Nghiên cứu phương pháp thiết kế tối ưu kết cấu vỏ khoang tên lửa đối hải dưới âm

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


CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ QUÂN SỰ-BỘ QUỐC PHÒNG

Người hướng dẫn khoa học:
1. PGS. TS. Nguyễn Văn Chúc
2. TS. Trần Ngọc Thanh
Phản biện 1: GS. TSKH. Nguyễn Đông Anh
Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam
Phản biện 2: PGS. TS. Đặng Ngọc Thanh
Học viện Kỹ thuật quân sự
Phản biện 3: PGS. TS. Nguyễn Trang Minh
Viện Khoa học và Công nghệ quân sự

Luận án được bảo vệ tại hội đồng chấm luận án tiến sĩ và họp tại
Viện Khoa học và Công nghệ quân sự vào hồi .....giờ, ngày....
tháng.....năm .....

Có thể tìm hiểu luận án tại:
- Thư viện Viện Khoa học và Công nghệ quân sự
- Thư viện Quốc gia Việt Nam


1
MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của đề tài: Nắm vững và phát triển các phương pháp
thiết kế, chế tạo và thử nghiệm khí cụ bay (KCB) trong đó có tên lửa là một
yêu cầu cấp thiết nhằm tăng cường sức mạnh, hiện đại hóa quân đội. Trong
tên lửa, vỏ khoang là kết cấu chịu lực chính, quá trình thiết kế các kết cấu
này không chỉ tính đến các chỉ tiêu độ bền, độ cứng mà còn chú ý đến các
chỉ tiêu khác đặc biệt là khối lượng kết cấu. Các phương pháp thiết kết
truyền thống không đáp ứng được việc đánh giá đầy đủ các đặc tính của kết
cấu nhanh chóng và chính xác. Theo quan điểm hiện đại, thiết kế kết cấu vỏ
khoang tên lửa được coi là bài toán tối ưu hóa. Bài toán này là bài toán tối
ưu kết cấu vỏ mỏng với hàm mục tiêu là khối lượng và các ràng buộc chính
là độ bền, độ ổn định.
Tối ưu kết cấu vỏ đã được nhiều nhà khoa học nghiên cứu, tuy vậy
việc giải quyết một cách toàn diện bài toán này vẫn còn các hạn chế: thiết
lập bài toán tối ưu chưa xây dựng được không gian tìm kiếm chứa đựng
được đầy đủ các phương án khả dĩ; chưa hiệu quả trong giải các bài toán đa
ràng buộc đặc biệt khi có kể đến các ràng buộc ổn định; việc phân tích kết
cấu vỏ khi có kể đến các vấn đề về ổn định, ứng xử phi tuyến... hiện nay
vẫn khó khăn. Từ các lý do kể trên việc nghiên cứu phương pháp thiết kế

tối ưu vỏ khoang tên lửa là một vấn đề có ý cấp thiết.
Mục tiêu của luận án: xây dựng được các phương pháp hiệu quả
trong thiết lập và giải quyết bài toán tối ưu cấu trúc và tham số cho vỏ
khoang tên lửa chịu đồng thời ràng buộc độ bền và ổn định; xây dựng được
chương trình tính toán thiết kế tối ưu, áp dụng để thiết kế tối ưu cho khoang
điển hình của lớp tên lửa hành trình đối hải dưới âm.
Nội dung nghiên cứu: nghiên cứu thiết lập, giải bài toán tối ưu cấu
trúc và tham số vỏ khoang tên lửa kể đến đồng thời các ràng buộc độ bền
và ổn định; xây dựng chương trình số, áp dụng giải bài toán tối ưu kết cấu
cho khoang điển hình một loại tên lửa đối hải dưới âm; nghiên cứu thử
nghiệm, đánh giá vỏ khoang đã thiết kế.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: phương pháp thiết lập và giải bài
toán thiết kế tối ưu cấu trúc và tham số cho vỏ khoang tên lửa đối hải dưới
âm (chỉ có các tác động cơ học) với mục tiêu tối thiểu hóa khối lượng trong
khi đảm bảo độ bền và ổn định.
Phương pháp nghiên cứu: kết hợp mô hình vật lý mô tả đối tượng
thiết kế và phương pháp phân tích kết cấu để thiết lập bài toán tối ưu vỏ
khoang tên lửa; kết hợp và biến đổi các phương pháp tối ưu toán đã được
nghiên cứu để xây dựng phương pháp giải bài toán tối ưu phù hợp; kết hợp
các thuật toán tối ưu và thuật toán PTHH để xây dựng giải thuật và chương
trình tính toán; sử dụng phần mềm ANSYS để thực nghiệm mô phỏng.


2
Ý nghĩa khoa học của luận án: Bổ sung cơ sở lý luận cho các
phương pháp tính toán thiết kế kết cấu trong KCB nói chung và tên lửa nói
riêng. Xây dựng được phương pháp tính toán thiết kế các kết cấu vỏ
khoang tên lửa theo hướng tối ưu hóa, trong đó giải quyết được các khó
khăn chính trong thiết lập mô hình toán và các phương pháp hiệu quả để
giải quyết bài toán; kết quả của luận án khẳng định hiệu quả của việc thiết

kế các kết cấu vỏ khí cụ bay theo hướng tối ưu và làm phong phú thêm dữ
liệu tính toán thiết kế tên lửa.
Ý nghĩa thực tiễn của luận án: Kết quả nghiên cứu của luận án đáp
ứng việc giải quyết các nhiệm vụ thiết kế vỏ khoang tên lửa, phục vụ trực
tiếp cho công tác nghiên cứu thiết kế, chế tạo tên lửa trong nước.
Luận án gồm phần mở đầu, kết luận và 4 chương được trình bày
trong 128 trang, ngoài ra còn có phần phụ lục trình bày code chương trình.
Chương 1. 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 của vỏ khoang tên lửa
Trong KCB nói chung và tên lửa nói riêng, các khoang thực hiện các
chức năng: đảm bảo hình dạng khí động; cung cấp không gian lắp đặt thiết
bị; liên kết các bộ phận; chịu lực chính. Các yêu cầu cơ bản đối chúng gồm:
nhận và truyền một cách tin cậy tất cả các tải trọng, đảm bảo độ bền, độ
cứng, độ ổn định, có khối lượng nhỏ, đảm bảo độ kín, thuận tiện trong sử
dụng. Các vỏ khoang thường là các kết cấu dạng vỏ trơn, vỏ gia cường, vỏ
nhiều lớp. Trong thực tế chế tạo tên lửa, vỏ có các gân gia cường được áp
dụng rộng rãi nhất.
1.1.2. Tải trọng tác động lên vỏ khoang tên lửa
Các tải tác động lên vỏ khoang tên lửa dưới âm chủ yếu là các tải cơ
học gồm (hình 1.4): áp lực khí động phân bố trên bề mặt vỏ, tải phân bố do
khoang phía trước, trọng lực và lực quán tính của bản thân vỏ khoang, tải
trọng của các thiết bị.

