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基于有限元目标毁伤计算方法及其仿真设计的分析

归档日期:07-05       文本归类:毁伤目标      文章编辑:爱尚语录

  基于有限元目标毁伤计算方法及仿真设计研究工程领域:电子与通信工程 研究生签字: 学校导师签字:/许哆企业导师签字: 摘要IIIIIIIIIIIIIHII IIIlUI|IIII III Y2809986 毁伤效能是武器系统作战效能评估中最重要的性能指标,由于高空炸点毁伤系统存在 目标高速性、炸点分布随机性已及碎片分布广泛性等特点,在这种环境条件下,高速动态 目标毁伤机理要比定距定爆毁伤复杂得多。因此,通过对高速目标毁伤进行研究,形成有 关高速动态目标近炸毁伤效能评估的规范化方法和辅助仿真手段。 论文根据目标毁伤机理,利用有限元分析方法建立目标毁伤易损区模型,通过Monte Carlo方法和空间切向微分方法对目标易损区面积、炸点位置坐标、弹丸碎片空间位置坐 标进行模拟计算。将计算得到的单枚碎片坐标与目标单一易损面元相结合来研究单枚碎片 对某一易损面元的毁伤概率,对所划分的所有单一面元采用全概率加和求得整个目标易损 区的毁伤概率。为了获得目标毁伤效能评估新方法,提出空间切向微分面元法来计算弹丸 多碎片对目标毁伤的分布概率。根据多碎片的动态参数,分析与建立目标毁伤的空间切向 微分面元计算模型。按照多碎片在空间飞散球面上的分布密度,研究了多碎片在三维空间 对目标作用效能计算原理和方法,推导出多碎片与目标面元的相互作用程度函数、毁伤分 布概率计算函数以及多碎片对目标毁伤概率分布变化特性。建立基于有限元分析软件 ANSYS的弹丸碎片以及目标有限元分析模型,完成了单个弹丸碎片侵彻某一目标面元仿 真。在理论计算的基础上,利用弹目交会过程中的各项有效毁伤的参数,结合目标毁伤等 级标准,给出了高速目标近炸毁伤动态仿真设计的毁伤效能评估算法。利用软件Creator 对弹丸、目标以及地形等建立三维模型,在Microsott Visual studio 2005环境下,编写相应 万方数据 的目标毁伤动态仿真处理程序,利用实时三维虚拟现实开发软件Vega Prime,实现了高速 目标近炸毁伤动态仿真设计。 通过仿真计算验证了弹丸碎片在大小尺寸合理的情况下,速度越大,且单位面积内的 有效碎片数目越多,目标受毁伤的可能性越大,目标受碎片毁伤的概率也就越大,目标被 毁伤的程度越严重。 关键字:目标毁伤计算;有限元分析方法;空间切向微分;毁伤效能评估;三维动态仿 真设计 万方数据 Research TargetDamage Calculation Method SimulationDesign Based FiniteElement Analysis Discipline:Electronic CommunicationEngineering Student Signature: SupervisorISignature: Supervisor II Signature: AbstractThe target damage efficiency akeycontent weapontesting field assessnew weapon damage performance.The high altitude burst point damage system exist high speed target,random burst point distribution extensivefragment distribution,under damagemechanism highspeed dynamic target muchmore complex than distancedetermined burst damage.Therefore,the standard methods auxiliarysimulation means highaltitude highspeed dynamic proximity target damage efficiency assessment formedthrough highaltitude highspeed target damage. According targetdamage mechanism,the target vulnerability model finiteelement analysis method.The target