) với mục tiêu tối thiểu hóa khối lượng đảm bảo độ bền ổn định Phương pháp nghiên cứu: kết hợp mơ hình vật lý mô tả đối tượng thiết kế phương pháp phân tích kết cấu để thiết lập tốn tối ưu vỏ khoang tên lửa; kết hợp biến đổi phương pháp tối ưu toán nghiên cứu để xây dựng phương pháp giải toán tối ưu phù hợp; kết hợp thuật toán tối ưu thuật toán PTHH để xây dựng giải thuật chương trình tính tốn; sử dụng phần mềm ANSYS để thực nghiệm mô Ý nghĩa khoa học luận án: Bổ sung sở lý luận cho phương pháp tính tốn thiết kế kết cấu KCB nói chung tên lửa nói riêng Xây dựng phương pháp tính tốn thiết kế kết cấu vỏ khoang tên lửa theo hướng tối ưu hóa, giải khó khăn thiết lập mơ hình tốn phương pháp hiệu để giải toán; kết luận án khẳng định hiệu việc thiết kế kết cấu vỏ khí cụ bay theo hướng tối ưu làm phong phú thêm liệu tính tốn thiết kế tên lửa Ý nghĩa thực tiễn luận án: Kết nghiên cứu luận án đáp ứng việc giải nhiệm vụ thiết kế vỏ khoang tên lửa, phục vụ trực tiếp cho công tác nghiên cứu thiết kế, chế tạo tên lửa nước Luận án gồm phần mở đầu, kết luận chương trình bày 128 trang, ngồi cịn có phần phụ lục trình bày code chương trình Chương TỔNG QUAN THIẾT KẾ TỐI ƯU VỎ KHOANG TÊN LỬA 1.1 Bài toán thiết kế tối ưu vỏ khoang tên lửa 1.1.1 Đặc điểm kết cấu vỏ khoang tên lửa Trong KCB nói chung tên lửa nói riêng, khoang thực chức năng: đảm bảo hình dạng khí động; cung cấp không gian lắp đặt thiết bị; liên kết phận; chịu lực Các yêu cầu đối chúng gồm: nhận truyền cách tin cậy tất tải trọng, đảm bảo độ bền, độ cứng, độ ổn định, có khối lượng nhỏ, đảm bảo độ kín, thuận tiện sử dụng Các vỏ khoang thường kết cấu dạng vỏ trơn, vỏ gia cường, vỏ nhiều lớp Trong thực tế chế tạo tên lửa, vỏ có gân gia cường áp dụng rộng rãi 1.1.2 Tải trọng tác động lên vỏ khoang tên lửa Các tải tác động lên vỏ khoang tên lửa âm chủ yếu tải học gồm (hình 1.4): áp lực khí động phân bố bề mặt vỏ, tải phân bố khoang phía trước, trọng lực lực quán tính thân vỏ khoang, tải trọng thiết bị Hình 1.4 Các tải trọng tác động lên khoang tên lửa 1.1.3 Thiết kế tối ưu vỏ khoang tên lửa Thiết kế vỏ khoang tên lửa theo phương pháp thông thường (hình 1.10) có nhược điểm chất lượng thiết kế phụ thuộc kinh nghiệm, khó có khả tự động hóa Thiết kế vỏ khoang theo phương pháp tối ưu (hình 1.11) có ưu điểm chính: tốn học hóa dạng quy hoạch với ràng buộc dạng bất đẳng thức, không phụ thuộc nhiêu vào người thiết kế Bài toán thiết kế tối ưu vỏ khoang tên lửa có đặc điểm sau: biến thiết kế đa dạng, hàm mục tiêu khối lượng kết cấu, ràng buộc độ bền ổn định Thiết kế tối kết cấu chia thành hai toán: tối ưu cấu trúc xác định cấu hình tối ưu kết cấu; tối ưu tham số tìm tham số tối ưu phần tử kết cấu Thông số ban đầu Thông số ban đầu Tính tốn tải trọng, hệ số an tồn Lựa chọn sơ đồ kết cấu