Luận án Nghiên cứu động lực học của tên lửa có tính đến ảnh hưởng của yếu tố đàn hồi
Trang 1
Trang 2
Trang 3
Trang 4
Trang 5
Trang 6
Trang 7
Trang 8
Trang 9
Trang 10
Tải về để xem bản đầy đủ
Bạn đang xem 10 trang mẫu của tài liệu "Luận án Nghiên cứu động lực học của tên lửa có tính đến ảnh hưởng của yếu tố đàn hồi", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên.
Tóm tắt nội dung tài liệu: Luận án Nghiên cứu động lực học của tên lửa có tính đến ảnh hưởng của yếu tố đàn hồi
huyển vị nút: m( t ) X2 + Y 2 + Z 2 GGG n 1 T (1) T T x y z A A x y z dx TL i 1 (phan tu i ) T n 1 2 X Y Z A x y zT dx GGG i 1 (phan tu i ) 39 n 1 T T T d N()() x A A N x d dx i i i i i 1 (phan tu i ) T n 1 T(2) 2 X Y Z A N ( x ) d dx TL G G G i i i 1 (phan tu i ) n 1 T 2 x y z A A N ( x ) d dx i i i 1 (phan tu i ) n 1 T T d Ni( x ) N i ( x ) d dx i i i 1 (phan tu i ) n 1 T 2 XG Y G Z G A N i ( x ) d dx i i 1 T (3) (phan tu i ) TL n 1 T 2 x y z A A Ni ( x ) d dx i i 1 (phan tu i ) n 1 T TT 2 d Ni ( x ) A A N i ( x ) d dx i i i 1 (phan tu i ) (1) Thành phần TTL là động năng của tên lửa khi coi tên lửa như vật rắn tuyệt (2) đối, thành phần TTL là động năng của tên lửa khi tính đến ảnh hưởng của chuyển (3) vị đàn hồi, thành phần TTL là động năng của tên lửa khi tính đến ảnh hưởng của vận tốc dao động đàn hồi. Khi bỏ qua ảnh hưởng của yếu tố đàn hồi thì các (2) (3) thành phần TTL ,TTL sẽ bị triệt tiêu. Ký hiệu: T N(1) xyzAAxyzdx T ; i (phantu i) (2) T Ni N i( x ) N i ( x ) dx ; (phantu i) T N(3) N( x )T A A N ( x ) dx ; i i i (phantu i) (4) Ni N i ( x ) dx ; (phantu i) 40 N(5) x y z A AT N ( x ) dx ; i i (phantu i) T N(6) x y z A A N ( x ) dx ; i i (phantu i ) N(7) N()(); xTT A A N x dx i i i (phantu i) n 1 T M t x y z dx i 1 (phan tu i ) Thay các đại lượng được ký hiệu ở trên vào (2.12) ta được: n 1 T 2 2 2 (2) m( t ) XG + Y G + Z G d N i d i i i 1 n 1 n 1 T N(1) d N (3) d i i i i i 1 i 1 T 2 X Y Z A M t GGG n 1 1 T (4) TTL 2 X G Y G Z G A N i d (2.13) i 2 i 1 T n 1 2 X Y Z A N(4) d G G G i i i 1 n 1 n 1 (5) (6) 2 Ni d 2 N i d i i i 1 i 1 n 1 T (7) 2 d Ni d i i i 1 Rút gọn (2.13) bằng cách tổ hợp các vec-tơ chuyển vị nút của phần tử thành vec-tơ chuyển vị nút tổng thể, động năng của tên lửa được viết lại như sau: T mt( ) X2 + Y 2 + Z 2 d N (2) d N (1) GGG T T d N(3) d 2 X Y Z A M t GGG 1 TTL (2.14) T T (4) (4) 2 2 XYZAN d 2 XYZAN d GGGGGG T 2 N(5) d 2 N (6) d 2 d N (7) d 41 Trong đó: d là vec-tơ chuyển vị nút tổng thể và N (1) , N (2) , NN(3) ,, (4) NNN(5) ,, (6) (7) là