vulnerability area,the burst point coordinates fragmentsspace coordinates calculatedthrough MonteCarlo method spacetangential differential method.The calculated single fragment coordinates targetsingle vulnerable surface area can damageprobability asinglevulnerable surface area which caused asinglefragment,then,the whole target damage probability Can damageprobability eachsingle vulnerable surface area.The space tangential differential surface area targetdamage probability distribution multipleprojectile fragments,for obtaining anew method targetdamage efficiency.The space tangential differential surface area 万方数据 calculation model targetdamage establishedaccording dynamicparameters spatialdistribution density projectilemulti-fragments,the target damage efficiency calculation principle analyzed,theinteraction extent function about multi.fragments targetunit area calculationfunction targetdamage distribution probability spatialdistribution range parameters multi.fragments.Thefinite element analysis model projectilefragment ANSYSsoftware,and asinglefragment penetrated targetsurface finished.Thedamage assessment algorithm missiletarget encounter targetdamage grade standards. The 3D model Creatorsoftware,and correspondingprocessing program MicrosoftVisual Studio 2005.Then,the high.speed highaltitude proximity target damage dynamic simulation design VegaPrime,which areal—time3D virtual reality development software. The simulation results verified some conclusion,when fixed,thetarget damage distribution probability fragmentsspatial distribution density.When targetdamage probability damagedmore seriously. Key Words:target damage calculation;the finite element analysis method;the space tangential differential unit area;damage effectiveness evaluation;3D dynamic simulation design 万方数据 目录1绪论………………………………………………………………………………………………………………………….1 1.1课题的研究背景与意义……………………………………………………………….1 1.2研究现状……………………………………………………………………………….1 