CN104143028B - 一种基于仿真实验的装甲装备毁伤规律分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于仿真实验的装甲装备毁伤规律分析方法，其基于装备单元体的弹目空间交汇模型得到作战仿真实验中的每一次交火的命中位置；其建立典型弹药对典型装备典型部位的打击效果仿真模型，并借助实弹对实装的打击效果进行校正，确定模型及参数的合理性；其建立基于K‑Means空间聚类算法的目标非均匀分割模型，优化装备内部部件毁伤分析的实验设计，确定每种打击条件下的毁伤部件以及装备毁伤等级；其建立“毁伤数据库匹配模型”采用数据库映射的方法建立有限状态离线毁伤仿真和无限状态在线实时匹配关系，便于应用查询。

Description

一种基于仿真实验的装甲装备毁伤规律分析方法

技术领域

本发明属于作战仿真技术领域，尤其涉及一种基于仿真实验的装甲装备毁伤规律分析方法。

背景技术

装备战损、弹药消耗评估是作战准备工作的重要内容：平时或战前，通过作战过程中装备战损、弹药消耗量的预计，可以合理的规划装备维修力量以及弹药、器材的储备量；战中，利用装甲装备毁伤效果的研究成果，可以为指挥员制定火力打击方案提供理论指导。而装甲装备毁伤规律分析则是开展装备战损、弹药消耗评估的基础，是一项基础性的研究，又具有很强的现实意义。

“一战”和“二战”期间，装甲装备得到了大规模的应用。战后，学者采用战例分析的方法进行装甲装备毁伤规律分析，得到了较为可信的装备命中部位分布规律，即“鸡心曲线”，同时也基于战例分析法得到毁伤等级的分布规律(不同毁伤等级装备的比例关系)。近半个多世纪以来，装甲装备的射击精度和杀伤威力都有了较大幅度的提升，同时装备的防护能力也相应增强，但装甲装备参与的大规模作战行动则少之又少，没有合适的战例用于当前装备毁伤规律的分析研究。

随着仿真技术应用的不断深入，采用计算机仿真的方法已经得到大家的普遍认可。例如利用作战仿真系统开展训练和实验研究，其通过计算机网络将各种装甲车辆、火炮、武装直升机及保障力量装备仿真模型连接起来，并加入到虚拟的战场环境中，支持在某种作战想定条件下红蓝双方的作战对抗仿真。但其存在一些问题，例如：作战仿真系统通常会采用蒙特卡洛方法直接产生毁伤结果，虽然可以满足实时性要求，但是准确度却非常低。因为此种方法忽略了弹目交汇过程，没有充分利用仿真数据，无法得到目标命中部位和命中射线，也无法为准确计算毁伤部件和程度提供数据基础。还有利用计算机图形学中关于线面求交的基本算法，但是这种方法只能求解线面之间的交点，没有射线和几何体的相交算法，所以无法直接应用于装甲装备弹目交汇仿真中解答弹药射线与装备表面的交汇问题。即使是利用目前成熟的视景仿真软件所提供的求交计算环境，在线应用的适应性也不高。

所以，利用现有作战仿真技术开展装备战损规律研究，仍有以下几方面问题需要解决：

(1)如何产生类似实战的大量战损装备的命中部位分布；

(2)弹药对装备毁伤效果仿真实验中，不可能遍历所有打击条件(所有打击位置和打击方向)，那么如何科学地选择有代表性的仿真实验条件；

(3)如何用有限种毁伤效果仿真实验结果得出无限种打击状态下的毁伤效果。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于仿真实验的装甲装备毁伤规律分析方法，其通过空间交汇计算方法解决作战仿真中弹药打击命中位置过程和破片毁伤元命中部件过程，通过空间聚类方法寻找典型弹药侵彻过程，能够支持开展装甲装备战损规律的仿真实验分析，并提高了陆军作战仿真系统中打击毁伤仿真的准确性，同时满足了作战仿真的实时性要求。

