基于系统模型的卡车毁伤仿真研究

基于系统模型的卡车毁伤仿真研究

经验型战时装备保障的仿真在现代战争中，双方投入大量先进的武器装备，造成了巨大的损失。准确预计装备战损情况能为我军装备保障精确化和快速抢修提供可靠的数据支持,避免经验型战时装备保障的不确定性。我国多年没有实战,缺乏大量实际战损数据,而实装试验耗费又太高。因而通过计算机模拟装备的战损并进行定量评估将是一个经济、有效途径。装备战损仿真的研究内容包括两方面:单个装备损伤仿真和装备群损伤仿真。单装战损预测是装备群战损预测的基础,因此本文探索了一种适用于“硬杀伤”的单装战损评估的技术方法并设计开发了单装战损评估仿真系统。1装备部件易损性数据系统建立装备战损评估的计算机仿真模型,一般必须具备3个条件:装备三维实体模型、装备部件易损性数据系统和弹药杀伤力数据系统。对于本仿真系统,建立了4类模型:装备和弹药的几何模型、装备防护模型、弹药威力模型、战场环境模型。1.1建模结构设计装备几何模型描述装备整体结构、姿态、位置及其部件三维空间位置和结构。弹药的几何模型描述攻击该装备的弹药战斗部形状、结构、组成等几何特性。建立模型之前,要综合考虑逼真性、建模精度、实时性要求和建模效率,对模型进行结构设计。对于某个装备来说,在建模前应根据各部件的功能划分为不同的部分分别建模,最后把各模型聚合成整个装备模型。对于弹药来说,也无需建立整个复杂的弹药模型,可以对模型进行适当的结构简化——在不影响仿真效果的前提下建立战斗部的模型即可。1.2破片防护能力装备防护模型,应包括所有部件对弹药毁伤效应(破片或射流、冲击振动、冲击波超压等)的防护能力。防护能力的表征项包括:各部件的材料、强度、密度、导热系数、等效装甲厚度、装备部件易损性阈值等。1.3弹体材料或射流材料的特征分析弹药威力模型包括弹药初速、炸药种类、密度、爆速、弹体材料的密度、强度等属性,破片(或射流等)的空间分布、速度场、能量场,弹药击中装备后装备各部位的冲击振动参数和车内空间超压参数等。1.4不同创伤条件装备战损评估本身就是一项相当复杂的系统工程。不同的打击条件(弹种、着点、着速、着角等)可导致装备不同的毁伤效果。因此,本系统建立的战场环境模型主要包括:地理环境,终点弹道描述,装备及弹药相对位置,气象描述等等。2系统功能和结构2.1装备部件损伤状态系统的基本功能是根据装备被弹的物理参数(弹种、着速、入射角等),得到装备的部件损伤状态和损伤部件分布,依据维修工时确定装备的损伤等级(轻、中、重、毁),并给出部件损伤表。2.2损伤部件仿真分析和输出子系统系统设计为5个子系统(参见图1):输入子系统、杀伤射线贯穿部件判断子系统、杀伤破片及射流的仿真分析子系统、损伤部件判断及毁伤等级分析子系统、输出子系统。1仿真结果仿真分析通过该子系统输入敌我双方的装备类型、型号、位置坐标和姿态坐标以及弹药类型、型号和命中装备的终点弹道数据,为装备部件是否被命中提供判断条件以及为破片及射流的仿真分析提供建模和分析数据。2评价部件几何成立该子系统导入被弹装备几何模型、战场环境模型,用图形处理的方法计算弹药战斗部以及产生的破片(或射流)与装备部件的几何相交情况,判断哪些部件在弹药的杀伤范围内,并得到被弹位置、弹丸入射角、着速等相关信息,为损伤部件判断及损伤等级分析提供数据支持。3装备防护有限元模型将弹药种类、装药量、落点、着速、入射角,以及被弹装备的类型等打击条件作为该子系统的输入条件,同时结合被弹装备几何及防护模型、弹药几何及威力模型,采用基于有限元算法的冲击和爆炸动力学分析程序建立有限元模型,判断装备防护外壳是否被击穿,并得到战斗部产生的杀伤破片、射流的信息,从而为相交部件的判断以及损伤部件的判断提供数据支持。4道德风险分析该子系统通过弹丸或其破片(射流)所具有的能量以及与部件的相交情况,采用解析法分析判断并确定出受到弹丸或其破片(射流)损伤后的装备外部部件和内部部件,从而确定装备的受损部件、战损等级和二次效应情况。损伤等级的划分根据受损部件的维修工时进行判断。5内部损伤部件名称及信息该子系统输出装备战损信息,包括装备外部和内部损伤部件名称及维修工时、装备损伤等级和二次效应情况,同时还可输出破片、射流的相关信息(速度、质量、体积、剩余能量等)。