1.2.1近炸目标毁伤国内外研究现状…………………………………………………1 1.2.2目标毁伤效能评估方法研究现状………………………………………………3 1.2.3目标毁伤数值模拟及动态仿真研究现状………………………………………4 1.3论文研究的目的及主要内容………………………………………………………….5 1.3.1课题的主要目的…………………………………………………………………5 1.3.2课题的主要内容…………………………………………………………………5 1.4论文创新点…………………………………………………………………………….6 2目标毁伤理论计算及毁伤评估算法研究……………………………………………………7 2.1引言…………………………………………………………………………………………………………………7 2.2基于Monte Carlo方法的弹丸炸点及弹丸碎片参数模拟计算………………………7 2.2.1基于Monte Carlo方法的炸点坐标模拟计算………………………………….7 2.2.2弹丸碎片散布点坐标模拟计算…………………………………………………8 2.3目标毁伤建模及毁伤动能计算……………………………………………………….8 2.3.1基于有限元分析的目标毁伤建模………………………………………………8 2.3.2单一目标易损区面元面积计算…………………………………………………9 2.3.3目标侵彻毁伤动能计算……………………………………………………….1 02.4目标毁伤效能评估及毁伤概率计算…………………………………………………13 2.4.1目标毁伤效能评估…………………………………………………………….1 32.4.2目标易损区面积大小影响因素仿真分析…………………………………….14 2.4.3目标毁伤概率计算…………………………………………………………….1 52.5本章小结………………………………………………………………………………1 83基于空间切向微分面元的目标毁伤分布概率计算方法研究…………………………….20 3.1引言……………………………………………………………………………………………………………….20 3.2弹丸碎片的空间分布研究……………………………………………………………20 3.2.1弹丸与目标的运动特性研究………………………………………………….20 3.2.2弹丸碎片在飞散球面上的分布密度计算…………………………………….22 3.3基于空间切向微分面元的多碎片目标毁伤计算方法………………………………23 3.3.1多碎片在空间切向微分区域的位置确定…………………………………….23 3.3.2目标毁伤判别………………………………………………………………….24 万方数据 3.4多碎片目标毁伤分布概率计算方法研究及仿真实验分析…………………………26 3.4.1多碎片目标毁伤分布概率计算方法研究…………………………………….26 3.4.2基于空间切向微分的碎片毁伤概率分布仿真及实验分析………………….27 3.5本章小结……..j………………………………………………………………………29 4三维动态目标毁伤仿真设计与研究……………………………………………………….30 4.1引言……………………………………………………………………………………30 4.2基于有限元分析软件ANSYS的目标面元侵彻仿真………………………………30 4.3基于Vega Prime的目标动态毁伤仿真设计…………………………………………3 14.3.1动态仿真系统总体设计框架………………………………………………….32 4.3.2目标毁伤动态仿真技术路线………………………………………………….34 4.3.3目标毁伤动态仿真效果具体实现…………………………………………….35 4.4本章小结………………………………………………………………………………38 5目标毁伤动态仿真结果及分析……………………………………………………………..39 5.1侵彻动态仿真及结果分析……………………………………………………………39 5.1.1侵彻动态仿真………………………………………………………………….39 5.1.2结果分析……………………………………………………………………….40 5.2基于Vega Prime目标毁伤动态仿真…………………………………………………41 5.2.1三维地形建立及弹丸飞行复现……………………………………………….41 5.2.2目标毁伤动态仿真…………………………………………………………….43 