Моделирование энергетических газодинамических процессов для решения задач внутренней баллистики
|
Введение 3
Глава 1 Теоретические основы классической и альтернативных схем метания 7
1.1 Актуальные вопросы систем выстрела 7
1.2 Описание классической схемы метания 8
1.3 Нетрадиционные схемы метания 11
1.4 Обзор патентов 13
1.5 Газодинамический метод в схемах метания 15
1.6 Предпосылки к эстафетной схеме 19
Глава 2 Математическая модель эстафетной схемы 22
2.1 Описание эстафетной схемы 22
2.2 Двухскоростная среда 23
2.3 Математическая модель 28
2.4 Разностная схема 37
2.5 Расчёт шага 40
Глава 3 Математическая модель схемы c выдвигающимся зарядом 43
3.1 Модификация эстафетной схемы 43
3.2 Описание схемы c выдвигающимся зарядом 44
3.3 Двухскоростная среда 46
3.4 Математическая модель 46
Глава 4 Программная реализация модели 52
4.1 Анализ технических средств реализации 52
4.2 Распараллеливание с помощью OpenCL 58
4.3 Работа реализованного программного решения 63
Глава 5 Анализ способов улучшения работы системы 66
5.1 Анализ проведённого исследования 66
5.2 Методы и средства теоретического улучшения системы 83
5.3 Рекомендации практического характера 84
Заключение 87
Список используемой литературы 89
Глава 1 Теоретические основы классической и альтернативных схем метания 7
1.1 Актуальные вопросы систем выстрела 7
1.2 Описание классической схемы метания 8
1.3 Нетрадиционные схемы метания 11
1.4 Обзор патентов 13
1.5 Газодинамический метод в схемах метания 15
1.6 Предпосылки к эстафетной схеме 19
Глава 2 Математическая модель эстафетной схемы 22
2.1 Описание эстафетной схемы 22
2.2 Двухскоростная среда 23
2.3 Математическая модель 28
2.4 Разностная схема 37
2.5 Расчёт шага 40
Глава 3 Математическая модель схемы c выдвигающимся зарядом 43
3.1 Модификация эстафетной схемы 43
3.2 Описание схемы c выдвигающимся зарядом 44
3.3 Двухскоростная среда 46
3.4 Математическая модель 46
Глава 4 Программная реализация модели 52
4.1 Анализ технических средств реализации 52
4.2 Распараллеливание с помощью OpenCL 58
4.3 Работа реализованного программного решения 63
Глава 5 Анализ способов улучшения работы системы 66
5.1 Анализ проведённого исследования 66
5.2 Методы и средства теоретического улучшения системы 83
5.3 Рекомендации практического характера 84
Заключение 87
Список используемой литературы 89
Математическое моделирование меняет представление о различных процессах, которые можно наблюдать в любых сферах деятельности человека, начиная от быта, заканчивая, но не ограничиваясь звёздными кластерами и другими сложно объяснимыми явлениями. Одним из таких явлений может являться артиллерийский выстрел, в течение которого протекают несколько различных процессов, которые позволяют условному снаряду покинуть ствольную часть артиллерийского орудия.
Преимущество огневой мощи необходимо в условиях боевых действий, причём учитывается даже не столько количество выставленных артиллерийских орудий, а насколько эффективно это орудие способно поражать противника. В отношении к артиллерийскому орудию учитываются такие параметры, как скорострельность, максимальная дальность поражения, начальная скорость снаряда и т.д. Изменения, необходимые для улучшения этих параметров, часто требуют кардинальных изменений в дизайне самого орудия, что означает необходимость разработки абсолютно новых конструкций с использованием наиболее современных доступных технологий, либо модификаций на базе существующей конструкции, которые могут привести к улучшению одного из параметров за счёт других, в зависимости от необходимости.
Построение математической модели артиллерийского выстрела может позволить конструктору рассчитать модель, используя различные параметры, такие как длины областей, состав и общий объём заряда, и т.д., чтобы выяснить, какое сочетание параметров даёт наибольший прирост для необходимого параметра артиллерийского орудия. В сочетании с современными вычислительными мощностями современных рабочих станций, у конструктора или экспериментатора появляется возможность значительно ускорить получение необходимых результатов после работы модели, а также повысить точность вычислений, избегая стандартизированных допущений и сокращений при вычислениях вручную.