Hình 1.4. Các tải trọng tác động lên khoang tên lửa


3
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 là chất lượng thiết kế phụ thuộc kinh nghiệm, khó có
khả năng tự động hóa. Thiết kế vỏ khoang theo phương pháp tối ưu (hình
1.11) có các ưu điểm chính: có thể toán học hóa ở dạng một quy hoạch với
các ràng buộc dạng bất đẳng thức, không phụ thuộc quá nhiêu vào người
thiết kế. Bài toán thiết kế tối ưu vỏ khoang tên lửa có đặc điểm sau: các
biến thiết kế đa dạng, hàm mục tiêu là khối lượng kết cấu, các ràng buộc là
độ bền và ổn định. Thiết kế tối kết cấu được chia thành hai bài toán: tối ưu
cấu trúc xác định cấu hình tối ưu của kết cấu; tối ưu tham số tìm các tham
số tối ưu của các phần tử kết cấu.
Thông số ban đầu

Thông số ban đầu

Tính toán tải trọng, hệ số an toàn
Lựa chọn sơ đồ kết cấu

Tính toán tải trọng, hệ số an
toàn

Lựa chọn các tham số của 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 quá trình thiết kế
thông thường

Các thủ tục tối ưu

Kết cấu tối ưu
Hình 1.11. Sơ đồ quá trình
thiết kế tối ưu

1.2. Tổng quan nghiên cứu về thiết kế tối ưu vỏ khoang tên lửa
1.2.1. Thiết lập bài toán tối ưu
Bài toán thiết kế tối ưu được thiết lập trên cơ sở các mô hình mô tả
đối tượng thiết kế và phương pháp phân tích kết cấu.
Có nhiều dạng mô hình mô tả đối tượng thiết kế khác nhau. Mô hình
trực tiếp sử dụng biến thiết kế là kích thước của đối tượng thiết kế, mô hình
này khó thiết lập được không gian tìm kiếm đầy đủ. Mô hình giàn coi kết
cấu là hệ thanh, biến thiết kế là sự có mặt hay không của các thanh. Mô
hình đen trắng sử dụng biến thiết kế là có hay không vật liệu trong phần tử
hữu hạn. Sử dụng các mô hình này không có khả năng mở rộng, dễ suy
biến. Mô hình đồng nhất sử dụng biến thiết kế là các tham số vi cấu trúc
của phần tử hữu hạn. Nó có nhược điểm tính toán phức tạp, độ chính xác
không cao. Mô hình liên tục sử dụng biến thiết kế là mật độ trong mỗi một
phần tử hữu hạn. Sử dụng mô hình này nhanh chóng, thuận tiện, có khả


4
năng cải tiến và hiện nay mô hình này được sử dụng rộng rãi nhất.
Để phân tích kết cấu có thể sử phương pháp giải tích, sử dụng các
công thức kinh nghiệm, phương pháp số. Phương pháp hiệu quả để phân
tích kết cấu vỏ là các phương pháp số đặc biệt là phương pháp PTHH.

1.2.2. Các phương pháp giải bài toán tối ưu kết cấu
Các phương pháp giải bài toán tối ưu kết cấu chịu lực rất đa dạng và
phong phú, chúng có thể được phân chia theo sơ đồ hình 1.13.
Các phương pháp tối ưu kết cấu

Các phương pháp trên cơ sở
đạo hàm
Quy hoạch
toán học

Tiêu chuẩn tối
ưu

Các phương pháp trên cơ sở
quy luật kinh nghiệm
Tiến hóa kết
cấu

Mô phỏng tự
nhiên

Hình 1.13. Sơ đồ phân loại các phương pháp giải bài toán tối ưu

Các phương pháp trên cơ sở đạo hàm phải tính đạo hàm riêng của
hàm mục tiêu và các hàm ràng buộc đối với biến thiết kế. Trong nhóm bao
gồm các phương pháp: quy hoạch toán học; tiêu chuẩn tối ưu. Phương pháp
quy hoạch toán học tìm nghiệm tối ưu trong miền thiết kế bằng cách từ
điểm thiết kế hiện tại tìm hướng đi tới điểm tốt hơn. Nhóm này bao gồm
các phương pháp: gradient, hướng có thể, bước lựa chọn, hướng ngẫu
nhiên… Chúng có ưu điểm là có thể giải quyết hầu hết các bài toán thiết kế

tối ưu. Tuy nhiên chúng có nhược điểm số lượng vòng lặp lớn, phải tính
toán các đạo hàm. Các phương pháp tiêu chuẩn tối ưu xuất phát từ điều
kiện tồn tại cực trị của hàm Lagrange. Chúng có ưu điểm chính là 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 của lời giải, phạm vi áp dụng hẹp.
Các phương pháp trên cơ sở quy luật kinh nghiệm sử dụng các thuật
toán dựa trên các quy luật mang tính xu hướng đúc kết từ thực tiễn. Trong
nhóm này gồm có: các phương pháp tiên hóa kết cấu, các phương pháp dựa
trên các quy luật tự nhiên. Các phương pháp tiên hóa kết cấu cho rằng có
thể loại bỏ bớt một số phần vật liệu không được sử dụng hiệu quả. Các
phương pháp này hết sức đơn giản và dễ dàng thực hiện. Chúng có nhược
điểm: không chắc chắn có thể tìm được lời giải tối ưu, không giải được bài
toán chịu ràng buộc ổn định. Các phương pháp trên cơ sở mô phỏng các
quá trình tự nhiên làm việc chỉ dựa trên giá trị của hàm mục tiêu và các
ràng buộc. Trong nhóm này có các nhóm phương pháp chính là: thuật toán
tiến hóa, tối ưu bầy đàn, thuật toán mô phỏng luyện kim, thuật toán đàn
kiến… Các phương pháp này có ưu điểm: có thể giải quyết được hầu hết