本发明的基于仿真实验的装甲装备毁伤规律分析方法，其包括以下步骤：

步骤1，建立作战仿真系统的毁伤数据库：

步骤11，基于K-Means空间聚类算法的目标非均匀分割模型对目标装备进行分割简化；

步骤12，根据K-Means空间聚类算法的部件简化原则将目标装备简化为单元体，得到各单元体的端点坐标和各个表面的方程，利用弹目空间弹交汇模型计算方法计算毁伤元终点弹道与部件简化模型交汇点坐标，得到典型情况下装备的毁伤部件和毁伤等级情况，即获得典型打击结果，根据所述典型打击结果建立毁伤数据库；

步骤2，根据步骤1建立的毁伤数据库建立毁伤数据库匹配模型；

所述毁伤数据库通过离线分析的方式产生，用于记录经过装甲侵彻数值仿真和装备损伤部件计算后得到的针对典型打击条件下的损伤部件和毁伤等级数据，由若干弹药毁伤效能数据表和一个索引表组成；

其中，索引表是用来快速定位需要查询的弹药毁伤效能数据表，索引表的数据结构中包含索引项为弹药名称和装备名称，指针项为表名的三个字段，查询该表时，将弹药名称和装备名称中的关键字同作战仿真中产生的弹目名称进行匹配，关键字相同即匹配成功，继而找到该条记录，根据该记录中的指针项即可定为相应的弹药毁伤效能数据表；

弹药毁伤效能数据表根据弹药和装备型号进行表格划分，每个表中的弹药和装备的组合与其他表没有重叠，内容包括弹着点、着弹方向和损伤部件三个字段；

步骤3，基于装备单元体的弹目空间弹交汇模型获得作战仿真实验中某次交火的命中位置：

步骤31，根据攻击者和目标装备的坐标、姿态角、弹药类型和速度，利用攻击武器弹药落点分布通过随机数产生平面弹药命中点，利用所述平面命中点坐标确定弹药终点弹道方程；

步骤32，将所述目标装备通过分解为多个规则的单元体进行简化，并获得各单元体的各端点坐标和各面方程，根据所述各单元体的各端点坐标，利用弹药终点弹道方程和所述各单元体的各面方程进行空间交汇计算，得到弹目交汇命中部位的坐标和命中方向，此时命中位置确定；

步骤4，将步骤3获得的命中位置输入步骤2建立的毁伤数据库匹配模型，进行毁伤数据匹配获得该次交火的毁伤结果，并将该毁伤结果输出至作战仿真系统；

步骤41，着弹方向匹配，方向分解为纵向、横向两个部分，令输入值为a，典型值为b，那么：

d＝|a-b|

当d值为最小值时，b即为匹配的典型着弹方向；

步骤42，打击点匹配，在打击方向确定后，在一定打击方向下典型打击射线是平行的，所以弹药终点弹道的匹配只需要求解打击点和典型弹道间的最短距离；

设输入打击点为M₀，典型弹道射线上任意点为M₁，典型弹道方向向量为γ，则匹配距离为：

当d值为最小值时，典型弹道打击点即为即为匹配的典型着弹点，通过方向和距离两次数据库匹配最终得到毁伤结果。

步骤5，重复执行步骤3和步骤4，得到整个作战过程中所有毁伤装备的被弹位置，通过统计分析获得作战过程中装备被弹位置分布规律。

进一步的，在步骤31的弹药弹道与装备交汇模型中：

采用蒙特卡洛方法计算得到地面火炮武器系统的射击误差，通过射击误差可以得到弹药与目标截面交点位置坐标为(x₁，y₁，Z₁)，设弹药终点弹道方程方向向量为(m，n，p)，目标装备的坐标为(a，b，c)，θ_c为落角，ε为弹目高度角，则方向向量与目标截面交点、落角、弹目高度角近似关系公式如下：