Для данного исследования была поставлена научная проблема, которая заключается в том, что даже современные схемы метания, нуждающиеся в модификации, слишком часто обращаются к традиционным вычислениям и дорогостоящим стендам для экспериментов. Создание математической модели новой теоретической схемы метания и использование вычислительных мощностей современных персональных компьютеров и рабочих станций для её расчёта позволит гораздо быстрее и дешевле разработать новую схему метания или усовершенствовать имеющуюся, благодаря возможности протестировать полученную систему с разными параметрами, отсеивая неэффективные.
Целью исследования была поставлена разработка математической модели принципиально новой схемы метания, учитывающей энергетические газодинамические процессы, проходящие во время выстрела, программная реализация данной математической модели и получение результатов расчёта модели для сравнения с классической схемой метания.
Объект исследования представляет из себя внутрибаллистические газодинамические процессы, протекающие во время работы схемы метания.
Предмет исследования - принципиально новая схема метания и процессы, сопровождающие работу данной схемы.
Гипотеза: новая схема метания, приведённая в качестве математической модели, способна показать существенный прирост в скорости, сопоставимый с реальными испытаниями.
Задачи исследования:
1. Изучить используемые на данный момент схемы метания, как классические, так и нетрадиционные, экспериментальные и теоретические.
2. Выявить возможный прирост в скорости для каждой из приоритетных схем.
3. Определить наиболее перспективную схему метания для моделирования.
4. Составить математическую модель данной схемы, описывающую неотъемлемые энергетические газодинамические процессы, протекающие во время работы схемы.
5. Реализовать программный вариант построенной математической модели.
6. Провести анализ полученных результатов и сравнить их с результатами классической, оригинальной схемой метания.
Данное исследование направлено на раскрытие потенциала технической реализации математической модели схемы метания, в данном случае принципиально новой, чтобы появилась возможность проведения сравнения полученных результатов после отработки модели с существующими и используемыми сейчас реальными схемами метания, на основе которых были сконструированы образцы артиллерийских орудий.
Вопрос модернизации различных схем метания с целью увеличения начальной скорости снаряда уже затрагивался многими исследователями и авторами научных трудов. В рамках данного исследования будут собраны и проанализированы основные схемы метания и предложенные авторами из разных стран методы по возможным способам улучшения данных схем метания.
На данный момент до сих пор стоит вопрос получения схемы, способной обеспечить существенный прирост к выходной скорости снаряда, не прибегая к значительным изменениям в конструкции самого орудия, чтобы позволить уже существующим моделям артиллерийских орудий, стоящих на вооружении.
Научная новизна данного исследования заключается в получении новой схемы выстрела с выигрышем в начальной скорости снаряда относительно классической схемы метания, используя математическое моделирование газодинамических процессов, протекающих во время работы данной схемы, после программной реализации данной модели.
В рамках данного исследования были опубликованы две научные статьи, затрагивающие целесообразность использования эстафетной схемы метания для систем среднего калибра. Статьи были опубликованы в рамках III научно-практической всероссийской конференции (школы-семинара) молодых ученых «Прикладная математика и информатика: современные исследования в области естественных и технических наук», проходившей 24-25 апреля 2017 года в г. Тольятти и в рамках и IV научно-практической всероссийской конференции (школы-семинара) молодых ученых «Прикладная математика и информатика: современные исследования в области естественных и технических наук», проходившей 23-25 апреля 2018 года в г. Тольятти.
Объем и структура диссертации: диссертационное исследование состоит из введения, 5 глав, заключения, библиографии (41 наименование). Работа изложена на 91 страницах, содержит 23 рисунка.
Преимущество огневой мощи необходимо в условиях боевых действий, причём учитывается даже не столько количество выставленных артиллерийских орудий, а насколько эффективно это орудие способно поражать противника. В отношении к артиллерийскому орудию учитываются такие параметры, как скорострельность, максимальная дальность поражения, начальная скорость снаряда и т.д. Изменения, необходимые для улучшения этих параметров, часто требуют кардинальных изменений в дизайне самого орудия, что означает необходимость разработки абсолютно новых конструкций с использованием наиболее современных доступных технологий, либо модификаций на базе существующей конструкции, которые могут привести к улучшению одного из параметров за счёт других, в зависимости от необходимости.