các ma trận tổng thể được tổ hợp từ các ma trận thành phần NN(1) ,, (2) NN(3) ,, (4) NNN(5) ,, (6) (7) i i i i i i i tương ứng, phương pháp tổ hợp các ma trận tổng thể sẽ được trình bày kỹ ở phần sau, khi trình bày phương pháp lập vec-tơ chuyển vị nút tổng thể và các ma trận tổng thể trong chương 3. b. Biểu diễn động năng của luồng phụt theo vec-tơ chuyển vị nút Ký hiệu: CCC1, 2 , 3 :là ma trận biến đổi sao cho: T u v w C d PPP 1 T u v w x x x C d xPPP x x 2 u x C d x P 3 NC(8) A T 1 T (9) NC A 1 NC(10) A T 2 T N(11) x y z A A x y z T PPPPPP N(12) x y z A A T C PPP 1 T N(13) x y z A A C PPP 1 42 (14) T N xPPP y z A A C2 NCC(15) T 1 1 T NCAAC(16) T 1 1 NCNCC(17) 1 0 0 ; (18) T 1 1 2 T NCC(19) T AA 1 1 T NC(20) 1 0 0 A A 1 (21) TT NCC 1 AA 2 NC(22) 3 T NCC(23) 2 2 Thay các đại lượng được ký hiệu ở trên vào (2.7), ta được: T XYZ2 2 2 2 XYZ A xyz T 2 Nd (13) GGGGGGPPP 2 X Y Z N(8) d 2 X Y Z N (9) d GGGGGG 2U X Y Z N(10) d 2 U X Y Z ATT 1 0 0 td G G G hd G G G (11) (12) (14) (17) NN 2 d 2 Uhd N d 2 U hd N d m TLP T (2.15) 2 TT (15) 2Uhd x P y P z P A A 1 0 0 d N d TT 2d N(16) d 2 U d N (18) d hd T d N(19) d 2 U N (20) d 2 U 2 N (22) d hd hd T T U2 d N (23) d U 2 2 U d N(21) d hd hd hd 43 c. Biểu diễn thế năng biến dạng của tên lửa theo vec-tơ chuyển vị nút 2 N() x Ký hiệu i là ma trận được tạo thành bằng cách đạo hàm riêng 2 x cấp 2 các thành thần của ma trận Ni () x đối với biến x , hay: 2 N() x 2 N() x i i 2 2 x x Từ biểu thức (2.10) suy ra: T 2u 2 v 2 w 2 N() x i d (2.16) 2 2 2 2 i x x x i x Thay (2.16) vào (2.8) ta được: T 0 0 0 n 1 2 2 1T Ni ( x ) N i ( x ) U d 0 EJ 0 dx d (2.17) e i 2 y 2 i 2 i 1 (phan tu i ) x x 0 0 EJ z Ký hiệu: 0 0 0 2T 2 Ni()() x N i x G 0 EJ 0 dx (2.18) i 2 y 2 (phan tu i ) x x 0 0 EJ z Thay (2.18) vào (2.17) ta được: n 1 1 T U d G d (2.19) e i i i 2 i 1 Gọi G là ma trận tổng thể được tổ hợp từ các ma trận G tương ứng với i vec-tơ chuyển vị nút tổng thể d ,(2.19) được viết gọn dưới dạng: 1 T U d G d (2.20) e 2 Phương pháp xây dựng ma trận tổng thể G được trình bày kỹ ở chương 3. 44 d. Biểu diễn lực suy rộng theo vec-tơ chuyển vị nút Hệ tọa độ suy rộng bao gồm: u v w u v w X,, Y Z ,,,,, u1 ,, v 1 ,, w 1 ,...,, un ,, v n ,, w n G G G1x 1 x 1 x n x n x n x Trong đó, với các tọa độ suy rộng là bậc tự do nút thì ta viết gọn dưới dạng vec- tơ chuyển vị nút: T u v w u v w d u1 v 1 w 1 ... un v n w n 1x 1 x 1 xn x n x n x Ký hiệu: AAA A ; A ; A FFFF x,,: y z Lực tập trung tại điểm có tọa độ x k k k k