5
các bài toán tối ưu, tìm được nghiệm toàn miền, không yêu cầu các quan hệ
tường minh, tính toán tương đối đơn giản. Nhược điểm chính của chúng là
khối lượng tính toán lớn, tốc độ hội tụ của thuật toán là không xác định.
1.2.3. Những tồn tại và hướng nghiên cứu của luận án
Việc giải quyết một cách toàn diện và đầy đủ bài toán thiết kế tối ưu
kết cấu mới chỉ phổ biến cho các kết cấu đơn giản dạng khung, giàn… Đối
với các kết cấu phức tạp như vỏ khoang tên lửa việc tính toán thiết kế tối
ưu vẫn còn khá hạn chế. Để góp phần giải quyết các hạn chế này, NCS lựa
chọn đề tài “Nghiên cứu phương pháp thiết kế tối ưu kết cấu khoang tên
lửa đối hải dưới âm” với mục đích xây dựng được các phương pháp hiệu

quả trong thiết lập, giải quyết bài toán tối ưu cấu trúc và tham số kết cấu
cho vỏ khoang tên lửa chịu đồng thời các ràng buộc độ bền và ổn định.
1.3. Kết luận chương 1
Trong chương tổng quan đã chỉ ra các yêu cầu kỹ thuật chủ yếu đối
với vỏ khoang tên lửa và các dạng kết cấu chính của chúng cũng như tải
trọng tác động lên chúng; các đặc điểm chính của quá trình thiết kế vỏ
khoang tên lửa bằng phương pháp thông thường và phương pháp tối ưu. Đã
làm rõ sự phát triển, ưu nhược điểm của các mô hình vật lý và các phương
pháp phân tích kết cấu. Cũng đã phân tích và đánh giá các phương pháp
được áp dụng để giải quyết bài toán tối ưu kết cấu chịu lực. Trên cơ sở các
phân tích đã chỉ ra các vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu, giải quyết, từ đó xác
định được mục tiêu, nội dung và phương hướng nghiên cứu của luận án.
Chương 2. 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 toán phát biểu như sau: cho các thông số kích thước giới hạn;
tải trọng tác dụng, yêu cầu xác định được phân bố vật liệu sao cho vỏ đảm
bảo độ bền và độ ổn định với khối lượng nhỏ nhất. Các giả thiết cho bài
toán tối ưu cấu trúc vỏ khoang tên lửa: vật liệu đàn hồi, đồng nhất, đẳng
hướng; ứng xử của kết cấu là đàn hồi tuyến tính; tải trọng được tính cho
một trường hợp tải lớn nhất.
2.1. Thiết lập bài toán tối ưu cấu trúc vỏ khoang tên lửa
2.1.1. Mô hình vật lý và biến thiết kế
Để thiết lập bài toán sử dụng mô hình vật rắn biến dạng có mật độ
thay đổi, coi vật liệu trong kết cấu có dạng xốp đặc trưng bởi mật độ ρ, đặc
tính cơ học của vật liệu được coi là tỷ lệ thuận với mật độ:
E   E;
(2.1)

 cp   cp ;

(2.2)


6
trong đó: E, E , σcp,  cp : mô đun đàn hồi, giới hạn bền khi vật liệu có mật
độ bằng ρ và bằng đơn vị. Biến thiết kế là mật độ của vật liệu trong mỗi
một phần tử:
T
(2.3)
 x      1 2 ...  n  ,
với n: số lượng phần tử hữu hạn và là số lượng biến thiết kế.
Ràng buộc về biến thiết kế được cho như sau:
min  i  1
(2.5)
2.1.2. Hàm mục tiêu và các ràng buộc
Để xây dựng các hàm mục tiêu và ràng buộc sử dụng phần tử giảm
bậc song tuyến tính. Dạng hình học và phần tử hữu hạn cho trong hình 2.1.




Hình 2.1. Dạng hình học và phần tử hữu hạn phân tích vỏ

Hàm dạng hai chiều thuộc lớp Co, chuyển vị nút 6 thành phần:

di   ui

vi

wi  xi  yi  zi  , i  1...n .

(2.16)

Hàm mục tiêu là khối lượng kết cấu được tính như sau:
n

n

n

1 1 1

m       iVi    i  dV    i 
i 1

i 1

Vi

i 1



J d  d d 

(2.11)

 1  1 1

Bằng các thuật toán của phương pháp PTHH ta tính toán được các

ma trận độ cứng [K], véc tơ lực nút {Q}, giải hệ phương trình cân bằng:
[K]{d}={Q}, xác định được chuyển vị nút từ đó tính được giá trị ứng suất
tương đương tại một điểm bất kỳ trong kết cấu. Ràng buộc về độ bền được
cho dưới dạng:
 td ,i   cp,i , i  1...p1 
(2.11)
trong đó 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 được ma trận độ cứng hình học [KG], giải bài
toán trị riêng ([K]-λ[KG]){ψ}=0 xác định được các hệ số ổn định λj và véc
tơ dạng mất ổn định {ψ}j tương ứng. Điều kiện ổn định cho dưới dạng sau:
 j  cp , j  1...p2  ;
(2.38)
với λcp – giới hạn ổn định; p2 – số lượng các ràng buộc ổn định.


7
2.2. Phương pháp giải bài 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 và các ràng buộc
lớn, quan hệ giữa các ràng buộc với biến thiết kế phức tạp nên sử dụng
phương pháp tiêu chuẩn tối ưu là phù hợp hơn cả.
2.2.2. Tối ưu cấu trúc chịu ràng buộc độ bền
Chỉ chỉ chịu ràng buộc độ bền thì chỉ có các điều kiện đối với ứng
suất. Để giải bài toán ta sử dụng nguyên lý bền đều: “Đối với bài toán cực
tiểu hóa trọng lượng kết cấu chịu ràng buộc về ứng suất, ở trạng thái tối ưu
ứng suất cực đại trong các phần tử đều đạt đến ứng suất cho phép”. Khi đó
hàm tiêu chuẩn tối ưu được tính như sau:
Ri   td ,i /  cp ,i .
(2.43)

Biến thiết kế được 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 chỉ có ràng buộc ổn định thì hàm tiêu chuẩn tối ưu cho bài toán
được viết dưới dạng:














p

Ri 

    
j

j





(  ) /   i  /   f (  ) /   i   1,( i  1...n ).

(2.49)

j 1

Độ nhạy của hàm mục tiêu được tính toán theo công thức:
f    / i  Vi .
với Vi là thể tích của phần tử.
Độ nhạy hệ số ổn định được tính theo công 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 các phần tử của ma trận độ cứng
phần tử trong ma trận độ cứng tổng thể, [ke]i – ma trận độ cứng phần tử.
Giá trị của biến thiết kế trong mỗi một vòng lặp được tính như 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)

1
/

  i ,max ,
 i( g )  Ri( g )    i ,max



8
2.2.4. Tối ưu cấu trúc chịu ràng buộc độ bền và ổn định
Phương pháp giải bài toán là sự kết hợp của tối ưu câu trúc chịu ràng
buộc độ bền và tối ưu cấu trúc chịu ràng buộc ổn định. Nguyên lý bền đều
được sử dụng để xác định giới hạn biến thiết kế cho bài toán tối ưu cấu trúc
chịu ràng buộc ổn định. Sơ đồ thuật giải được cho trong 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|<ε

Đúng
ρtu=ρ(g)
End
Hình 2.2: Sơ đồ giải thuật giải bài toán tối ưu tổng quát

Giá trị của biến thiết kế trong vòng lặp thứ (g) theo công thức sau:
  ( g )  R ( g ) 1 /  ,   g    ( g )  R ( g ) 1 /     g 
i
i ,min

i
i
i ,max
 i
1
/


g
g
 i g  1    i,min
,
 i( g )  Ri( g )    i,min
(2.71)

1/ 
g
g
  i,max
,
 i( g )  Ri( g )    i,max

Việc xác định nhân tử Lagrange được tiến hành theo vòng lặp (k) với
giả thiết trạng thái ứng suất không đổi.


