李 臻,余文力,王金濤,王 濤

(第二炮兵工程大學(xué),西安 710025)

一種基于VRML和面元檢測的破片式戰(zhàn)斗部對集群目標(biāo)的毀傷效能評估方法*

李 臻,余文力,王金濤,王 濤

(第二炮兵工程大學(xué),西安 710025)

為提升破片式戰(zhàn)斗部對集群目標(biāo)的毀傷效能評估精度,針對傳統(tǒng)方法的局限,結(jié)合射擊跡線技術(shù),提出一種基于VRML和面元檢測的破片式戰(zhàn)斗部對集群目標(biāo)的毀傷效能評估方法。文中詳細(xì)闡述了該方法的總體思路和關(guān)鍵技術(shù)。將該毀傷效能評估方法應(yīng)用到某破片式戰(zhàn)斗部對機(jī)庫內(nèi)戰(zhàn)斗機(jī)群的毀傷效能評估實(shí)例中,得到了精確的毀傷數(shù)據(jù)。結(jié)果表明該方法簡單有效,易于編程實(shí)現(xiàn)。

毀傷效能評估;射擊跡線;VRML;集群目標(biāo)

0 引言

戰(zhàn)場上的目標(biāo)多為集群目標(biāo),例如埋伏中的人員、行進(jìn)中的裝甲集群、飛行中的戰(zhàn)機(jī)編隊(duì)、海面上的艦艇等。傳統(tǒng)基于概率的毀傷效能評估方法對集群目標(biāo)進(jìn)行毀傷效能評估存在以下不足:一是新型的聚焦、雙聚焦戰(zhàn)斗部爆炸后形成的破片群與球面相差較大,其分布密度不均勻;二是戰(zhàn)斗部爆炸形成的破片數(shù)量是一定的,有效破片數(shù)量更少,當(dāng)戰(zhàn)斗部距離目標(biāo)較遠(yuǎn)時(shí)傳統(tǒng)方法精度不足;三是不能對戰(zhàn)斗部與目標(biāo)相對運(yùn)動(dòng)的加速度較大的情況進(jìn)行有效評估。

國外著名的毀傷效能評估程序,如美國的BRL-CAD程序[1]、瑞典的AVAL軟件[2]、荷蘭的TARVAC軟件[3],均采用了射線跟蹤的方法描述戰(zhàn)斗部破片場,擁有戰(zhàn)斗部及目標(biāo)數(shù)據(jù)接口,可以對不同類型的戰(zhàn)斗部對不同目標(biāo)的毀傷效果進(jìn)行分析,其思路值得借鑒。國內(nèi)采用類似方法的主要有工程物理研究院的錢立新、楊云斌[4]、盧永剛[5]等提出了基于虛擬目標(biāo)的破片射線-目標(biāo)面元交會(huì)模型,采用射線跟蹤技術(shù),實(shí)現(xiàn)了破片式戰(zhàn)斗部攔截TBM目標(biāo)的高精度評估,相同的方法擴(kuò)展后可以應(yīng)用到對集群目標(biāo)的毀傷效能評估中去。

文中提出一種基于VRML和面元檢測的毀傷效能評估方法,這種方法使用VRML語言來對目標(biāo)進(jìn)行描述,利用有限元得到的破片數(shù)據(jù)來計(jì)算破片彈道,通過面元檢測技術(shù)來判定破片同目標(biāo)的相交關(guān)系,進(jìn)而求得目標(biāo)的毀傷程度。此種方法簡單有效,可用于多戰(zhàn)斗部、多目標(biāo)的毀傷效能評估。

1 關(guān)鍵技術(shù)

1.1 三維實(shí)體的VRML生成技術(shù)