k F() x Fx (), x F y (), x F z (): x Lực tập trung tại điểm có tọa độ x i k i k i k i k k trong phần tử thứ i. p() x px (), x p y (), x p z (): x Lực phân bố tại điểm có tọa độ x p() x px (), x p y (), x p z (): x Lực phân bố tại điểm có tọa độ x trong i i i i phần tử thứ i. Theo (2.9) lực suy rộng được tính theo công thức: r r Q Fk p dx (2.21) qi k qi(TL) q i Từ biểu thức: T r XYZ xyz A uvw A IJK k G G G k k k k k k T r XYZ xyz A uvw A IJK GGG Ta suy ra: + Lực suy rộng ứng với tọa độ của khối tâm G: 45 Khai triển (2.21), ta có: r r Q Fk p dx F I pIdx XG k k XXGG()()TL TL F X Tương tự, ta có biểu thức tính lực suy rộng tương ứng với tọa độ YZGG, : Y QF YG QF Z ZG Ở đây, FFFXYZ,, là tổng hợp các ngoại lực (không bao gồm lực đẩy phản lực) tác dụng lên hệ tên lửa + luồng phụt theo các phương OX,OY,OZ tương ứng. + Lực suy rộng ứng với các góc quay ,, : Từ biểu thức: r AA T k x y z u v w I J K k k k k k k T x y z A u v w A I J K k k k k k k r AA T x y z u v w I J K T x y z A u v w A I J K Thay vào công thức: rk r Q Fk p dx (TL) rigid flex Ta nhận được: QMM Trong đó: 46 T rigid x y z T M Fk F k F k A x k y k z k T pxx () px y () px z ()A xyzdx T (tenlua) n 1 T flex x y z M Fk F k F k A() N i x k d i i 1 n 1 T x y z pxpxpxi () i () i ()A Nxdxd i () i i 1 (phan tu i ) rigid M là mômen lực tác dụng lên tên lửa khi coi tên lửa như vật rắn tuyệt đối. flex M là mômen lực tác dụng lên tên lửa do ảnh hưởng của biến dạng đàn hồi. Lập luận tương tự, ta có: rigid flex QMM rigid flex QMM Trong đó: T rigid x y z T M Fk F k F k A x k y k z k T pxx () px y () px z ()A xyzdx T ()TL n 1 T flex x y z M Fk F k F k A() N i x k d i i 1 n 1 T x y z pxpxpxi () i () i ()A Nxdxd i () i i 1 (phan tu i ) T rigid x y z T M Fk F k F k A x k y k z k T pxx () px y () px z ()A xyzdx T ()TL n 1 T flex x y z M Fk F k F k A() N i x k d i i 1 n 1 T x y z pxi () px i () px i ()A Nxdxd i () i i 1 (phan tu i ) Ở đây: 47 rigid flex rigid flex MMMM,,, là các mômen lực khi coi tên lửa như vật rắn tuyệt đối và do ảnh hưởng của yếu tố đàn hồi tương ứng với các góc , . + Lực suy rộng ứng với vec-tơ chuyển vị nút: Lần lượt tính lực suy rộng tương ứng với các bậc tự do nút và viết gọn dưới dạng vec-tơ, ta được: n 1 Q Fx()()()A() x F y x F z x TT N x d i k i k i k i k i 1 n 1 x y z TT pi()()()A() x p i x p i x N i x dx i 1 (phan tu i ) (Dấu trong công thức trên mang tính quy ước để biểu diễn vec-tơ lực suy rộng tổng thể được tạo thành bằng cách tổ hợp các vec-tơ lực suy rộng thành