9
2.3. Xây dựng chương trình và áp dụng tính toán
2.3.1. Xây dựng chương trình số
Chương trình số được xây dựng bằng phần mềm Matlab. Số liệu đầu

vào gồm: thông số hình học giới hạn, đặc trưng vật liệu, tải trọng, điều kiện
biên. Kết quả đầu ra gồm: ảnh đồ phân bố vật liệu trong kết cấu tối ưu, biểu
đồ tiêu chuẩn hội tụ theo vòng lặp, hệ số tối ưu.
2.3.2. Kiểm tra tính chính xác của mô đun phân tích kết cấu
Kiểm tra tiến hành bằng cách so sánh kết quả phân tích kết cấu đơn
giản bằng phần mềm ANSYS và chương trình tự xây dựng. Mô hình kết
cấu cho trong hình 2.3, các thông đầu vào cho trong bảng 2.1.

Hình 2.3. Mô hình kết cấu đối chứng.

Bảng 2.1. Các thông số đầu vào.
TTTham số
Ký hiệu Đơn vị
1 Đường kính
D mm
2 Độ dày
δ mm
3 Chiều dài
L mm
4 Lực phân bố
p N/mm
5 Mô đun đàn hồi
E MPa
6 Hệ số poát xông
µ

Giá trị
420
2
720

10
7.1x104
0,33

Các kết quả dạng ảnh đồ cho trong hình 2.4, 2.5, 2.6, 2.7, kết quả
dạng số tổng hợp trong bảng 2.2.

Hình 2.4. Ảnh đồ chuyển vị tổng khi phân
tích bằng chương trình

Hình 2.5. Ảnh đồ ứng suất tương đương khi
phân tích bằng chương trình

Hình 2.6. Ảnh đồ chuyển vị tổng khi phân
tích bằng ANSYS

Hình 2.7. Ảnh đồ ứng suất tương đương khi
phân tích bằng ANSYS


10

TT
1
2
3

Đặc tính
Chuyển vị lớn nhất
Ứng suất lớn nhất

Hệ số ổn định

ANSYS
0,0508
5,6653
12,6768

Bảng 2.2. Các kết quả kiểm tra.
Chương trình
Sai lệch (%)
0,0493
2,9
5,4038
4,6
12,9696
2,3

Kết quả tính giữa 2 chương trình phù hợp tốt sai số không vượt quá
5%. Mô hình PTHH và chương trình là tin cậy.
2.3.3. Một số ví dụ tính toán
Chương trình được áp dụng giải bài toán tối ưu cấu trúc cho một số
kết cấu có dạng hình học và điều kiện tải trọng đơn giản. Mô hình kết cấu
cho trong hình 2.8, giá trị các thông số đầu vào cho trong bảng 2.3.
Bảng2.3. Các tham số đầu vào
TTTham số
Kí hiệu Đơn vị Giá trị
1 Đường kính
D
mm
420

2 Chiều dài
L
mm
720
3 Áp lực dọc trục p
Mpa 10
4 Mô đun đàn hồi E
Mpa 7,1x104
5 Hệ số poát xông μ
0,33
6 Giới hạn ứng suất σcp
Mpa 165
Hình 2.8. Dạng hình học và điều kiện tải trọng
7 Giới hạn ổn định λcp
1

Kết quả: Trường hợp 1 hệ số tối ưu đạt 0,8022; biểu đồ hội tụ và ảnh đồ
phân bố vật liệu cho trong hình 2.9, 2.10.

Hình 2.9. Biểu đồ tiêu chuẩn hội tụ trong
trường hợp 1

Hình 2.10. Ảnh đồ phân bố vật liệu tối ưu
trong trường hợp 1

Trường hợp 2 hệ số tối ưu đạt 0,9356; biểu đồ hội tụ và ảnh đồ phân bố vật
liệu cho trong hình 2.8.

Hình 2.11. Biểu đồ tiêu chuẩn hội tụ trong
trường hợp 2

Hình 2.12. Ảnh đồ phân bố vật liệu tối ưu
trong trường hợp 2


11
Từ kết quả trên nhận thấy bài toán hội tụ nhanh, chương trình tính
toán chạy ổn định; kết quả cho thấy rõ các vùng tập trung vật liệu, từ đó có
thể xây dựng cấu hình vỏ phù hợp với các tài liệu kinh nghiệm sử dụng
trong thiết kế kết cấu vỏ.
2.3.4. Tối ưu cấu trúc vỏ khoang chiến đấu tên lửa đối hải dưới âm điển
hình
Bài toán nhằm xác định sơ đồ kết cấu tối ưu cho vỏ có điều kiện làm
việc tương tự như vỏ KCĐ của một loại tên lửa đối hải điển hình. Vỏ có
dạng trụ một đầu ngàm, một đầu tự do, các kích thước giới hạn là đường
kính trong, ngoài và chiều dài, vật liệu hợp kim nhôm Aмг6. Tải trọng, lấy
ở thời điểm nguy hiểm nhất là khi tên lửa ra khỏi ống phóng (bảng 2.10,
2.11, 2.12). Giới hạn ổn định lấy bằng hệ số ổn định của kết cấu mẫu.
Lực phân bố
Giá trị
Cường độ tải trọng khối
Giá trị
Tải trọng vật nhồi
Giá trị

Bảng 2.10. Giá trị lực phân bố trên mặt đầu của KCĐ.
qz (N/m)
qy (N/m)
qx (N/m)
18375+367y+129z

148
202
Bảng 2.11. Cường độ tải trọng khối tác dụng lên vỏ KCĐ.
nkz (m/s2)
nky (m/s2)
nkx (m/s2)
-131,57
-1,42
0,87
Bảng 2.12. Giá trị tải trọng gây ra do vật nhồi trong KCĐ.
Pnz (N)
Pny (N)
Pnx (N)
13928
209
128

Mô hình hình học, tải trọng, điều kiện biên như hình 2.14.

Hình 2.14. Mô hình hình học tải trọng của KCĐ

Kết quả biểu đồ tiêu chuẩn hội tụ, ảnh đồ phân bố vật liệu tối ưu
trong vỏ khoang như hình 2.15, 2.16, với hệ số tối ưu hqm=0,8126.

Hình 2.15. Biểu đồ tiêu chuẩn hội tụ theo
vòng lặp khi tối ưu KCĐ

Hình 2.16. Ảnh đồ phân bố vật liệu tối ưu
trong kết cấu vỏ KCĐ

12
Ảnh đồ chỉ rõ hai vùng tập trung vật liệu dọc trục và hai vùng ngang thân.
Từ đó có thể xây dựng sơ đồ kết cấu chịu lực của vỏ KCĐ tối ưu (hình
2.17), kết quả này là tương đồng với KCĐ mẫu.