3破片场中的药代动力学首先分析几种典型毁伤效应对装备的作用过程。穿甲作用、聚能破甲效应、杀伤爆破作用这些典型作用的毁伤都要产生具有一定质量和较高速度的碎片,聚能破甲效应还会产生高温高压高应变率的射流。这些碎片或射流以一定的飞散角度向四周飞散,构成离散的毁伤作用场。因此,要研究装备部件损伤,必须先搞清楚这些碎片或射流形成的破片场。在破片场中,破片或射流以一定的速度飞向目标,直接与目标某个部件的某个面接触,形成了一条条毁伤射线,这样就形成了毁伤射线与目标的交汇问题。在已知线目交汇的情况下,毁伤射线对部件毁伤的计算又是一个关键问题。通过分析,解决以上几个关键问题所需要的技术和方法列举如下:3.1模型的主要特征4大模型的建立需要一定的技术和方法,包括以下几方面:模型的需求分析、系统建模的特征提取、模型的建立步骤。首先进行模型需求分析时应考虑如下主要问题:①模型能够准确描述原型的属性;②模型反映实际情况的前提下,可对模型进行适当简化;③为了达到装备损伤过程可视化,需要使模型具有可视化功能。原型的特征提取方面,主要遵循这样一个原则,即模型应能反映原型的主要特征。以装备几何模型为例,基本功能部件的划分可粗可细,既可以是总成,也可以细到很小的部件。考虑到战场抢修主要手段是换件修理,因此,基本功能部件划分的粒度应与战场上所更换部件的粒度相适应。模型建立的步骤为自底向上建模法。即选择合适的建模粒度建立各部分,最后再将单独的部件组合起来,形成一个整体模型。3.2毁伤射线模拟技术的定义通过毁伤射线来模拟破片(射流)飞行轨迹,用几何体来模拟装备部件,进而从空间几何上判断哪些部件被毁伤射线命中的技术称之为毁伤射线模拟技术。该技术的基本思想为:分布在破片场内的每一个破片(或射流)都构成一条毁伤射线。凡是被该破片场射线所包罗的部件均属有可能被毁伤的部件。为了确定毁伤射线对装备及部件的作用,将部件假定为若干规则几何体组成。这样就将空间判断破片(或射流)命中哪些部件的问题简化为直线与几何体的数学求交问题。3.3部件消耗破片比动能利用破片的比动能和部件消耗破片的比动能这两个量值的比较来判断部件是否毁伤。比动能(单位:J/cm2):弹丸单位截面上的动能大小。过去,多数资料都是以破片的动能来衡量其穿甲能力,现在大多资料认为用比动能来衡量比较适合。对于均质装甲钢,其每毫米厚度平均消耗破片的比动能为470J/cm2,已知等效厚度H的部件消耗破片的比动能为470*H,这样,即可以计算出某种质量的破片在击穿部件后的剩余能量。es=ep-eb(1)式中,es为破片剩余比动能;ep为破片比动能;eb为部件消耗破片的比动能。其中,破片比动能ep的求法为:ep=ES¯¯=m2S¯¯v2ep=ES¯=m2S¯v2(2)ep为破片比动能,m为破片质量,v为破片速度。S¯¯S¯为破片与目标遭遇时的迎风面积,它与破片质量和形状有关系,一般可表示为:S¯¯=Km2/3S¯=Κm2/3(3)为破片形状系数,参考值见表1所示。部件消耗破片的比动能eb求法如下:eb=hd/cosα×470(4)α为弹丸入射角;hd为等效装甲厚度,即,将各种不同材料、不同结构的部件依据其材料密度和部件的几何参数统一换算成相应的装甲钢的等效厚度。部件的等效装甲厚度hd计算公式:hd=r7.85×hhd=r7.85×h(5)r为原有材料密度;h为部件结构几何厚度。对损伤部件分析,需要沿着每一条破片杀伤射线方向逐一对处于该方向上的每一部件进行损伤判断。4试验过程与结果分析为了验证该系统的有效性,利用该系统进行装备战损评估仿真实验。模拟的场景为某杀爆战斗部在某型卡车车体左侧2.7m处以60.2°的落角空中爆炸。试验过程截图如第图2、图3所示。该系统运算得出,损伤的部件有:驾驶室左侧车门、发动机总成、驾驶室右侧车门、驾驶室地面、左前轮叶子板、左前轮胎、左前轮毂、传动轴总成等。人员的可能受伤部位为:驾驶员腹部、胸部、左大腿、右大腿,副驾驶员腹部。整车的毁伤等级为:毁。该系统仿真运行的结果与试验结果基本吻合,验证了该系统的可靠性和有效性。即系统可以较准确地模拟战斗部侵彻