phần) 2.3.3 Phương trình chuyển động của tên lửa có tính đến ảnh hưởng của yếu tố đàn hồi trong không gian 3 chiều Tên lửa tại Luồng phụt Tên lửa tại thời điểm tk thời điểm tk Hình 2.7. Sơ đồ minh họa sự thay đổi trạng thái của tên lửa Xét cơ hệ gồm tên lửa biến đổi trạng thái từ thời điểm tk t k (tk là hằng số, là biến số thời gian), khi đó hệ “tên lửa” cũ sẽ tách thành hệ “tên lửa” mới + luồng phụt. Cơ hệ gồm “tên lửa” + “luồng phụt” khi đó vẫn là cơ hệ bảo toàn khối lượng. Theo nguyên lý Hamilton: tk (T Ue W ) d 0 tk 48 Trong đó: T T(,) qi q i : là động năng của cơ hệ tên lửa+ luồng phụt. Ue U e() q i : là thế năng biến dạng đàn hồi của cơ hệ. W W() qi : là công của ngoại lực tác dụng lên cơ hệ bao gồm cả lực thế (trọng lực v.v) qi : là các tọa độ suy rộng của cơ hệ. Áp dụng phương trình Lagrange ta có: d T T U W e 0 d qi q i q i q i W Thay Q ta được: qi qi d T T U e Q (2.22) qi d qi q i q i Ở đây: TTT TL LP Q là lực suy rộng ứng với tọa độ suy rộng q . qi i Khai triển (2.22), ta có: d T d T T T U TL LP TL LP e Q (2.23) qi d qi d q i q i q i q i Theo (2.7), khai triển thành phần TLP ta được: d T1d m 4 T(k) 1 4 d T (k) LP LP m LP (2.24) d qi2 d k 1 q i 2 k 1 d q i TT1 4 (k) LP m LP (2.25) qi2 k 1 q i Thay t bởi t vào biểu thức tính TTUQ,,, trong (2.23) và lấy giới k TL LP e qi hạn 2 vế của phương trình (2.23) khi 0, ta có: 49 dTTL t k d T LP t k d q d q i i lim limQq t k (2.26) 0 T t T t U t 0 i TL k LP k e k qi q i q i Khai triển và để ý rằng khi lấy giới hạn khi 0, thì: dm(t ) d m lim(m())t m ( t ) ; lim m 0; limk lim (); t 0k k 0 0d 0 d k Kết hợp với (2.24) và (2.25), ta có: dT t 1 d m4 T(k) t 1 4 d T (k) limLP k lim LP k lim m LP 0 0 0 d qi2 d k 1 q i 2 k 1 d q i Suy ra: d T t 1 4 T(k) t lim LP k ()t LP k 0 k d qi2 k 1 q i 4 (k) TLP t k m T LP t k lim lim 0 0 0 k 1 qi 2 q i Thay giá trị của phép tính giới hạn bên trên vào khai triển (2.26), để biểu diễn biểu thức khai triển cho gọn, ta ký hiệu: AAA BBB ;; AAA BBB ;; NNNNNN(24) (1);; (25) (1) (26) (1) 50 NNNNNN(27) (3);; (28) (3) (29) (3) NNNNNN(30) (5);; (31) (5) (32) (5) NNNNNN(33) (6);; (34) (6) (35) (6) NNNNNN(36) (7);; (37) (7) (38) (7) NNNNNN(39) (11);; (40) (11) (41) (11) NNNNNN(42) (12);; (43) (12) (44) (12) NNNNNN(45) (13);; (46) (13) (47) (13) NNNNNN(48) (14);; (49) (14) (50) (14) NNNN(51) (16) ; (52) (16) ; NN (53) (16) NNNNNN(54) (19);; (55) (19) (56) (19) NNNNNN(57) (20);; (58) (20) (59) (20) NNNNNN(60) (21);; (61) (21) (62) (21) T T N(63) xyzB A A B xyzdx T 51 T T