Hình 2.17. Sơ đồ kết cấu tối ưu của vỏ KCĐ
1. Vỏ ngoài, 2. Vành mặt đầu, 3. Gân ngang, 4. Gân dọc
2.4. Kết luận chương 2
Chương 2 đã tiến hành thiết lập mô hình toán của bài toán thiết kế tối
ưu cấu trúc kết cấu vỏ trên cơ sở áp dụng mô hình vật rắn có mật độ thay
đổi và phương pháp PTHH. Đã tiến hành nghiên cứu cơ sở toán học của
phương pháp tiêu chuẩn tối ưu và áp dụng để giải quyết bài toán tối ưu kết
cấu vỏ chịu đồng thời các ràng buộc. Phương pháp giải bài toán là sự kết
hợp của nguyên lý bền đều và tiêu chuẩn tối ưu kết cấu chịu ràng buộc ổn
định. Chương trình số bằng ngôn ngữ Matlab được xây dựng trên cơ sở
thuật toán đã thiết lập. Đã tiến hành kiểm định mô đun phân tích kết cấu.
Chương trình được áp dụng để giải bài toán tối ưu cấu trúc cho một số kết
cấu vỏ đơn giản, kết quả phù hợp tốt với các tài liệu kinh nghiệm đã công
bố. Chương trình cũng đã được áp dụng để tính toán tối ưu cấu trúc cho vỏ
KCĐ của tên lửa đối hải dưới âm điển hình, từ kết quả đã xây dựng được sơ
đồ kết cấu tối ưu. Sơ đồ này tương tự như vỏ KCĐ mẫu.
Chương 3. TỐI ƯU THAM SỐ VỎ KHOANG TÊN LỬA
Bài toán tối ưu tham số kết cấu nhằm xác định các đặc trưng cơ bản
của các phần tử kết cấu của sơ đồ chịu lực đã được thiết lập trong bài toán
tối ưu cấu trúc. Bài toán được phát biểu như sau: xác định các giá trị đặc
trưng của các phần tử kết cấu trong sơ đồ kết cấu đã cho để vỏ đảm bảo bền
và ổn định và có khối lượng nhỏ nhất. Trong phạm vi của luận án nghiên
cứu giải bài toán tối ưu tham số vỏ khoang tên lửa với các giả thiết sau: vật
liệu đàn hồi, đồng nhất, đẳng hướng; ứng xử của kết cấu là đàn hồi tuyến

tính;tải trọng được tính cho một trường hợp tải lớn nhất; sơ đồ chịu lực của
kết cấu dạng vỏ gia cường.
3.1. Thiết lập bài toán tối ưu tham số vỏ khoang tên lửa
Để thiết lập bài toán, hình dạng và đặc trưng của các phần tử kết cấu
được đưa vào một bảng có thứ tự, biến thiết kế được xác định là thứ tự


13
trong bảng tham số và là các biến nguyên dương:
T

 x   x1

x2 ... xn  ,xi  N .
trong đó n là số lượng các phần tử kết cấu.
Ràng buộc về biến thiết kế được cho như sau:
1  xi  n pa ,i ,

(3.1)

(3.2)

với npa,i là số lượng các phương án có thể đối với phần tử kết cấu thứ i.
Hàm mục tiêu là khối lượng toàn bộ kết cấu:
n

M  m  x    mi  x  ,

(3.3)

i 1

trong đó mi(x) là khối lượng của phần tử kết cấu thứ i.
Để xác định các ràng buộc sử dụng phương pháp PTHH. Vỏ được
mô hình hóa bằng phần tử kết hợp giữa phần tử vỏ cong kép 8 nút với phần
tử dầm cong 3 nút. Dạng hình học của phần tử cho vỏ và gân được mô tả
trên hình 3.1 và hình 3.2.






Hình 3.1. Dạng hình học, các hệ tọa độ và mô
hình phần tử vỏ

Hình 3.2. Dạng hình học, các hệ tọa độ
và mô hình phần tử gân

Hàm dạng của phần tử vỏ là hàm dạng hai chiều thuộc lớp C0. Hàm
dạng của phần tử gân được cho như sau:
N g1   ( 1   ) / 2; N g 2  1   2 ; N g 3   ( 1   ) / 2;
(3.27)
Chuyển vị tại mỗi nút của phần tử bao gồm 5 thành phần:
T

d i 

(3.13)
 ui vi wi  si  ri  .

Bằng các thuật toán của phương pháp PTHH ta xây dựng được các
công thức tính ma trận độ cứng thông thường và độ cứng hình học của phần
tử vỏ [ktev], [kgev], phần tử gân [ktg], [kgg]. Để xây dựng công thức tính ma
trận độ cứng của phần tử tổ hợp ta phải biểu diễn chuyển vị trong gân thông
qua chuyển vị vỏ:
(3.49)
deg    LTde ;
trong đó [L] là ma trận tính tọa độ của các nút phần tử gân theo tọa độ các
nút của phần tử vỏ, [T] ma trận chuyển hệ tọa độ gân về hệ tọa độ vỏ. Ma


14
trận độ cứng tuyến tính và ma trận độ cứng hình học của gân gia cường
được tính theo công thức:
T
T
T
T
 keg   T   L   ktg   L T  ;  k geg   T   L   k gg   L T  ; (3.51)
Các ma trận độ cứng của phần tử vỏ gia cường xác định bởi:
 kte    ktev    kteg  ;  k ge    k gev    k geg  ;

(3.52)

Thực hiện phân tích trạng thái ứng suất biến dạng xác định được giá
trị ứng suất tương đương lớn nhất xuất hiện trong các phần tử kết cấu. Ràng
buộc về độ bền được cho dưới dạng sau:
max(  tdv )   cpv ;max(  tddi )   cpdi ;
(3.65)
trong đó σtdv, σcpv, ứng suất tương đương và giới hạn bền vỏ, σtddi, σcpdi, ứng

suất tương đương và giới hạn bền của các dầm.
Giải bài toán ổn định tĩnh xác định được hệ số ổn định nhỏ nhất λmin,
điều kiện ổn định được viết dưới dạng sau:
(3.67)
cp   min  0 ,
trong đó λcp là giá trị giới hạn của hệ số ổn định.
3.2. Phương pháp giải bài toán tối ưu tham số vỏ khoang tên lửa
3.2.1. Phân tích lựa chọn phương pháp giải
Bài toán tối ưu tham số kết cấu vỏ có một số đặc điểm sau: biến thiết
kế trong bài toán nhận giá trị nguyên dương; sự phụ thuộc của hàm mục
tiêu và các ràng buộc vào biến thiết kế là không tường minh. Do đó áp
dụng thuật toán tiến hóa vi phân là tốt hơn cả.
3.2.2. Mô hình cơ bản của thuật toán tiến hóa vi phân
Thuật toán tiến hóa vi phân (DE) có cấu trúc gồm các quá trình: khởi
tạo, đột biến, lai ghép, chọn lọc tái sinh.
Khởi tạo quần thể: quần thể ban đầu khởi tạo theo công thức:
xi(,1j )  x min
 ( x max
 x min
)rand( 0,1);  i  1...np; j  1...n 
(3.75)
j
j
j
với: rand(0,1) là số ngẫu nhiên có phân bố đều trong khoảng (0,1).
Đột biến: cá thể đột biến được tạo ra theo công thức:





(g)
Yi ( g )  X best
 F X r(i 1g )  X r(i 2g ) ;  i  1...np 

(3.77)

với: F- hằng số đột biến; ri1, ri2,- các số tự nhiên khác nhau và khác i phân
bố đều trong khoảng [1,np], X(g)best- cá thể tốt nhất trong quần thể thứ g.
Lai ghép: cá thể lai ghép được tạo ra theo công thức:
g 
 y i , j , rand ( 0 ,1 )  C r|i  i ran d
g
z i, j     g 
,  i  1...np , j  1...n  ;
otherw ise
 x i , j ,

(3.82)

với:Cr- hệ số lai ghép; irand - số tự nhiên phân bố đều trong khoảng [1,n].


15
Chọn lọc tái sinh: cá thể được chọn sang thế hệ mới theo công thức:







 Z i g  , f Z i g   f X i g 

X i g  1   
g 
g 
 f X i g 
 X i , f Zi










,

i

(3.85)

 1 ...n p  ;

Điều kiện dừng:
np

     f  X  / np   ,

min f X i g 

g

(3.86)

i

i 1

với  là một số dương đủ nhỏ.
3.2. Thuật toán giải bài toán tối ưu tham số kết cấu vỏ gia cường
Biến thiết kế của bài toán là nguyên dương, trong khi thuật toán DE
xử lý các biến thiết kế thực, mặt khác để hạn chế các biến thiết kế khi đột
biến không ra khỏi miền cho phép các toán tử được sửa đổi như sau:
Khởi tạo quần thể:
xi,1j  round( x min
 ( xmax
 xmin
)rand( 0,1)); i  1...np; j  1...n  . (3.89)
j
j
j
Đột biến:
 y, x min
 y  x max
j
j

 g   min
g
g
g
min
yi , j   x j , y  x j ; y  round xbest
, j  F xri 1 , j  xri 2 , j
 x max ,
y  x max
j
 j





 . (3.90)

Begin
g= 1
Khởi tạo quần thể X(1)
Đột biếntạo ra quần thể Y(g)

Phân tích
PTHH
xác định

g=g+1

Lai ghép tạo ra quần thể Z(g)

Chọn lọc tạo ra thế hệ tiếp theo X(g+1)
Sai
ε<[ε]
Đúng
Xuất kết quả
End

Hình 3.6. Sơ đồ giải thuật tối ưu tham số vỏ khoang tên lửa.

ftq(x)


16
Để giảm khối lượng tính toán luận án sử dụng phương pháp hàm
phạt để hạn chế việc phân tích kết cấu nhiều lần khi đó hàm mục tiêu được
tính theo công thức:
n1

 n

(3.87)
M  ftq  x     mi ( x )   1   k j c j 
j 1
 i 1


với kj là hệ số phạt; cj- hệ số vi phạm các ràng buộc tính như sau:
 m ax  0 , td j /  cp j  1  ,  j  1...n 

cj  

 m ax  0 ,  cp /  m in  1  ,  j  n  1 

(3.88)

Thuật toán giải bài toán tối ưu tham số vỏ gia cường như hình 3.6.
3.3. Xây dựng chương trình số và áp dụng tính toán
3.3.1. Xây dựng chương trình số
Chương trình được xây dựng bằng phần mềm Matlab.
Số liệu đầu vào của chương trình gồm: sơ đồ kết cấu chịu lực; đặc
trưng vật liệu; giá trị tải trọng; các điều kiện biên; các tham số điều khiển
thuật toán; giá trị độ dày vỏ và các giá trị đặc trưng của gân theo tiêu
chuẩn.
Kết quả đầu ra của chương trình bao gồm: giá trị biến thiết kế của kết
cấu tối ưu; biểu đồ tiêu chuẩn hội tụ;
3.3.2. Kiểm tra mô đun phân tích vỏ
Kiểm tra tiến hành bằng cách so sánh kết quả phân tích một kết cấu
bằng phần mềm ANSYS và chương trình.
Kết cấu là một vỏ hình trụ làm bằng hợp kim nhôm gia cường hai
gân dọc, hai gân ngang và hai vành ở mặt đầu. Mô hình hình học, tải trọng,
điều kiện biên như hình 3.7, các thông số đầu vào cho trong bảng 3.1.

Tham số
Giá trị

Hình 3.7. Mô hình kết cấu vỏ sử dụng trong tính toán
Bảng 3.3. các thông số kích thước, tải trọng, vật liệu
Áp lực dọc trục,
Mô đun Young,
Lực dọc, N
Hệ số poát xông

Mpa
Mpa
4
50
25000
7.1x10
50

Sau khi phân tích các kết quả dạng ảnh đồ cho trong hình 3.8, 3.9,
3.10, 3.11, kết quả tổng hợp dạng số cho trong bảng 3.2.


17

Hình 3.8. Ảnh đồ chuyển vị tổng khi phân
tích bằng chương trình

Hình 3.9. Ảnh đồ ứng suất tương đương khi
phân tích bằng chương trình

Hình 3.10. Ảnh đồ chuyển vị tổng khi phân
tích bằng ANSYS

Hình 3.11. Ảnh đồ ứng suất tương đương khi
phân tích bằng ANSYS

TT
1
2
3

Bảng 3.2. Kết quả kiểm tra mô đun PTKC của chương trình TUTS.
Đặc tính
ANSYS
chương trình
Sai lệch (%)
Chuyển vị lớn nhất
0,6737
0,6618
1,7
Ứng suất lớn nhất
86,73
85,40
1,6
Hệ số ổn định
1,0901
1,1005
0,1