1994年第一屆互聯(lián)網(wǎng)國際會(huì)議上制定了一個(gè)可以在互聯(lián)網(wǎng)上描述三維場景的語言——VRML[6](virtual reality modeling language)。由CAD軟件如SolidWorks、Pro/E或三維圖形軟件如3DMAX、Maya等均可以導(dǎo)出為VRML格式的文件,且導(dǎo)出的文件均為IndexedFaceSet節(jié)點(diǎn),IndexedFaceSet節(jié)點(diǎn)的功能是面的集合,并且給定面上每個(gè)點(diǎn)一個(gè)指針(Index),每一個(gè)面為由3個(gè)點(diǎn)組成的三角形。IndexedFaceSet節(jié)點(diǎn)包括點(diǎn)的集合point和點(diǎn)的順序集合coordIndex,一個(gè)四棱錐的IndexedFaceSet節(jié)點(diǎn)如下:

geometry IndexedFaceSet {

coord Coordinate {

point [

0.0 0.0 0.0, #Index 0

1.0 0.0 0.0, #Index 1

0.0 1.0 0.0, #Index 2

0.0 0.0 1.0, #Index 3

]

}

coordIndex [

0,1,2,-1,

0,2,3,-1,

0,3,1,-1,

1,2,3,-1,

]

}

在point集合中,每一個(gè)點(diǎn)由x坐標(biāo)、y坐標(biāo)和z坐標(biāo)組成,并按照由上至下的順序依次為Index 0-3,代表第一個(gè)至第四個(gè)點(diǎn);在點(diǎn)的順序集合coordIndex中,每一行代表每一個(gè)面(三角形),包含3個(gè)點(diǎn)的索引(Index),并以-1作為結(jié)束。在編程語言中依次讀取各點(diǎn)坐標(biāo)和點(diǎn)順序,即得到目標(biāo)實(shí)體的外形數(shù)據(jù)。

1.2 破片的形成與飛散仿真技術(shù)

破片獲得初始速度后開始在空中飛散,飛行中受到與速度方向相反的空氣阻力和豎直向下的重力的作用。短距離內(nèi)重力的影響可忽略,破片的運(yùn)動(dòng)軌跡為直線,在較長距離或不能忽略重力影響的情況下破片的運(yùn)動(dòng)軌跡可以用四階龍格-庫塔法解微分方程得到,軌跡由成段的小線段組成,每個(gè)線段代表微小時(shí)間內(nèi)的破片運(yùn)動(dòng)軌跡。

1.3 面元檢測技術(shù)

面元檢測實(shí)質(zhì)上是判定空間中的一個(gè)線段(破片軌跡的)與三角形的位置關(guān)系,共有3種情況,如圖1所示。

圖1 空間中破片與三角形的關(guān)系

線段AB1代表線段與三角形CDE平行;線段AB2代表線段與三角形CDE所在平面相交但交點(diǎn)在三角形外;線段AB3代表線段與三角形CDE所在平面相交且交點(diǎn)在三角形內(nèi)部。進(jìn)行面元檢測的目的是計(jì)算出與目標(biāo)三角形面元相交的破片線段,實(shí)現(xiàn)過程分為3步:首先判斷是否平行,若不平行則求交點(diǎn),最后判斷交點(diǎn)是否位于三角形內(nèi)部。

1.4 包圍球技術(shù)

圖2 戰(zhàn)斗機(jī)的包圍球

包圍球技術(shù)是實(shí)時(shí)視景仿真領(lǐng)域?qū)蓚€(gè)實(shí)體快速進(jìn)行相交檢測的一種方法,其實(shí)現(xiàn)方法為使用最小簡單規(guī)則的三維形狀如長方體、球?qū)⒈粰z測的復(fù)雜物體包圍起來,這些三維形狀被稱為包圍球,通過對形狀簡單的包圍球進(jìn)行相交檢測來近似判定兩個(gè)物體是否相交。包圍球技術(shù)可以大大減小相交檢測的計(jì)算量,被包圍物體與包圍球的形狀吻合度越高則檢測效果越好。如果包圍球沒有相交則物體一定沒有相交,反之則不成立。某折疊翼戰(zhàn)斗機(jī)的包圍球如圖2所示。