令m＝1，则：

得到公式(2)：

将公式(2)带入公式(3)得到弹药终点弹道方程：

进一步的，步骤32中简化借助3dmax建立模型，并同时获得各单元体的端点坐标，通过各单元体的端点坐标获得各单元体的各面方程，以及整个目标装备的几何模型；

利用公式得到弹幕交汇命中部位的坐标和命中方向，确定命中点位置；

其中

进一步的，步骤11中的空间聚类方法为K-Means算法，利用K-Means算法对目标装备的各部件位置进行分类的步骤如下:

(1)设被聚类数据X＝{x¹,x²,x³,x⁴,…,xⁿ}中，n为数据数目，随即选择k个对象作为初始聚类中心μ₁,μ₂,μ₃,…μ_k；

(2)根据每个聚类对象X＝{x¹,x²,x³,x⁴,…,xⁿ}的值，计算每个对象与这些聚类中心对象μ₁,μ₂,μ₃,…μ_k的距离，并根据最小距离原则重新对每个聚类对象进行类别划分；

(3)重新计算每个聚类中心对象μ₁,μ₂,μ₃,…μ_k的值；

(4)循环(2)到(3)直到每个聚类中心对象μ₁,μ₂,μ₃,…μ_k的值不再发生变化为止，或者准则函数收敛。

(5)所得结果μ₁,μ₂,μ₃,…μ_k即是k个最终聚类中心。

进一步的，步骤11中：

将目标装备的纵向方向、横向方向区域都分成10个区域，其中，横向方向：正面划分为3个，侧面划分为6个，后面划分为1个区域；纵向方向：车体上部划分为3个，中部划分为6个，下部划分为1个区域；

把纵向和横向方向组合在一起，形成典型弹药终点弹道方向，目标装备前部划分组合成36个典型弹药终点弹道方向，目标装备后部划分组合成16个典型弹药终点弹道方向。

进一步的，步骤12中典型打击结果的具体内容包括：

建立反映弹药结构和材料性能特点的数值分析模型，即描述弹药战斗部结构特征的实体模型和反映材料特性的材料模型，结合设定的边界条件，经过基于AUTODYN有限元分析工具的数值分析，得到弹药打击效果的数值仿真数据；

根据不同弹药组成结构中的不同部分的材料特性，通过对材料的强度模型和状态方程的分析，结合显示动力分析程序AUTODYN，根据相关资料以及通过实验，确定能够用于装甲装备战损仿真分析的材料模型参数；

根据构建的弹药战斗部实体模型和材料模型，结合设定的边界条件，经过基于有限元的非线性动力分析，将连续介质离散成有限个单元进行求解，得到弹药威力场的数值仿真结果，包括弹药威力场的形成过程，以及毁伤元的特性。

本发明的有益效果在于：

本发明的基于仿真实验的装甲装备毁伤规律分析方法计算效率高，准确性高，能够支持开展装甲装备战损规律的仿真实验分析，能够拓展用于作战仿真结果的在线实时分析，与基于视景仿真软件的方法相比更具有普遍性和实用性。具体如下：

1.本发明通过建立弹药弹道与装备交汇模型、典型弹药毁伤仿真计算模型、毁伤元与装备部件交汇模型，可以较为精确地计算出该装备毁伤情况，该方法能够实现装甲装备被弹分布和毁伤等级分布规律的分析研究，该模型能够满足作战仿真系统实时性与准确性的要求；实现了弹目交汇点和毁伤元与部件交汇计算，满足了作战仿真系统火力打击仿真的需求；计算效率高，但准确性要强很多，与基于视景仿真软件的方法相比更具有普遍性和实用性。

2.本发明的弹药终点弹道与装备交汇模型和毁伤元与装备部件交汇模型均采用了空间交汇方法，此方法可以直接应用于作战仿真系统应用性较强，运算较为高效；本发明的典型弹药毁伤仿真计算模型应用部件空间聚类方法寻找典型打击点，可以分析出部件的分布规律，解决了典型打击点寻找问题。因此本发明可以很好的指导典型弹药侵彻实验打击位置的选择问题。