Ta nhận thấy các kết quả tính bằng phần mềm tự xây dựng phù hợp
tốt với các kết quả tính toán nhận được bằng phần mềm ANSYS. Sai số lớn
nhất giữa 2 chương trình tính không vượt quá 5%.
3.3.3. Tối ưu tham số kết cấu vỏ KCĐ tên lửa đối hải dưới âm điển hình
Bài toán nhằm xác định các tham số tối ưu là độ dày vỏ, các kích
thước và hình dạng đặc trưng của các gân tăng cường cho vỏ có sơ đồ kết
cấu đã xác định trong chương 2. Vỏ khoang là một kết cấu vỏ trụ được gia
cường 2 vành mặt đầu, 2 gân ngang và hai gân dọc, vị trí bố trí các phần tử
kết cấu và sơ đồ chịu lực được cho như hình 2.16. Các lực tác dụng, điều
kiện biên, tính chất vật liệu, giới hạn bền, ổn định lấy giống với chương 2.
Vỏ có độ dày được lựa chọn phù hợp với tiêu chuẩn ΓOCT 21631 – 76 thể

hiện trong bảng 3.3.
Bảng 3.3. Độ dày nhôm tấm theo tiêu chuẩn ΓOCT 21631 – 76

TT
t (mm)
TT
t(mm)

1
1
9
2,6

2
1,2
10
2,8

3
1,5
11
3,0

4
1,6
12
3,2

5
1,8

13
3,5

6
2,0
14
3,6

7
2,2
15
3,8

8
2,5
16
4,0


18
Hình dạng, các kích thước đặc trưng, đặc trưng quán tính mặt cắt
ngang các gân được lựa chọn theo các tiêu chuẩn ΓOCT 13618-84 - ΓOCT
13622-84, được cho trong bảng 3.4.
Bảng 3.4. Đặc trưng của gân chế tạo từ hợp kim nhôm theo các tiêu chuẩn ΓOCT 13618-84
- ΓOCT 13622-84
TT Dạng mặt cắt
H
B
t
e

F
Jx
Jy
1
20
20
2
4,7
76
2880
2880
2
20
20
3
6,1
111
4030
4030
3
Loại chữ V
25
25
2
7,0
96
5788
5788
4
25

25
3
7,3
141
8204
8204
5
25
25
4
7,7
184
10353
10353
6
20
10
1,5
2,2
42,75
425
1002
7
20
15
1,5
3,7
50,25
1519
1004

8
Chữ T
30
15
2
3,3
86
2044
4509
9
30
20
3
5,1
141
7522
6788
10
40
20
3
4,5
171
7567
16038
11
25
16
2
3,8

78
1623
4987
12
32
20
2
4,6
100
3297
10657
13
Chữ L
32
20
3
5,0
144
4631
15233
14
40
25
3
5,9
186
9405
30263
15
40

25
4
6,3
244
11907
39292
16
20
10
2
3,2
72
628
3936
17
30
15
2
4,5
112
2319
14709
18
Chữ C
30
15
3
4,8
162
3182

19926
19
40
20
2
5,7
152
5760
36638
20
40
20
3
6,1
222
8060
50986
21
48
7,5
1
3,0
61
1627
10156
22
50
10
1
4,2

68
3506
12043
23 Loại lượn sóng 58
12
1
5,7
80
7225
20271
24
64
14
1
7,1
90
12268
28926
25
72
18
1
9,8
106
26335
45395

Coi hai vành mặt đầu là như nhau, hai gân dọc là như nhau và hai
gân ngang như nhau. Như vậy ta có 4 biến thiết kế là : biến x1 xác định độ
dày vỏ; biến x2 xác định vành mặt đầu; biến x3 xác định gân dọc; biến x4

xác định gân ngang. Biến x1 nhận các giá trị nguyên trong khoảng [1,20],
các biến x2, x3, x4 nhận giá trị nguyên trong khoảng [1,25].
Các thông số của thuật toán tiến hóa vi phân được lựa chọn như sau:
số lượng cá thể trong một quần thể: np=25; hệ số đột biến: F=0,9; hệ số lai
ghép: Cr=0,3.
Chương trình hội tụ sau 53 vòng lặp ta nhận được biểu đồ tiêu chuẩn
hội tụ như hình 3.5, lời giải tối ưu có giá trị các biến thiết kế như trong
bảng 3.5.


19

Hình 3.13. Biểu đồ tiêu chuẩn hội tụ theo
vòng lặp

Bảng 3.5. Kết quả giải bài toán tối ưu kết cấu
vỏ
Khối
Số Khối lượng
Biến Giá trị
lượng lượng
tổng
x1
7
5,613
1
5,613
x2
1
0,264

2
0,528
x3
20
0,408
2
0,816
x4
6
0,150
2
0,300
Tổng khối lượng khoang tối
7,226
ưu

Kết quả khối lượng của kết cấu tối ưu khi so sánh với giá trị khối
lượng của kết cấu mẫu giảm được 21%. Từ giá trị của các biến thiết kế xây
dựng được kết cấu như hình 3.14.

Hình 3.14. Kết cấu KCĐ tối ưu
1. Vỏ, 2. Vành mặt đầu, 3. Gân dọc, 4. Gân ngang

3.4. Kết luận chương 3
Trong chương 3 đã tiến hành thiết lập bài toán tối ưu tham số cho kết
cấu vỏ chịu các ràng buộc về độ bền và ổn định, sử dụng mô hình thống kê
với các biến số nguyên dương xác định thứ tự của phần tử kết cấu được lựa
chọn trong bảng thống kê các đặc tính của phần tử đã được xác định trước
theo tiêu chuẩn của nhà sản xuất. Giá trị ràng buộc được xác định nhờ
phương pháp PTHH với việc sử dụng các phần tử tổ hợp để mô hình hóa vỏ

gia cường. Đã nghiên cứu lựa chọn phương pháp tiến hóa vi phân kết hợp
phương pháp hàm phạt để giải bài toán. Các giải thuật và chương trình
bằng Matlab đã được xây dựng và kiểm tra sự đúng đắn. Chương trình
được áp dụng để tối ưu tham số cho kết cấu vỏ KCĐ tên lửa đối hải dưới
âm điển hình. Đầu vào của bài toán là sơ đồ kết cấu chịu lực nhận được sau
khi giải bài toán tối ưu cấu trúc trong chương 2. Kết quả cuối cùng nhận
được có khối lượng nhỏ hơn kết cấu mẫu 21%.


20
CHƯƠNG 4. THỬ NGHIỆM MÔ PHỎNG
Thử nghiệm nhằm mục đích đánh giá tính đúng đắn của mô hình
toán, các giải thuật và chương trình, phần mềm đã được xây dựng thông
qua việc so sánh, đánh giá kết quả của bài toán tối ưu với nguyên mẫu.
4.1. Tổng quan về phần mềm mô phỏng ảo ANSYS
4.1.1. Giới thiệu chung
ANSYS được xây dựng và phát triển từ năm 1970, được xây
dựng dựa trên phương pháp PTHH, sử dụng để phân tích các bài toán vật
lý, cơ học. Các bài toán kỹ thuật về cơ, nhiệt thủy khí, điện từ có thể được
giải quyết với các điều kiện biên cụ thể và số bậc tự do lớn. Vì ý nghĩa rất
lớn nên ANSYS được công nhận và sử dụng rộng rãi trong các cơ quan
nghiên cứu cơ học và thiết kế cơ khí.
4.1.2. Các bước thực hiện mô phỏng trong ANSYS
Để thực hiện một mô phỏng bằng ANSYS thông thường trải qua 4
bước chính, được mô hình hóa như sơ đồ hình 4.1.
Chuẩn bị

Tiền xử lý

Giải

Khai thác kết quả

Hình 4.1. Sơ đồ quá trình mô phỏng bằng phần mềm ANSYS

4.2. Thử nghiệm mô phỏng so sánh
Trong phần này tiến hành mô phỏng xác định khả năng chịu tải của
khoang mẫu và khoang tối ưu khi tải trọng và các điều kiện biên đã xác
định từ đó rút ra các nhận xét, đánh giá về khoang tối ưu đã được thiết kế.
Thực nghiệm mô phỏng được tiến hành trong môi trường ANSYS
Workbench, sử dụng các mô đun Desing Modeler, Static Structures và
Linea Buckling. Sơ đồ liên kết FSI của các mô đun như hình 4.2.