N(64) N()AA() xT B B N x dx i i T N(65) x y z B AT A A N ( x ) dx i T T N(66) x y z B A A B N ( x ) dx i T N(67) N()AA() xTT B A N x dx i i T T N(68) xyzB A A B xyzdx T T T N(69) N( x )T B A A B N ( x ) dx i i T N(70) xyzBA T AA Nxdx ( ) i T T N(71) xyzBA AB Nxdx ( ) i T N(72) N()AA() xTT B A N x dx i i T T N(73) xyzB A A Bxyzdx T T T N(74) N()AA() xT B B N x dx i i T N(75) x y z B AT A A N (x) dx i Thay các ký hiệu trên vào khai triển (2.26) ta thu được hệ phương trình vi phân chuyển động của tên lửa trong không gian với biến thời gian là tk . Do hệ phương trình đúng với mọi t nên thay t bởi t và thay FUhd [8] vào hệ k k pl hd phương trình thu được, ta có hệ phương trình vi phân chuyển động tổng quát của tên lửa trong không gian 3 chiều như sau: 52 *Hệ phương trình ứng với chuyển động tịnh tiến của khối tâm G: TT m() t X 100 A MM t 100 A (t) G T 1 0 0 A N( 4) d 1 0 0 AT N ( 4 ) d T 1 0 0AT N( 4 ) d 1 0 0 A N ( 4 ) d TT 1 0 0 A N ( 4) d 1 0 0 A N ( 4 ) d T T 1 0 0 A x y z 1 0 0 N(8) d PPP (9 ) hd (10 ) 1 0 0 N d Fpl 1 0 0 N d hd QFX pl cos cos G TT m() t Y 010 A MM t 010 A (t) G T ( 4) T ( 4 ) 0 1 0 A N d 0 1 0 A N d T 0 1 0AT N( 4 ) d 0 1 0 A N ( 4 ) d TT 0 1 0 A N ( 4) d 0 1 0 A N ( 4 ) d (2.27) T 0 1 0 A x y zT 0 1 0 N(8) d PPP 0 1 0 N(9 ) d Fhd 0 1 0 N (10 ) d pl QF hd cos sin YG pl TT m() t Z 001 A MM t 001 A (t) G T ( 4) T ( 4 ) 1 0 0 AN d 0 0 1 A N d T 0 0 1AT N( 4 ) d 0 0 1 A N ( 4 ) d TT 0 0 1 A N ( 4) d 0 0 1 A N ( 4 ) d T T 0 0 1 A x y z 0 0 1 N(8) d PPP 1 0 0 N(9 ) d Fhd 0 0 1 N (10 ) d pl QF hd sin ZG pl 53 *Hệ phương trình ứng với chuyển động quay của tên lửa: Phương trình quay của tên lửa ứng với góc chúc ngóc : 1TT 1 N(24) d N (27) d d N (27) d 2 2 T T XYZBXYZB MM (t) (t) GGGGGG TT X Y Z B M (t) X Y Z B N(4) d GGGGGG T T XYZB N(4) d X Y Z B N (4) d GGG GGG T X Y Z B N(4) d N (30) d N (30) d GGG T N (33) d N (33) d d N (36) d TT d N (36) d d N (36) d T T X Y Z B x y z GGGPPP (2.27) T 1 (39) X Y Z B C d N GGG 1 2 N(42) d N (45) d Fhd x y z B ATT 1 0 0 pl P P P T Fhd N(48) d d N (51) d F hd N (57) d pl pl 1 T T 1 d N (54) d Fhd d N(60) d N (63) pl 2 2 1 T T d N(64) d X Y Z B M (t) GGG 2 TT XYZAN (4) d XYZBN (4) d GGGGGG T N(65) d N (66) d d N (67) d Q 54 Phương trình quay của tên lửa ứng với góc lắc ngang : 1TT 1 N(25) d N (28) d d N (28) d 2 2 T T XYZBXYZB MM (t) (t) GGGGGG TT X Y Z B M (t) X Y Z B N(4) d GGGGGG T T XYZB N(4) d X Y Z B N (4) d GGG GGG T X Y Z B N(4) d N (31) d N (31) d GGG T N (34) d N (34) d d N (37) d TT d N (37) d d N (37) d T T X Y Z B x y z GGGPPP T 1 (40) X Y Z B C d N GGG 1 2 (2.27) N(43) d N (46) d Fhd x y z B ATT 1 0 0 pl P P P T Fhd N(49) d d N (52) d F hd N (58) d pl pl 1 T T 1 d N (55) d Fhd d N(61) d N (68) pl 2 2 1 T T d N(69) d X Y Z B M (t) GGG 2 TT XYZAN (4) d XYZB N (4) d GGGGGG T N(70) d N (71) d d N (72) d Q 55 Phương trình quay của tên lửa quanh trục dọc ứng với góc : 1TT 1 N(26) d N (29) d d N (29) d 2 2 T T XYZBXYZB MM (t) (t) GGGGGG TT X Y Z B M (t) X Y Z B N(4) d GGGGGG T T XYZB N(4) d X Y Z B N (4) d GGG GGG T X Y Z B N(4) d N (32) d N (32) d GGG T N (35) d N (35) d d N (38) d TT d N (38) d d N (38) d T T X Y Z B x y z GGGPPP (2.27) T 1 (41) X Y Z B C d N GGG 1 2 N(44) d N (47) d Fhd x y z B ATT 1 0 0 pl P P P T Fhd N(50) d d N (53) d F hd N (59) d pl pl 1 T T 1 d N (56) d Fhd d N(62) d N (73) pl 2 2 1 T T d N(74) d X Y Z B M (t) GGG 2 TT XYZAN (4) d XYZBN (4) d GGGGGG T N(75) d N (76) d d N (77) d Q 56 *Hệ phương trình ứng với dao động đàn hồi của thân tên lửa T 1(2) 1 (2) 1 (2) N d N d N d 2 2 2 1 TT T N(2) d N (4) A X Y Z 2 GGG TTT (4) (5) (7) N A X Y Z N N d GGG TT T T N(7) d 2 N (8) X Y Z N (12) GGG (2.27) 1 (15) (15)T (16) N N d N d 2 T 1 Fhd N(17) F hd N (18) d N (3) d pl pl 2 TT 1 (3) (6) (7) N d N N d 2 1 T G G d Q d 2 Nhận xét: Hệ phương trình (2.27) là hệ phương trình vi phân chuyển động tổng quát của tên lửa trong không gian bao gồm cả chuyển động tịnh tiến của khối tâm G theo 3 phương (biểu diễn bởi XYZGGG, , ), chuyển động quay theo phương ngang (lắc ngang, biểu diễn bởi góc ), chuyển động quay theo phương thẳng đứng (lắc dọc, biểu diễn bởi góc ), chuyển động quay quanh trục dọc (biểu diễn bởi góc ), dao động uốn theo 2 phương vuông góc với trục tên lửa (chuyển vị v, w). Thực tế, người ta thường coi tên lửa không điều khiển chỉ chuyển động trong mặt phẳng bắn (mặt phẳng thẳng đứng), do đó hệ phương trình chuyển động của tên lửa không điều khiển thường đơn giản hóa dưới dạng bài toán 2 chiều. 57 2.4 Hệ phương trình chuyển động của tên lửa có tính đến ảnh hưởng của yếu tố đàn hồi trong mặt phẳng bắn. Hình 2.8. Chuyển động của tên lửa trong hệ tọa độ tuyệt đối Do đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án là nghiên cứu ảnh hưởng của dao động uốn lên chuyển động của tên lửa không điều khiển trong mặt phẳng thẳng đứng, do đó hệ phương trình vi phân chuy
File đính kèm:
- luan_an_nghien_cuu_dong_luc_hoc_cua_ten_lua_co_tinh_den_anh.pdf
- Tom tat.docx
- Trang thong tin luan an.doc