附图说明

图1为本发明的基于仿真实验的装甲装备毁伤规律分析方法中各模型关系示意图；

图2为本发明的基于仿真实验的装甲装备毁伤规律分析方法中装备几何简化模型示意图；

图3为本发明的基于仿真实验的装甲装备毁伤规律分析方法中装备四棱柱透视图；

图4为本发明的基于仿真实验的装甲装备毁伤规律分析方法中装备横向方向划分示意图；

图5为本发明的基于仿真实验的装甲装备毁伤规律分析方法中装备纵向方向划分示意图；

图6为本发明的基于仿真实验的装甲装备毁伤规律分析方法中XOY平面弹药终点弹道示意图；

图7为本发明的基于仿真实验的装甲装备毁伤规律分析方法中YOZ平面弹药终点弹道示意图。

具体实施方式

武装装备的火力打击毁伤仿真是影响作战仿真效果可信度的重要因素，其仿真思路是：模拟弹药命中部位，通过典型弹药侵彻仿真计算得到毁伤元数据，模拟弹药侵彻后破片毁伤元命中部件，进而得到毁伤效果。本发明的目标装备是陆军作战的各类装备，其种类众多，依据武器性质和作战功能不同大致可以分为：坦克、装甲战车、地面火炮系统、后勤保障装备等。攻击者是地面火炮类武器系统，弹药主要分为：穿甲弹，破甲弹等。尽管弹药毁伤机理不同，但是在弹药运动轨迹、终点弹道、弹目交汇机理是一致的。

本方法的核心内容是两种模型和两种方法。两种模型：“基于装备单元体的弹目空间弹交汇模型”、“基于K-Means算法的目标非均匀分割模型”。两种方法：“一种基于仿真的装甲装备毁伤分析方法”、“有限状态离线毁伤仿真和无限状态在线实时匹配方法”。

本发明的基于仿真实验的装甲装备毁伤规律分析方法具体内容如下：

毁伤分析方法是当作战仿真系统产生火力打击事件后，通过弹弹道与装备交汇模型、典型弹药毁伤仿真计算摸型、毁伤元与装备部件交汇模型综合计算得到较为精确的毁伤结果，计算速度较快。后两个模型采用离线方式将计算结果生成在线应用数据库，使作战仿真系统可以实时运算。

如图1所示，弹药弹道与装备交汇模型根据初始条件即攻击者和目标装备的坐标、姿态角、弹药类型和速度，利用已知的攻击武器弹药落点分布，通过随机数产生平面弹药命中点，利用平面命中点坐标最终确定弹药终点弹道方程。

根据简化原则将目标装备简化分解为多个规则的单元体，并且产生生各端点坐标和各装甲面方程，弹药终点弹道方程和装备单元体各面方程进行空间交汇计算.最终得到弹幕交汇命中部位坐标和命中方向，即命中点位置。

典型弹药毁伤仿真计算摸型根据空间聚类方法，对各部件位置逐步进行分类，进而发现目标装备部件空间分布情况，确定典型的弹药打击部位，进行装甲侵彻仿真计算，根据输入的命中点坐标和方向匹配最近的典型打击方向和部位，产生毁伤元状态，即坐标、方向、速度、质量。

毁伤元与装备部件交汇模型根据毁伤元状态数据，得到各毁伤元弹道方程，根据简化原则将目标装备部件简化为单元体，通过空间交汇计算得到毁伤部件。

其中，在弹药弹道与装备交汇模型中：

计算弹药终点弹道方程的确定需要求得目标截面变点位置坐标、弹道方向向量。地面火炮武器系统弹药要受到武器自身以及外界环境因素的影响，命中点与瞄准点出现误差是不可避免的。根据射击误差理论得知，每次射击的误差都是由诸元误差和散布误差两部分综合组成。而且诸元误差是个确定值、散布误差符合正态分布定律。所以本申请采用蒙特卡洛方法计算得到射击误差，通过射击误差可以得到弹药与目标截面交点位置坐标为(x1，y1，Z1)。

根据作战仿真系统产生的装备位置信息(作战仿真系统给出的位置信息是在大地坐标系内的坐标值，需要转换为攻击者中心坐标系坐标值)计算弹药终点射线方向角和弹药落角，在XOY平面和YOZ平面的弹药终点弹道如图6和图7所示。