Hình 4.2. Liên kết FSI của các mô đun trong bài toán mô phỏng

4.2.1. Thử nghiệm mô phỏng KCĐ mẫu
Vỏ KCĐ được xây dựng theo mẫu thực và tài liệu thiết kế của đề tài
cấp Bộ Quốc phòng KCT.10. Kết cấu được chia thành các phần tử chịu lực
chính sau: mặt bích trước, mặt bích sau; hai gân gia cường dọc; hai gân gia
cường ngang; vỏ ngoài. Kết cấu cụ thể của vỏ khoang KCĐ trong hình 4.3.


21

Hình 4.3. Kết cấu vỏ KCĐ mẫu
1. Vỏ ngoài, 2. Vành trên, 3. Giằng dọc, 4. Giằng ngang, 5. Vành dưới.

Mô hình hình học của kết cấu được xây dựng bằng Inventor (hình
4.4). Mô hình phần tử hữu hạn được cho trên hình 4.5.

Hình 4.4. Mô hình hình học của KCĐ

Hình 4.5. Mô hình phần tử hữu hạn của
KCĐ

Kết quả mô phỏng: khối lượng của khoang: 9,163 kg, ảnh đồ trường
ứng suất tương đương trong toàn bộ kết cấu và các phần tử như trong hình
4.6, 4.7, 4.8. Các giá trị ứng suất lớn nhất trong kết cấu đạt 102,8Mpa xuất
hiện tại gân dọc. Về ổn định giá trị hệ số ổn định nhỏ nhất đạt 2,0345, ảnh
đồ dạng mất ổn định đầu tiên như hình 4.9.

Hình 4.6. Ảnh đồ ứng suất tương đương
của toàn bộ kết cấu

Hình 4.7. Ảnh đồ ứng suất tương đương
trong vỏ ngoài


22

Hình 4.8. Ảnh đồ ứng suất tương đương
trong gân

Hình 4.9. Dạng mất ổn định đầu tiên của
kết cấu vỏ KCĐ

4.2.2. Thử nghiệm mô phỏng KCĐ tối ưu
KCĐ tối ưu đưa vào thử nghiệm mô phỏng là kết quả của bài toán
thiết kế tối ưu đã được giải trong chương 2 và chương 3. Các thuộc tính về
vật liệu và tải trọng, điều kiện biên của khoang được lấy tương tự thông số

đầu vào của các chương trình tính toán tối ưu trong các chương 2 và 3. Mô
hình hình học của vỏ khoang tối ưu được xây dựng trên Inventor sau đó
nhâp vào ANSYS. Mô hình hình học và mô hình phần tử hữu hạn như trên
hình 4.10, 4.11.

Hình 4.10. Mô hình hình học khoang
tối ưu

Hình 4.11. Mô hình phần tử hữu hạn của
khoang tối ưu

Sau khi chạy thử nghiệm mô phỏng nhận được kết quả như sau: khối
lượng kết cấu: 7,226kg. Ảnh đồ trường phân bố ứng suất tương đương
trong toàn bộ kết cấu và các phần tử như trong các hình 4.12, 4.13, 4.14.
Giá trị ứng suất lới nhất trong kết cấu đạt 118,5 Mpa, tai gân dọc. Hệ số ổn
đinh nhỏ nhất là 2,0564 ảnh đồ dạng mất ổn định như hình 4.15.

Hình 4.12. Ảnh đồ ứng suất tương đương
trong KCĐ tối ưu

Hình 4.13. Ảnh đồ ứng suất tương đương
trong vỏ khoang tối ưu


23

Hình 4.14. Ảnh đồ ứng suất tương đương
trong gân khoang tối ưu

Hình 4.15. Dạng mất ổn định đầu tiên

của vỏ khoang tối ưu

4.3. Kết luận chương 4
Trong chương 4 đã tiến hành thử nghiệm mô phỏng ảo bằng phần
mềm ANSYS. Tiến hành mô phỏng kết cấu KCĐ mẫu và kết cấu KCĐ tối
ưu để so sánh đánh giá khả năng chịu tải giữa chúng.
Các kết quả nhận được cho phép rút ra các kết luận chính sau:
Về khối lượng của các kết cấu: kết cấu tối ưu có khối lượng nhỏ hơn
kết cấu mẫu 21%.
Về độ bền: giá trị ứng suất tương đương lớn nhất xuất hiện trong kết
cấu tối ưu cao hơn so với ứng suất trong KCĐ mẫu là 15%, nhưng vẫn đảm
bảo bền. Vị trí xuất hiện ứng suất tương đương lớn nhất của hai kết cấu đều
là trên gân dọc.
Về ổn định: Giá trị hệ số ổn định của hai kết cấu sai khác nhau không
quá 1%. Dạng mất ổn định của hai kết cấu là tương tự nhau.
Từ đó có thể kết luận khoang tối ưu theo tính toán của luận án có khả
năng làm việc tương tự KCĐ mẫu trong khi có khối lượng nhỏ hơn 21%.
Các kết quả trên cho thấy chương trình thiết kế tối ưu có thể sử dụng
để tính toán thiết kế tối ưu cho các kết cấu vỏ mỏng cũng như các dạng
khoang khác nhau của tên lửa.
KẾT LUẬN
Những kết quả chính đã đạt được:
1. Thiết lập được bài toán tối ưu cấu trúc vỏ khoang tên lửa chịu
đồng thời ràng buộc độ bền và ổn định với mục tiêu là tối thiểu hóa khối
lượng trên cơ sở sử dụng mô hình vật rắn biến dạng có mật độ thay đổi và
phương pháp PTHH.
2. Xây dựng được thuật toán để giải bài toán tối ưu cấu trúc vỏ
khoang tên lửa. Thuật toán là sự kết hợp phương pháp tối ưu sử dụng
nguyên lý bền đều với phương pháp tiêu chuẩn tối ưu kết cấu chịu ràng
buộc ổn định.