5.3本章小结………………………………………………………………………………46 6总结与展望………………………………………………………………………………….47 6.1总结……………………………………………………………………………………………………………….47 6.2展望……………………………………………………………………………………48 参考文献……………………………………………………………………………………….49 攻读硕士学位期间发表的论文……………………………………………………………….52 致谢…………………………………………………………………………………………….53 学位论文知识产权声明……………………………………………………………………….54 学位论文独创性声明………………………………………………………………………….55 万方数据 1绪论 1绪论 1.1课题的研究背景与意义 毁伤效能是武器系统作战效能评估中最重要的性能指标,目标毁伤效能评估方法的优 劣决定着弹药武器毁伤目标的可行性和有效性,不断改进现有的毁伤效能评估方法和探索 发展新方法始终是提高弹药武器对目标毁伤能力的关键。当前,国内许多研究单位不断在 探索和发展关于目标毁伤的评估方法,也提出了如采用Bayesian network的评估方法。总 体而言,国内关于目标毁伤方面的研究主要集中在一定区域范围内或者特定环境下定距、 定爆中的毁伤效能评估研究,对于动态高速弹丸毁伤目标的效能评估方法缺乏广泛、深入、 系统的研究,尚未建立规范统一的高速目标近炸毁伤效能评估方法和数据库,大大制约了 基于高空高速近炸目标多碎片毁伤机制的形成【 】。并且大多数动态仿真只是基于有限元分 析方法下的定爆模拟分析。国外一些军事强国虽然在动态毁伤方面的研究发展成熟,但是 国外的技术封锁致使我们能借鉴的文献资料少之又少。因此,有必要开展基于高空高速动 态炸点对目标毁伤效能评估方法的研究,给出一种合适、通用的评估方法,为高空高速动 态炸点对目标毁伤提供一种评估方法的依据,为开展各类弹药武器研发提供有效可行的效 能评估分析方法。 当前,高空炸点分布规律研究主要是在拦截敌方目标时定炸点的分布规律研究,而如 何利用炸点空间位置分布规律毁伤敌方目标是毁伤效能评估方法体系形成的基础。由于高 空炸点毁伤系统存在目标高速性、炸点分布随机性已及碎片分布广泛性等特点,在这种环 境条件下,高速动态目标毁伤机理要比定距定爆毁伤复杂得多,因此,开展高空动态近炸 毁伤效能评估方法的研究,可以为近炸引信研制、效能评估等提供科学可靠的分析依据; 可以提高武器弹药毁伤能力和作战能力,具有十分重要的科学应用价值。 1.2研究现状 1.2.1近炸目标毁伤国内外研究现状 目标毁伤评估不仅是弹药技术和目标防护技术的基础,其对武器系统、战役战术、装 备的发展和使用也具有重要的指导意义,因此,世界很多国家都相当重视毁伤理论的研究 与发展。像USA、Russia、France等国家都有专门进行目标毁伤研究的机构和人才队伍, 这些机构包括大学、研究所、武器承包商等。近些年来,各个军事强国对目标毁伤理论的 研究很深入,已经形成了比较规范和完整的武器毁伤机制【2】。 近炸目标毁伤理论的发展起源于19世纪法国工程师J.V.Poncelet用弹丸穿透土地和岩 石的实验,自此人们开始广泛地对地面工事、装甲等静止目标进行毁伤研究。飞机的出现 万方数据 西安工业大学工程硕士学位论文 进一步发展了毁伤学,20世纪初期,飞机的毁伤以及易损性研究进一步充实了目标毁伤 理论。武器弹药的发展不断启发人们对新的毁伤手段和毁伤机制的探索与研究,大量理论 计算结果与实验数据的结合在很大程度上扩展了近炸毁伤学的内涵。到目前为止,已有国 家发展了许多大型的毁伤对抗仿真软件和数值分析软件,如ANASYS、AOTODYNA、 LS.DNYA,并广泛应用于侵彻、贯穿、爆炸、冲击波的毁伤研究中,建立了高效可行的 典型军事目标毁伤准则。美国对武器毁伤的研究水平位列世界前茅,其理论建模、数值模 拟与实验相结合的方法解决了如预制碎片式战斗部的爆炸机理、碎片在所需打击目标的方 向上的碎片飞散特性以及碎片对不同的目标毁伤效果等数值模拟仿真问题,美国的Salldia 实验室、LosAlamos实验室以及Raytheon公司等都为此做出了一定的贡献【3】o除了深入研 究传统的目标毁伤,目前,激光以及高功率微波对目标的毁伤也被纳入研究重点。法国的 马赫研究所、俄罗斯学院西伯西利分院等机构在目标毁伤理论与技术方面的研究也处在世 界领先地位。 