Tính tốn tải trọng, hệ số an toàn Lựa chọn tham số phần tử kết cấu Xây dựng miền thiết kế Không đạt Kiểm tra đánh giá Đạt Phương án kết cấu hợp lý Hình 1.10 Sơ đồ q trình thiết kế thơng thường Các thủ tục tối ưu Kết cấu tối ưu Hình 1.11 Sơ đồ trình thiết kế tối ưu 1.2 Tổng quan nghiên cứu thiết kế tối ưu vỏ khoang tên lửa 1.2.1 Thiết lập toán tối ưu Bài toán thiết kế tối ưu thiết lập sở mơ hình mơ tả đối tượng thiết kế phương pháp phân tích kết cấu Có nhiều dạng mơ hình mơ tả đối tượng thiết kế khác Mơ hình trực tiếp sử dụng biến thiết kế kích thước đối tượng thiết kế, mơ hình khó thiết lập khơng gian tìm kiếm đầy đủ Mơ hình giàn coi kết cấu hệ thanh, biến thiết kế có mặt hay khơng Mơ hình đen trắng sử dụng biến thiết kế có hay khơng vật liệu phần tử hữu hạn Sử dụng mơ hình khơng có khả mở rộng, dễ suy biến Mơ hình đồng sử dụng biến thiết kế tham số vi cấu trúc phần tử hữu hạn Nó có nhược điểm tính tốn phức tạp, độ xác khơng cao Mơ hình liên tục sử dụng biến thiết kế mật độ phần tử hữu hạn Sử dụng mơ hình nhanh chóng, thuận tiện, có khả cải tiến mơ hình sử dụng rộng rãi Để phân tích kết cấu sử phương pháp giải tích, sử dụng công thức kinh nghiệm, phương pháp số Phương pháp hiệu để phân tích kết cấu vỏ phương pháp số đặc biệt phương pháp PTHH 1.2.2 Các phương pháp giải toán tối ưu kết cấu Các phương pháp giải toán tối ưu kết cấu chịu lực đa dạng phong phú, chúng phân chia theo sơ đồ hình 1.13 Các phương pháp tối ưu kết cấu Các phương pháp sở đạo hàm Quy hoạch toán học Tiêu chuẩn tối ưu Các phương pháp sở quy luật kinh nghiệm Tiến hóa kết cấu Mơ tự nhiên Hình 1.13 Sơ đồ phân loại phương pháp giải toán tối ưu Các phương pháp sở đạo hàm phải tính đạo hàm riêng hàm mục tiêu hàm ràng buộc biến thiết kế Trong nhóm bao gồm phương pháp: quy hoạch toán học; tiêu chuẩn tối ưu Phương pháp quy hoạch tốn học tìm nghiệm tối ưu miền thiết kế cách từ điểm thiết kế tìm hướng tới điểm tốt Nhóm bao gồm phương pháp: gradient, hướng có thể, bước lựa chọn, hướng ngẫu nhiên… Chúng có ưu điểm giải hầu hết toán thiết kế tối ưu Tuy nhiên chúng có nhược điểm số lượng vịng lặp lớn, phải tính tốn đạo hàm Các phương pháp tiêu chuẩn tối ưu xuất phát từ điều kiện tồn cực trị hàm Lagrange Chúng có ưu điểm gắn với ý nghĩa vật lý rõ ràng, chặt chẽ, hội tụ nhanh, lập trình đơn giản Tuy nhiên khó chứng minh tính hội tụ lời giải, phạm vi áp dụng hẹp Các phương pháp sở quy luật kinh nghiệm sử dụng thuật tốn dựa quy luật mang tính xu hướng đúc kết từ thực tiễn Trong nhóm gồm có: phương pháp tiên hóa kết cấu, phương pháp dựa quy luật tự nhiên Các phương pháp tiên hóa kết cấu cho loại bỏ bớt số phần vật liệu không sử dụng hiệu Các phương pháp đơn giản dễ dàng thực Chúng có nhược điểm: khơng chắn tìm lời giải tối ưu, khơng giải tốn chịu ràng buộc ổn