根据解析几何直线方程定义，已知直线上一点和直线方向向量，可以确定该直线方程。已经求得弹药与目标截面交点位置坐标为(x₁，y₁，z₁)，只需求得方向向量就可以确定弹药终点弹道方程。

设弹药终点弹道方程方向向量为(m，n，p)，目标装备位置坐标(中心点)为(a，b，c)，θ_c为落角，ε为弹目高度角。方向向量与目标截面交点、落角、弹目高度角近似关系公式如下：

令m＝1，则：

得到公式(2)：

将公式(2)带入公式(3)得到弹药终点弹道方程：

进一步的，为了进行求交计算需要对目标装备进行分解简化处理，目标装备外表的方程期望是由多个简单规则的单元体组成，简化处理的基本原则；

1)简化有一定的准确性，顾及到命中点求解的准确性，对于装备重要部件如:车体、履带、车轮、炮塔、炮管等的几何外形要与实际基本一致.

2)简化有一定的可行性，对于非重要部件要忽略，方便计算.

3)对于复杂部件采取多重简化原则，简单部件可以简化为一个单元体.复杂部件外形复杂多变，需要简化为多个单元体。

4)保持装备外表面的基本形状、倾斜角度、相对位置尊重要因素一致。

装备几何简化模型的单元体是四棱台基本几何体，如图2所示：装备几何简化模型的建立，主要需要解决的是装备外形的简化。简化可以借助3dmax软件建立模型，在建立3dmax装备模型时各基本单元体的端点坐标数据也同时生成。通过单元体8个端点的坐标值就可以描述单元体以及整个装备的几何模型。在此以四棱台单元体为例，设外表面端点a,b,c,d,e,f,g,h坐标值：

(x_a,y_a,z_a),(x_b,y_b,z_b),……(x_g,y_g,z_g),(x_h,y_h,z_h)，

其中面abcd,abef,bcgf,cdgh,adeh,efgh,是外表面，在此用面abef为例，其他面同理可得。如图3所示：根据平面一般方程用下式表示面abfe方程：

AX+BY+CZ+D＝0

D＝-(Ax_b+By_b+Cz_b),

其中，端点要按逆时针的方向进行计算。

具体的，在弹药终点弹道与装备交汇模型中进行交汇计算：

基本思路：通过装备几何简化原则将目标装备分解为若干个典型几何体，得到几何体的8个端点坐标值，通过端点坐标值确定单元体各表面方程。通过弹药终点弹道方程与单元体各表面方程遍历求交计算，得到命中部位。由于装备分解为多个单元体，单元体与弹药求交计算量会很大，需要进行优化分析，减少计算量，优化采用消隐法忽略被遮挡的单元体表面。

单元体命中部位求解：

四棱台外表面端点a,b,c,d,e,f,g,h坐标值为：

(X_a,Y_a,Z_a)(X_b,Y_b,Z_b),……(X_g,Y_g,Z_g),(X_h,Y_h,Z_h)

该四棱台具有6个表面abcd,abfe,bcgf,cdgh,adeh,efgh,如图3所示。

下面用面abfe为例与弹药终点弹道方程进行交汇计算，通过公式(4)可以得到面abfe的方程。弹药终点弹道方程由公式(3)得到，并通过转换为目标装备坐标系下方程。命中点坐标可以通过求解弹药终点弹道和单元体外表面方程组得到。

通过解方程组得到命中点坐标：

坐标系的转换，两个方程必须在目标装备坐标系下进行计算。

得到的命中点位置还需要进一步判断位置是否在abfe表面内，如果超出表面界限，则视为未击中，利用叉积判断法判断命中位置是否在表面内。设命中位置为p₀，面abfe的四个端点为p₁p₂p₃p₄，v_i＝p_i-p₀，i＝1,2,3,4，当所有叉积v_i×v_i+1的符号都相同，则此命中位置在面abfe内，反之，则判断为未命中。其他各表面同理可得。