Построение математической модели артиллерийского выстрела может позволить конструктору рассчитать модель, используя различные параметры, такие как длины областей, состав и общий объём заряда, и т.д., чтобы выяснить, какое сочетание параметров даёт наибольший прирост для необходимого параметра артиллерийского орудия. В сочетании с современными вычислительными мощностями современных рабочих станций, у конструктора или экспериментатора появляется возможность значительно ускорить получение необходимых результатов после работы модели, а также повысить точность вычислений, избегая стандартизированных допущений и сокращений при вычислениях вручную.
Для данного исследования была поставлена научная проблема, которая заключается в том, что даже современные схемы метания, нуждающиеся в модификации, слишком часто обращаются к традиционным вычислениям и дорогостоящим стендам для экспериментов. Создание математической модели новой теоретической схемы метания и использование вычислительных мощностей современных персональных компьютеров и рабочих станций для её расчёта позволит гораздо быстрее и дешевле разработать новую схему метания или усовершенствовать имеющуюся, благодаря возможности протестировать полученную систему с разными параметрами, отсеивая неэффективные.
Целью исследования была поставлена разработка математической модели принципиально новой схемы метания, учитывающей энергетические газодинамические процессы, проходящие во время выстрела, программная реализация данной математической модели и получение результатов расчёта модели для сравнения с классической схемой метания.
Объект исследования представляет из себя внутрибаллистические газодинамические процессы, протекающие во время работы схемы метания.
Предмет исследования - принципиально новая схема метания и процессы, сопровождающие работу данной схемы.
Гипотеза: новая схема метания, приведённая в качестве математической модели, способна показать существенный прирост в скорости, сопоставимый с реальными испытаниями.
Задачи исследования:
1. Изучить используемые на данный момент схемы метания, как классические, так и нетрадиционные, экспериментальные и теоретические.
2. Выявить возможный прирост в скорости для каждой из приоритетных схем.
3. Определить наиболее перспективную схему метания для моделирования.
4. Составить математическую модель данной схемы, описывающую неотъемлемые энергетические газодинамические процессы, протекающие во время работы схемы.
5. Реализовать программный вариант построенной математической модели.
6. Провести анализ полученных результатов и сравнить их с результатами классической, оригинальной схемой метания.
Данное исследование направлено на раскрытие потенциала технической реализации математической модели схемы метания, в данном случае принципиально новой, чтобы появилась возможность проведения сравнения полученных результатов после отработки модели с существующими и используемыми сейчас реальными схемами метания, на основе которых были сконструированы образцы артиллерийских орудий.
Вопрос модернизации различных схем метания с целью увеличения начальной скорости снаряда уже затрагивался многими исследователями и авторами научных трудов. В рамках данного исследования будут собраны и проанализированы основные схемы метания и предложенные авторами из разных стран методы по возможным способам улучшения данных схем метания.
На данный момент до сих пор стоит вопрос получения схемы, способной обеспечить существенный прирост к выходной скорости снаряда, не прибегая к значительным изменениям в конструкции самого орудия, чтобы позволить уже существующим моделям артиллерийских орудий, стоящих на вооружении.
Научная новизна данного исследования заключается в получении новой схемы выстрела с выигрышем в начальной скорости снаряда относительно классической схемы метания, используя математическое моделирование газодинамических процессов, протекающих во время работы данной схемы, после программной реализации данной модели.
В рамках данного исследования были опубликованы две научные статьи, затрагивающие целесообразность использования эстафетной схемы метания для систем среднего калибра. Статьи были опубликованы в рамках III научно-практической всероссийской конференции (школы-семинара) молодых ученых «Прикладная математика и информатика: современные исследования в области естественных и технических наук», проходившей 24-25 апреля 2017 года в г. Тольятти и в рамках и IV научно-практической всероссийской конференции (школы-семинара) молодых ученых «Прикладная математика и информатика: современные исследования в области естественных и технических наук», проходившей 23-25 апреля 2018 года в г. Тольятти.
Объем и структура диссертации: диссертационное исследование состоит из введения, 5 глав, заключения, библиографии (41 наименование). Работа изложена на 91 страницах, содержит 23 рисунка.