2 毀傷效能評估的設(shè)計(jì)程序

2.1 戰(zhàn)斗部對靜止目標(biāo)集群的評估程序設(shè)計(jì)

戰(zhàn)斗部通常都是高速運(yùn)動(dòng)的,戰(zhàn)斗部的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)影響破片參量的僅僅是起爆時(shí)刻戰(zhàn)斗部的位置和速度。某些集群目標(biāo)例如埋伏中的人員、低速行進(jìn)中的車輛,相對破片2 000 m/s的運(yùn)動(dòng)速度可以忽略,近似認(rèn)為是靜止,在進(jìn)行毀傷效能評估的時(shí)候可以先把所有破片的運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算出來,然后逐破片進(jìn)行相交檢測,其評估過程見圖3。

浙江曾率先在全國開創(chuàng)了生源地國家助學(xué)貸款，省內(nèi)高中畢業(yè)生無論考入本省或外省高校均可申請生源地助學(xué)貸款，標(biāo)準(zhǔn)為本?？泼可磕瓴怀^8000元，研究生每生每年不超過1.2萬元。

圖3 破片式戰(zhàn)斗部對靜止集群目標(biāo)的評估程序

2.2 戰(zhàn)斗部對運(yùn)動(dòng)目標(biāo)集群的評估程序設(shè)計(jì)

高速飛行的導(dǎo)彈群、空中機(jī)動(dòng)的戰(zhàn)斗機(jī)群均屬于運(yùn)動(dòng)中的目標(biāo)集群,此類目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度及加速度均較大,計(jì)算毀傷程度往往要考慮戰(zhàn)斗部起爆時(shí)間的影響

,此時(shí)需要建立大地參考系并以此描述戰(zhàn)斗部及目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)方程。在進(jìn)行相交檢測時(shí),仍然需要考慮目標(biāo)運(yùn)動(dòng)的影響,造成整體計(jì)算量非常大,此時(shí)可以根據(jù)戰(zhàn)斗部與目標(biāo)的特征尺寸適當(dāng)加大龍格-庫塔法計(jì)算的時(shí)間步長,以這個(gè)步長為基準(zhǔn)計(jì)算目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)位移,詳細(xì)過程見圖4。

圖4 破片式戰(zhàn)斗部對運(yùn)動(dòng)集群目標(biāo)的評估程序

3 算例分析

某打擊機(jī)庫內(nèi)停放戰(zhàn)斗機(jī)的自然破片戰(zhàn)斗部以300 m/s的速度豎直向下運(yùn)動(dòng),在8 m高度起爆,機(jī)庫內(nèi)存放36架飛機(jī),縱向依次排開,戰(zhàn)斗機(jī)及機(jī)庫的三角面元數(shù)據(jù)見圖5和圖6。

圖5 戰(zhàn)斗機(jī)的VRML面元

圖6 機(jī)庫內(nèi)36架戰(zhàn)斗機(jī)的VRML面元

使用AUTODYN軟件計(jì)算后戰(zhàn)斗部爆轟形成的破片群,如圖7所示。經(jīng)過面元相交,求得命中戰(zhàn)斗機(jī)的破片數(shù)據(jù),命中戰(zhàn)斗機(jī)部位在機(jī)庫平面的投影見圖8。

從圖中可以看出,有7架戰(zhàn)斗機(jī)上破片分布密集,破片的毀傷半徑約為20 m。分析碰撞順序計(jì)算毀傷程度,重度毀傷戰(zhàn)斗機(jī)(毀傷程度大于60%)為7架,中度毀傷戰(zhàn)斗機(jī)(毀傷程度為30%～60%)1架,輕度毀傷戰(zhàn)斗機(jī)(毀傷程度為10%～30%)1架,不同位置戰(zhàn)斗機(jī)毀傷程度與圖所示相符,對機(jī)庫整體毀傷