我国对于动态高速弹丸毁伤目标的效能评估方法缺乏广泛、深入、系统的研究,尚未 建立规范统一的高速目标近炸毁伤效能评估方法和数据库,这大大制约了基于高空高速近 炸对碎片目标毁伤机制的形成。由于国外技术封锁和保密等原因,我们能向欧美等军事强 国借鉴的有关近炸目标毁伤的文献资料少之又少。尽管如此,国内许多高校例如北京理工 大学、南京理工大学等以及诸多研究所例如中国空空导弹研究院、中国工程物理研究院总 体工程研究所等单位的优秀科研工作者和团队开展了有关方面的工作,为我国武器毁伤机 制的建立做出了贡献。其中,王鹏在文献【4】中通过选用三种不同尺寸不同材质的圆柱形碎 片进行发射试验,并用高速摄影来研究圆柱形碎片的飞行姿态,利用研究试验测得的衰减 系数与碎片飞行姿态对圆柱形碎片的形状系数进行了修正,然而并未对近炸目标毁伤进行 研究分析;何勇、邓吉平等分别采用ANSYS/LS.DYNA软件模拟并分析了战斗部预制碎 片的动态参数,为预制碎片式战斗部的优化及工程设计提供了有价值的参考数据【5,6】,然 而不足之处在于文献均未展开近炸目标毁伤效能评估方面的研究;文献【7】中张新伟就空空 导弹战斗部的应用现状和战斗部技术的发展方向进行了重点分析,同时探讨了定向战斗部 在空空导弹中的目标易损特性以及制导、引信与战斗部一体化设计等问题;文献【8】中杨云 斌等人建立碎片飞散、碎片作用目标分析模型,分析模型中空气阻力等因素的影响,以获 得碎片弹道、碎片威力参数和碎片对靶板的毁伤效果,然而此文献并未提出效能评估算法, 仅仅只得到毁伤效果。这些高校和单位均为我国的目标毁伤效能评估分析研究提供了大量 宝贵的数据,为近炸目标毁伤机制的建立做出了巨大贡献。 然而,就国外和国内已经公开的目标毁伤效能评估研究成果而言,大多数都是基于目 标定距定爆的毁伤模拟分析。因此,开展高空动态近炸毁伤效能评估方法的研究,可以为 我国武器系统、防护系统的优化与设计提供理论依据和数据支持,具有十分重要的科学应 用价值。 万方数据 1绪论 1.2.2目标毁伤效能评估方法研究现状 目前国内外主流的目标毁伤评估方法包括基于Bayesian网络的目标毁伤评估方法、 基于Monte Carlo方法的目标毁伤效能评估等。 基于BayesianN络的方法采用有机的先验信息与概率推理相结合,可以获得目标毁伤 中的大量有效的样本数据,通过建立基于Bayesian网络的目标毁伤模型来解决目标毁伤过 程中的不确定性和非线性等问题。目前,由于Bayesian网络在处理不确定性或不完整信 息方面的优势,国内外许多学者已经开始通过建立BayesianN络模型来进行目标毁伤效能 评估研究,美国率先将Bayesian网络应用于目标毁伤效能评估领域,提出了目标毁伤效 能评估Bayesian网络决策模型[9-111。文献【12】建立Bayesian网络目标毁伤效能评估模型, 对机场跑道进行目标毁伤评估,主要对Bayesian网络在目标毁伤评估中应用的可行性进 行了验证。文献【13】建立-TBayesian舰船战场毁伤评估模型,主要对目标毁伤的网络算法进 行了研究。文献【14】通过设计仿真来获取大量武器装备的毁伤数据,通过Bayesian网络模 型定量表达各零部件损伤之间的关系,建立了用于评估武器装备战损评的Bayesian网 络。以上这些学者的研究理论性很强且都局限于特定目标或装备的毁伤评估,通用性不强。 国内具有代表性的研究成果是李望西,黄长强等通过模糊逻辑将Bayesian网络中的连续 节点离散化,建立模糊Bayesian网络模型进行概率推理,并用动态更新模型对目标毁伤 的评估准确性进行估计【1 51,该文献提供了很好的目标毁伤评估系统并且采用加拿大Norsys 软件公司Netica软件在不同条件下对目标毁伤效果进行仿真,得到了较好的仿真结果,但 是不足之处在于并没有对目标毁伤进行动态可视化仿真。于国外各界而言,Bayesian网 络在众多领域的广泛应用,引起了广大学者们的关注:文献【16】中Kevin.P.M提出]'Bayesian 网络推理边界算法和接口推理算法;文献【17】中Henr.B对静态Bayesian网络进行了研究, 提出了Bayesian网络推理的连接树算法。然而,两位学者提出的有关Bayesian网络的算 法均未考虑时间对变量的影响因素。因此,近几年该领域的应用出现了一个新趋势一动 态Bayesian网络,其优势在于它能对时变不确定信息进行推理,而动态Bayesian网络 模型能够预测连续不确定信息对系统的影响,并对大量不同时间观测信息进行推理【 8,19】。 目前,世界上对动态Bayesian网络的研究相当活跃,在相关领域的应用也很多[20-221。