định Các phương pháp sở mô trình tự nhiên làm việc dựa giá trị hàm mục tiêu ràng buộc Trong nhóm có nhóm phương pháp là: thuật tốn tiến hóa, tối ưu bầy đàn, thuật tốn mơ luyện kim, thuật toán đàn kiến… Các phương pháp có ưu điểm: giải hầu hết tốn tối ưu, tìm nghiệm tồn miền, khơng u cầu quan hệ tường minh, tính tốn tương đối đơn giản Nhược điểm chúng khối lượng tính tốn lớn, tốc độ hội tụ thuật tốn khơng xác định 1.2.3 Những tồn hướng nghiên cứu luận án Việc giải cách tồn diện đầy đủ tốn thiết kế tối ưu kết cấu phổ biến cho kết cấu đơn giản dạng khung, giàn… Đối với kết cấu phức tạp vỏ khoang tên lửa việc tính tốn thiết kế tối ưu cịn hạn chế Để góp phần giải hạn chế này, NCS lựa chọn đề tài “Nghiên cứu phương pháp thiết kế tối ưu kết cấu khoang tên lửa đối hải âm” với mục đích xây dựng phương pháp hiệu thiết lập, giải toán tối ưu cấu trúc tham số kết cấu cho vỏ khoang tên lửa chịu đồng thời ràng buộc độ bền ổn định 1.3 Kết luận chương Trong chương tổng quan yêu cầu kỹ thuật chủ yếu vỏ khoang tên lửa dạng kết cấu chúng tải trọng tác động lên chúng; đặc điểm q trình thiết kế vỏ khoang tên lửa phương pháp thông thường phương pháp tối ưu Đã làm rõ phát triển, ưu nhược điểm mơ hình vật lý phương pháp phân tích kết cấu Cũng phân tích đánh giá phương pháp áp dụng để giải toán tối ưu kết cấu chịu lực Trên sở phân tích vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu, giải quyết, từ xác định mục tiêu, nội dung phương hướng nghiên cứu luận án Chương TỐI ƯU CẤU TRÚC VỎ KHOANG TÊN LỬA Tối ưu cấu trúc vỏ khoang tên lửa nhằm tìm kiếm sơ đồ kế cấu vỏ khoang Bài tốn phát biểu sau: cho thơng số kích thước giới hạn; tải trọng tác dụng, yêu cầu xác định phân bố vật liệu cho vỏ đảm bảo độ bền độ ổn định với khối lượng nhỏ Các giả thiết cho toán tối ưu cấu trúc vỏ khoang tên lửa: vật liệu đàn hồi, đồng nhất, đẳng hướng; ứng xử kết cấu đàn hồi tuyến tính; tải trọng tính cho trường hợp tải lớn 2.1 Thiết lập toán tối ưu cấu trúc vỏ khoang tên lửa 2.1.1 Mơ hình vật lý biến thiết kế Để thiết lập tốn sử dụng mơ hình vật rắn biến dạng có mật độ thay đổi, coi vật liệu kết cấu có dạng xốp đặc trưng mật độ ρ, đặc tính học vật liệu coi tỷ lệ thuận với mật độ: E   E; (2.1)  cp   cp ; (2.2) đó: E, E , σcp,  cp : mô đun đàn hồi, giới hạn bền vật liệu có mật độ ρ đơn vị Biến thiết kế mật độ vật liệu phần tử: T (2.3)  x      1 2  n  , với n: số lượng phần tử hữu hạn số lượng biến thiết kế Ràng buộc biến thiết kế cho sau: min  i  (2.5) 2.1.2 Hàm mục tiêu ràng buộc Để xây dựng hàm mục tiêu ràng buộc sử dụng phần tử giảm bậc song tuyến tính Dạng hình học phần tử hữu hạn cho hình 2.1   Hình 2.1 Dạng hình học phần tử hữu hạn phân tích vỏ Hàm dạng hai chiều thuộc lớp Co, chuyển vị nút thành phần: di   ui vi wi  xi  yi  zi  , i  n (2.16) Hàm mục