程度為22.7%。

圖7 破片式戰(zhàn)斗部形成的破片群

圖8 破片命中機(jī)庫內(nèi)戰(zhàn)斗機(jī)位置在二維平面的投影

4 結(jié)論

文中提出了破片式戰(zhàn)斗部對集群目標(biāo)的毀傷效能評估方法,可廣泛應(yīng)用于多戰(zhàn)斗部、多目標(biāo)集群、目標(biāo)集群靜止及目標(biāo)集群運(yùn)動(dòng)等多種情況,精確性較高,操作簡單。在采取此種方法時(shí)需注意以下兩點(diǎn):

一是合理優(yōu)化計(jì)算量,特別是當(dāng)目標(biāo)模型復(fù)雜、面元眾多時(shí)計(jì)算量大,文中只介紹了包圍球這一種優(yōu)化算法,使用者在對具體問題進(jìn)行分析時(shí)有必要根據(jù)實(shí)際情況采取合適的優(yōu)化算法,以減小計(jì)算量加快運(yùn)行速度。

二是毀傷效能評估的最終結(jié)果合理與否很大程度上取決于目標(biāo)易損性的精確程度,目標(biāo)通常包含多個(gè)易損件,各個(gè)易損件之間存在遮擋,有的還需要考慮裝甲防護(hù),在這種情況下有必要加入破片碰撞金屬靶板的跳飛、侵徹公式,然后重新計(jì)算破片彈道,直至碰撞下一易損件。

[1] Lee A Butler, Eric W, Edwards. BRL-CAD tutorial series. Volume I Overview and Installation, AD 419250 [R]. 2002.

[2] HEO LA VERHANGEN. The TNO-PML tri-service vulnerability/lethality methodology TARVAC [C]∥21th International Symposium on Ballistics, Australia, 2004: 19-23.

[3] Defence Material Administration. A Triservice Vulnerability/Lethality Model [DB/OL] http: ∥www.fmv.se/WmTemplates/Page.aspx?id=1025.

[4] 楊云斌, 錢立新, 盧永剛. 戰(zhàn)斗部威力/目標(biāo)易損性評估軟件研究 [J]. 現(xiàn)代防御技術(shù), 2008, 36(6): 66-70.

[5] 盧永剛, 錢立新, 楊云斌, 等. 目標(biāo)易損性/戰(zhàn)斗部威力評估方法 [J]. 彈道學(xué)報(bào), 2005, 17(1): 46-52.

[6] Andera L Ames, David R Nadeau, John L Moreland. VRML資源手冊 [M]. 宗志方, 譯. 2版. 北京：電子工業(yè)出版社, 1998.

[7] 蔣建偉, 張謀, 門建兵. 小口徑榴彈自然破片形成過程的數(shù)值模擬 [J]. 彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào), 2009, 29(1): 114-117.

[8] 胡玉濤, 蔣邦海, 盧芳云, 等. 基于LS-DYNA計(jì)算結(jié)果的破片戰(zhàn)斗部虛擬打擊仿真 [J]. 彈道學(xué)報(bào), 2012, 24(1): 27-31.

A New Damage Effectiveness Evaluation Method of Fragmentation Warheads upon Group Targets Based on VRML Language and Surface Element Detection Technique

LI Zhen,YU Wenli,WANG Jintao,WANG Tao

(The Second Artillery Engineering University, Xi’an 710025, China)

To overcome the limitation of traditional damage effectiveness evaluation methods on group targets, a new damage effectiveness evaluation method of fragmentation warhead damaging group targets based on VRML language and surface element detection technique was put forword combining with shot line method. The key technology and general idea were expounded in the paper, and an example of fragmentation warheads damage aircrafts placed in the garage was given r and damage effectiveness data was achieved. The results showthat the new method is both simple and can be easily realized by programming.

damage effectiveness evaluation; shot line method; VRML; group targets

2014-08-29

李臻(1991-),男,河南駐馬店人,碩士研究生,研究方向:導(dǎo)彈戰(zhàn)斗部工程。

O383.2

A