然 而,动态Bayesian网络也只能给出二维仿真结果,并不能提供目标毁伤三维动态视景仿 真。虽然基于Bayesian网络的目标毁伤评估的发展已经很成熟,但是,其对于高速目标 近炸毁伤评估还没有建立系统的方法理论,因此,开展高速弹丸近炸炸点空间分布规律研 究,为毁伤评估提供科学合理的理论分析依据,推动了武器毁伤威力系统评估的发展,具 有现实的科学依据。 Monte Carlo方法是一种以概率统计理论为基础的数值计算方法,可以通过随机数或 伪随机数来近似求解数学、计算物理学、宏观经济学等领域的问题,亦称为概率模拟法或 者统计试验法。此方法在目标毁伤效能评估中的应用,往往是用来进行抽样,从而产生服 从弹着点散布规律的随机数,模拟弹着散布。当产生的随机数达到一定数量后,就可以统计 万方数据 西安工业大学工程硕士学位论文 出弹着点命中目标数目,从而计算得到命中概率。当同时考虑弹丸对目标的毁伤规律和命 中概率时,就可以统计出弹丸对目标的毁伤效果,从而实现对目标毁伤概率的评估【24】。国内 外许多学者利用Monte Carlo方法进行目标毁伤试验模拟打击效果以及模拟特定射击方式 下的弹着点散布【z51,是现在用得比较多的对目标毁伤进行评估的手段之一。之所以越来 越多的研究中都在采用Monte Carlo法而不采用解析法来模拟计算与仿真目标系统的弹着 点散布,其优势在于Monte Carlo法可以省略解析法中采用的简化过程【26】,例如把群、营、 连射击简化为“单炮”射击,这种将多种误差型简化为两组误差型的评估方法可以避免由于 简化而引起的误差【27】。基于Monte Carlo方法的目标毁伤评估可以得到精确的毁伤概率值, 但是,目前关于这方面的研究主要集中在末敏弹、机场跑道等具体目标上,缺乏系统理论 分析。 1.2.3目标毁伤数值模拟及动态仿真研究现状 国内外已广泛开展常规武器方面对于目标毁伤数值模拟仿真以及动态仿真的研究工 作。在国外学者中,V.m.gold提出了在弹丸碎片飞散数值模拟中应用Mott算法来获取碎 片动态飞散的各项参数【28】;Dr.Eliahu Racah等对弹丸碎片定向飞散进行了三维数值模拟得 到了碎片飞散的动态参数以及模拟的碎片飞散图像[29】;C OMarriott等人对小碎片目标的 碎片速度和飞散动态进行了三维数值模拟[30】;Geille与Mahfuz等人利用有限元分析方法 对高速冲击实验中的崩落层裂、破碎穿甲与综合装甲响应进行了模拟分析[31321。在国内学 者中,孟会林与何勇等人一方面介绍了LS.DYNA程序在目标毁伤仿真计算中的应用,另 一方面运用该程序模拟了碎片对目标的毁伤效果133];魏继锋等人采用有限元分析软件对 预制碎片的初速、飞散角等参数进行了数值模拟,同时也进行了静爆实验,通过对比发现 模拟结果与实验结果符合较好【34】。总的来说,国内利用有限元分析法进行目标毁伤评估 分析的研究不够系统化。 当前利用有限元方法进行目标毁伤效能评估,主要是针对弹丸定距定爆作用下的毁伤 评估,缺乏对弹丸、空中目标的高速性和多样性以及炸点分布的随机性的分析研究,因此, 本课题在基于有限元分析方法的理论基础上,对空中目标进行有限元目标毁伤建模,重点 分析高空炸点对目标易损区的毁伤作用,为毁伤效能评估算法的形成提供理论分析基础, 对目标毁伤评估方法体系的形成具有重大意义。在当前计算机仿真应用的全民广泛性使用 的趋势下,各个国家针对目标毁伤纷纷加大了在计算机模拟数值仿真方面的分析与研究, 提出了大量优秀高效的算法。我国在军事方面也开始逐步进行计算机模拟实战演练,然而 目标初始数据不足、建立的仿真模型过于简单、算法效率低、实验结果可靠性不高且经不 住推敲检验等是我国在计算机模拟仿真研究处于初级阶段的时期所面临的一系列问题和 不足,亟需科研人员在工作和实践中努力攻关,不断接受挑战,发现问题解决问题[35361。 由于毁伤试验开展的难度大、费用高等特点,在目标毁伤仿真过程中加入视景可视化 技术,是当前主流军事强国用仿真代替试验的主要研究手段。国内外大量机构和学者在此 方面已经展开大量研究工作。文献【3,】采用威力仿真方法实现了对碎片形成、飞散、对目 万方数据1绪论 标作用过程的描述,但是该文献并未对冲击波的毁伤场进行仿线】使用可视化仿 真的方法结合OpenGL研究实现了目标毁伤场中碎片和冲击波的仿真,然而该文献只是 对定向碎片进行了可视化仿真,无法满足高速弹丸碎片对目标毁伤的研究需求。 