В рамках данной работы было проведено исследование энергетических газодинамических процессов внутренней баллистики и полученные знания были применены на примере принципиально новой эстафетной схемы метания. Описание газодинамических процессов во время выстрела считаются гораздо более полными и точными чем термодинамических, поэтому использование описания именно газодинамических процессов считается более рациональным для использования в математической модели.
Анализ существующих схем метания, классической и нетрадиционных, показал, что без внесения модификаций в конструкцию снаряда довольно затруднительным является получение существенного прироста в скорости. Поэтому приоритет в данном направлении отдаётся нетрадиционным схемам метания.
По эстафетной схеме метания была описана её математическая модель, отвечающая за основные газодинамические процессы, происходящие во время выстрела, начиная от зажигания первого слоя заряда, заканчивая вылетом снаряда за дульный срез, где процессы, описываемые внутренней баллистикой, уже не имеют влияния на снаряд.
Эстафетная модель была модифицирована, что повлекло за собой создание схемы с выдвигающимся зарядом, сохранившей принцип использования двух камер с двумя зарядами, с обеспеченной задержкой зажигания второго заряда.
Математическая модель эстафетной схемы была реализована в программном виде, используя разностную схему из описания математической модели, опробована версия программного решения с использованием параллельных вычислений на базе программного пакета OpenCL для обеспечения вычислений с помощью чипов различных типов, включая графический процессор, отвечающий за вычисления, производимые на графической карте.
Представлены результаты вычислений, полученных после работы данной реализации, для нескольких конфигураций систем среднего калибра: 125 мм, 100 мм, считающихся наиболее подходящими для получения существенного прироста к начальной скорости снаряда на выходе из дульного среза. Прирост скорости в данном случае составил в среднем 9%. Проведённое сравнение результатов работы схем метания, классической и эстафетной, показало прирост скорости снаряда порядка 17%.
С научной точки зрения, показано, как применение компьютерных моделей высокоэнергетических процессов (в данном контексте высокоэнергетических процессов во внутренней баллистике) помогает при параметрическом исследовании значительно улучшать энергетические характеристики баллистических систем.
Анализ существующих схем метания, классической и нетрадиционных, показал, что без внесения модификаций в конструкцию снаряда довольно затруднительным является получение существенного прироста в скорости. Поэтому приоритет в данном направлении отдаётся нетрадиционным схемам метания.
По эстафетной схеме метания была описана её математическая модель, отвечающая за основные газодинамические процессы, происходящие во время выстрела, начиная от зажигания первого слоя заряда, заканчивая вылетом снаряда за дульный срез, где процессы, описываемые внутренней баллистикой, уже не имеют влияния на снаряд.
Эстафетная модель была модифицирована, что повлекло за собой создание схемы с выдвигающимся зарядом, сохранившей принцип использования двух камер с двумя зарядами, с обеспеченной задержкой зажигания второго заряда.
Математическая модель эстафетной схемы была реализована в программном виде, используя разностную схему из описания математической модели, опробована версия программного решения с использованием параллельных вычислений на базе программного пакета OpenCL для обеспечения вычислений с помощью чипов различных типов, включая графический процессор, отвечающий за вычисления, производимые на графической карте.
Представлены результаты вычислений, полученных после работы данной реализации, для нескольких конфигураций систем среднего калибра: 125 мм, 100 мм, считающихся наиболее подходящими для получения существенного прироста к начальной скорости снаряда на выходе из дульного среза. Прирост скорости в данном случае составил в среднем 9%. Проведённое сравнение результатов работы схем метания, классической и эстафетной, показало прирост скорости снаряда порядка 17%.
С научной точки зрения, показано, как применение компьютерных моделей высокоэнергетических процессов (в данном контексте высокоэнергетических процессов во внутренней баллистике) помогает при параметрическом исследовании значительно улучшать энергетические характеристики баллистических систем.
Подобные работы
- Моделирование систем малого калибра для повышения начальных скоростей метания
Магистерская диссертация, математическое моделирование. Язык работы: Русский. Цена: 5550 р. Год сдачи: 2019 - Моделирование внутренней баллистики охотничьих систем эстафетной схемы
Магистерская диссертация, информатика. Язык работы: Русский. Цена: 4800 р. Год сдачи: 2019