tiêu khối lượng kết cấu tính sau: n n n 1 m       iVi    i  dV    i  i 1 i 1 Vi i 1  J d  d d  (2.11)   1 Bằng thuật toán phương pháp PTHH ta tính tốn ma trận độ cứng [K], véc tơ lực nút {Q}, giải hệ phương trình cân bằng: [K]{d}={Q}, xác định chuyển vị nút từ tính giá trị ứng suất tương đương điểm kết cấu Ràng buộc độ bền cho dạng:  td ,i   cp,i , i  p1  (2.11) σtd,i- ứng suất tương đương; σcp,i- ứng suất giới hạn;p1- số lượng ràng buộc ứng suất Từ giá trị ứng suất tính ma trận độ cứng hình học [KG], giải toán trị riêng ([K]-λ[KG]){ψ}=0 xác định hệ số ổn định λj véc tơ dạng ổn định {ψ}j tương ứng Điều kiện ổn định cho dạng sau:  j  cp , j  p2  ; (2.38) với λcp – giới hạn ổn định; p2 – số lượng ràng buộc ổn định 2.2 Phương pháp giải toán tối ưu cấu trúc vỏ khoang tên lửa 2.2.1 Lựa chọn phương pháp giải Bài toán tối ưu cấu trúc vỏ có số lượng biến thiết kế ràng buộc lớn, quan hệ ràng buộc với biến thiết kế phức tạp nên sử dụng phương pháp tiêu chuẩn tối ưu phù hợp 2.2.2 Tối ưu cấu trúc chịu ràng buộc độ bền Chỉ chịu ràng buộc độ bền có điều kiện ứng suất Để giải toán ta sử dụng nguyên lý bền đều: “Đối với tốn cực tiểu hóa trọng lượng kết cấu chịu ràng buộc ứng suất, trạng thái tối ưu ứng suất cực đại phần tử đạt đến ứng suất cho phép” Khi hàm tiêu chuẩn tối ưu tính sau: Ri   td ,i /  cp ,i (2.43) Biến thiết kế cập nhật theo công thức:  min ,  td g,i /  cp,i i g   min   i g 1    td g,i /  cp,i i g  , min   td g,i /  cp,i i g   max , (2.46)   max ,  td g,i /  cp,i i g   max  2.2.3 Tối ưu cấu trúc chịu ràng buộc ổn định Khi có ràng buộc ổn định hàm tiêu chuẩn tối ưu cho toán viết dạng:        p Ri       j j   (  ) /   i  /   f (  ) /   i   1,( i  n ) (2.49) j 1 Độ nhạy hàm mục tiêu tính tốn theo cơng thức: f    / i  Vi với Vi thể tích phần tử Độ nhạy hệ số ổn định tính theo cơng thức sau:   j /   i    b   k  b   /      K   T j T T i e i i j i j G j (2.50) (2.61) với [bi] - ma trận Boolean xác định vị trí phần tử ma trận độ cứng phần tử ma trận độ cứng tổng thể, [ke]i – ma trận độ cứng phần tử Giá trị biến thiết kế vịng lặp tính sau: 1/  (g)   ( g )  R ( g ) 1 /  ,   Ri( g )    i ,max i i ,min   i  i 1/    i g  1    i ,min ,  i( g )  Ri( g )    i ,min (2.62)  /    i ,max ,  i( g )  Ri( g )    i ,max  2.2.4 Tối ưu cấu trúc chịu ràng buộc độ bền ổn định Phương pháp giải toán kết hợp tối ưu câu trúc chịu ràng buộc độ bền tối ưu cấu trúc chịu ràng buộc ổn định Nguyên lý bền sử dụng để xác định giới hạn biến thiết kế cho toán tối ưu cấu trúc chịu ràng buộc ổn định Sơ đồ thuật giải cho hình 2.2 Begin Khởi tạo miền thiết kế g=1 Phân tích PTHH, tính độ nhạy Xác định ρ(g)min,i g=g+1 k=1; ηj1=1 Cập nhật Tính Ri(k), ρi(k) k=k+1 Tính ρi(k+1) Cập nhật λj(k+1) Tính ηj λj(k+1)-λj,cp=0 (k+1) Sai Đúng Tính Ri(g+1) Sai max|Ri(g+1)-1|