就美国而言,已经开发出了如Vega Prime等非常优秀的三维虚拟现实开发软件,该 软件封装了丰富的模块,例如,特殊效果(燃烧、爆炸等)、音响环境生成、分布交互仿真、 大地景物数据库管理、海浪模拟、面板仪表座舱模拟等,被广泛应用于实时视景仿真、声 音仿真、虚拟现实及其他可视化领域【39】。因此,国内外越来越多的学者开始利用VegaPrime 结合第三方支持来进行目标毁伤动态仿真的研究。本课题将运用Vega Prime软件,在 Microsoft Visual studio 2005环境下,编写相应的目标毁伤动态仿真处理程序,进行高空高 速弹丸碎片对目标毁伤的动态仿真设计研究。 综上所述,已有的目标毁伤动态仿真研究存在的主要问题有: (1)进行目标毁伤评 估前的初始数据不够精确和完整; (2)目标毁伤评估的方法大都是建立在概率统计建模 的基础上,确切性不强; (3)国内毁伤动态仿真的方法不够先进且单一。 因此,本课题根据国内对高空高速弹丸对目定标毁伤效能评估技术发展的需要,建立 基于有限元目标毁伤模型,分析研究基于数理统计的空间炸点位置分布规律、定目标易损 特性及易损区计算、基于空间切向微分法的毁伤分布概率计算和毁伤效能评估等关键技 术,由高空炸点对目标易损区的毁伤效能评估来进行目标毁伤动态仿真设计,掌握弹丸碎 片毁伤目标的影响规律,为基于高空高速弹丸近炸毁伤效能评估提供科学合理的理论分析 依据,从而完善目标毁伤效能评估方法分析理论。 1.3论文研究的目的及主要内容 1.3.1课题的主要目的 提出一种基于有限元分析及空间切向微分的多碎片目标毁伤效能评估计算方法;给出 高速目标近炸毁伤动态仿线课题的主要内容 为了对高空高速弹丸近炸毁伤目标的效能进行评估分析,开展基于有限元目标毁伤建 模、目标易损区毁伤概率计算、基于空间切向微分目标毁伤分布概率计算、弹丸碎片对目 标易损区的毁伤效能评估这四个关键技术研究,并进行高空高速目标动态毁伤仿真设计, 具体研究内容如下: 1)有限元目标毁伤建模 基于有限元分析方法原理,对目标易损区进行二维有限元单元划分,建立二维目标毁 伤数学模型。首先将目标进行简化和等效处理,将目标的易损舱段等效为圆柱体形,则在 分析计算过程中,目标的截面面元可视为矩形;然后对目标截面面元进行有限元划分,分 成个面积相等的矩形舱段。对目标进行有限元划分后,建立目标毁伤等级标准。对目标分 万方数据 西安工业大学工程硕士学位论文 区后,对各个分区做出易损性评估,统计E1标易损区,并给出毁伤等级标准。 2)目标易损区概率计算 对目标进行有限元划分,建立目标毁伤模型后,通过Monte Carlo方法和空间切向微 分方法对弹丸空间炸点位置坐标、碎片散布点坐标进行模拟计算。得到的单个碎片坐标与 目标有限元划分的单一面元相结合可以得到单个碎片对某一易损面元的毁伤概率分布,采 用全概率加和可以得到整个目标易损区的毁伤概率。 3)空间切向微分多碎片目标毁伤概率分布计算 为了获得空间目标毁伤分布概率,提出了采用空间切向微分面元法计算多碎片对目标 毁伤的分布概率;根据多碎片的动态参数,分析与建立目标毁伤的空间切向微分面元计算 模型:按照多碎片在空间飞散球面上的分布密度,研究多碎片在三维空间对目标作用效能 计算原理和方法,推导出多碎片与目标面元的相互作用程度函数,并基于多碎片对目标空 间散布区域范围参数,给出了多碎片对目标的毁伤分布概率计算函数。以及多碎片对目标 毁伤概率分布变化特性。 4)弹丸碎片对目标的毁伤效能评估 弹丸爆炸后产生的碎片及碎片场是毁伤效能评估研究中重要因素,根据弹丸碎片飞散 特性对碎片是否命中目标面元进行判定;再利用弹目交会过程中的各项参数建立基于有限 元分析软件ANSYS的弹丸碎片以及目的标有限元分析模型,在边界条件约束下,运用此 软件对单个弹丸碎片侵彻某一目标面元进行仿真得到侵彻深度,判断此深度是否对此面元 造成毁伤。利用各项所得参数,结合目标毁伤等级标准,研究目标毁伤效能评估算法。 5)近炸目标毁伤动态仿真设计 通过理论分析和数值仿真对弹丸碎片的毁伤效能加以量化,得到有效毁伤碎片数量。 在基于有限元分析方法、Monte Carlo方法以及空间切向微分的前提下,借助目标毁伤模 型、炸点坐标、碎片散布点坐标,给出一套满足要求且可行的目标毁伤效能评估分析理论 计算方法及处理算法;利用三维建模软件Creator对弹丸、目标以及地形等建立三维模型, 结合实时三维虚拟现实开发软件Vega Prime,在Microsoft Visual studio 2005环境下,编 写相应的仿真处理程序,对高速目标近炸毁伤进行三维动态视景仿线)采用目标易损区的有限元划分以及目标所处空间的切向微分,根据此划分建立 毁伤等级标准,构建目标毁伤评估方法; (2)提出空间切向微分分析方法,建立空间切向微分目标毁伤模型,为高空目标多 碎片毁伤目标的毁伤分布概率计算提供新方法。 (3)结合有限元分析方法原理,利用实时三维虚拟现实开发软件Vega Prime设计高 速目标近炸毁伤动态仿真,复现近炸弹丸碎片毁伤目标的过程。 万方数据 2目标毁伤理论计算及毁伤评估算法研究 2.1引言 2目标毁伤理论计算及毁伤评估算法研究 毁伤效能是武器系统作战效能评估中最重要的性能指标,目标毁伤效能评估方法的优 劣决定着弹药武器毁伤目标的可行性和有效性,不断改进现有的毁伤效能评估方法和探索 发展新方法始终是提高弹药武器对目标毁伤能力的关键。目前在主流的目标毁伤效能评估 方法中对高空炸点分布规律的研究主要集中在拦截敌方目标时定炸点的分布规律研究,而 如何利用炸点空间位置分布规律毁伤敌方目标是毁伤效能评估方法体系形成的基础。由于 高空炸点毁伤系统存在目标高速性、炸点分布随机性以及碎片分布广泛性等特点,在这种 环境条件下,高速动态目标毁伤机理要比定距定爆毁伤复杂得多,因此,开展高空动态近 炸毁伤效能评估方法的研究,可以为近炸引信研制、效能评估等提供科学可靠的分析依据; 可以提高武器弹药毁伤能力和作战能力,具有十分重要的科学应用价值。本章基于Monte Carlo方法对弹丸炸点及弹丸碎片参数进行模拟计算,并建立基于有限元分析的目标毁伤 模型对高速目标近炸毁伤进行理论计算与仿线基于Monte Carlo方法的弹丸炸点及弹丸碎片参数模拟计算 2.2.1基于Monte Carlo方法的炸点坐标模拟计算 利用Monte Carlo法模拟计算炸点的坐标,可以使求解高效可行。在弹道终点,弹丸 的炸点在弹丸飞行方向上是随机分布的,其分布规律称为炸点分布律。以大地坐标为观察 点,此时目标可以看成是一个点。在靶平面建立x~Y平面坐标系,并以目标为原点,假 设弹丸炸点分布律符合二维高斯正态分布规律。一般而言炸点的X、Y坐标为相互独立的 随机变量,且都关于炸点散布中心服从高斯正态分布。每个炸点坐标为(‘,只),炸点散布 中心为伍力,假设炸点分布在x、Y方向存在的差异可以忽略,则q=q=仃。定义圆概 率误差(circular error probability,CEP)来表示弹丸炸点精度,可以算得CEP半径为: 31.1774a。在不考虑系统误差的情况下,弹丸炸点在目标靶面上的投影(x’,Y’)服从参数为 (_,-,6,,仃y,p)的二维正态分布,。。=6,=Ro.5/1.1774,则由随机抽样公式可得: 卜x,%1774 1y’训卢’%m4 QJ’ 式中,a、p为正态分布的随机数: 万方数据 西安工业大学工程硕士学位论文 Ia=x/-21nul cos2zru2 【卢=~/-21nul sin2zru2 其中,卟吻相互独立的随机数,服从【o,1】上的均匀分布。 (2.2) 2.2.2弹丸碎片散布点坐标模拟计算 假设弹丸爆炸产生的碎片分布均匀,其数目为F/。爆炸瞬间,假设碎片云呈现球形, 有效毁伤半径为R根据Monte Carlo法,第iS碎片着点的坐标(誓,只)可由下式确定: I誓=x+R考lcos(2rr髻2) 、lf,l .1咒:’+尺鲁in(2zr毒Ysin(2zr毒2) (23’ 其中,(鲁,岛)为一组离散随机数,服从均匀分布。2.3目标毁伤建模及毁伤动能计算 2.3.1基于有限元分析的目标毁伤建模 由于高速弹丸的炸点位置不是唯一确定的,它服从一定的分布,不同位置的炸点对目 标造成的毁伤程度也有所不同。在获得弹丸炸点坐标信息后,假设弹丸炸点位置在有效毁 伤范围内,并且假设弹丸碎片的飞散张角09是一定的,在此条件下对弹丸碎片毁伤目标 进行分析研究。如图2.1,能对目标造成毁伤的有效弹丸碎片分布如圆锥形区域所示,在 该圆锥形区域内的碎片我们称为有效碎片;碎片炸点与目标的距离为d,根据炸点的三 维坐标信息,可以算得d:.、b2+Y2+z2;通过对碎片飞散角以及炸点.目标距离的分析, 该炸点处弹丸爆炸产生的碎片对目标造成的主要毁伤面如图2.1中弹丸碎片分布区域所 示,该区域称为毁伤易损区,图中黑点即为弹丸碎片的示意。在整个毁伤过程中,假设弹 丸在爆炸后产生的碎片在撞击目标前以速度v做匀速直线运动,该速度与水平方向的夹角 为够。弹丸爆炸产生的碎片均为圆柱体形状,长为,,半径为,.,在毁伤易损区域内的碎 片数量为,每个碎片的质量均为%。因此,可以计算得到有效碎片撞击目标面元的速 度为V0=vCOSCpCOSa)。

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