通过遍历6个表面与弹药终点弹道交汇计算可能会得到2个命中点坐标，这是由于弹道先后与两个表面交汇造成的，必须选择首先交汇的命中点作为实际命中位置。采用通过比较2个命中点与攻击者中心的距离，距离短的是实际命中点。

通过弹药弹道与装备交汇模型计算得到弹药与装备的命中弹着点位置以及打击方向，已经对弹药与装备交汇之前的物理过程进行了模拟。接下来为了能够准确模拟弹药对目标装备装甲的终点效应物理毁伤过程，尝试建立装甲侵彻数值仿真模型，该模型需要能够利用弹目交汇模型输出的命中弹着点位置和打击方向作为输入量，通过分析计算能够得到弹药对装备装甲终点效应侵彻后的破片物理状态作为输出量。装甲侵彻数值仿真主要是以物理本构方程和状态方程为基础，采用基于有限元的数值仿真手段，得到弹药终点效应后产生的毁伤元(破片、射流等)的特性(质量、速度、能量等)，为进行装备损伤部件判断提供基础数据。

弹药攻击装甲装备的着弹方向和弹着点的数量从理论上来说是具有无限多的。目标装备所受的火力打击可以来自任意方向，打击在目标装备任意表面位置上。所以穷尽所有可能性进行装甲侵彻数值仿真实验也是不可行的。那么通过对典型目标装备进行典型毁伤分析是非常必要的。典型毁伤分析模块是根据着弹纵向和横向方向典型分类，确定典型弹药终点弹道方向种类。再根据每种典型弹药终点弹道方向，对目标装备各部件做垂直于该方向的平行投影，得到各部件投影平面图形。根据空间聚合理论，将整个投影图形划分为合理的若干区域。从而确定该终点弹道方向上，典型毁伤装甲侵彻数值仿真实验的弹药终点弹道特点。

弹药终点弹道具有无限的方向可能性，如果穷尽所有可能进行仿真计算是无法完成的。由于作战仿真系统实时性与准确性的需要，通过建立典型毁伤数据库和匹配方法，找到近似准确的毁伤结果。所以只需对无限多个弹药终点弹道方向进行分类，找到若干有限个典型方向进行仿真计算即可。

对于典型方向的确定，只需根据作战仿真系统的准确性要求和实际作战统计结果进行划分，准确性要求越高，方向划分的越细。装甲装备无论在进攻或防御作战时，装备的正面总是朝着威胁最大的方向，这样装备前部的中弹率就比其他部位大。

据统计，当攻击者为地面火炮类武器时，装甲装备各部位的中弹率如表1所示：

表1

由此可见装备的正面、侧面、上部、中部比其它部位中弹率高得多。所以应以装甲装备正面、侧面、上部、中部为方向划分的主要部位，正面、侧面、上部、中部的划分比其它方向更细致。

如图4和5图所示，纵向方向、横向方向区域都分成10个区域。横向方向：正面划分为3个，侧面划分为6个，后面划分为1个区域。纵向方向：车体上部划分为3个，中部划分为6个，下部划分为1个区域。把纵向和横向方向组合在一起，形成典型弹药终点弹道方向。目标装备前部划分组合成36个典型弹药终点弹道方向，目标装备后部划分组合成16个典型弹药终点弹道方向。

通过对弹药终点弹道方向划分，确定了典型弹药终点弹道方向，为了继续进行典型毁伤分析，在典型弹药终点弹道方向上作目标装备部件中心点的平行投影。

上述内容中，通过建立反映弹药结构和材料性能特点的数值分析模型，即描述弹药战斗部结构特征的实体模型和反映材料特性的材料模型，结合设定的边界条件，经过基于AUTODYN有限元分析工具的数值分析，即可得到弹药打击效果的数值仿真数据。

1)实体模型

为了在弹药威力场数值仿真分析过程中能够直观的表现威力场的形成过程和毁伤元的状态，需要建立弹药战斗部的实体模型，实体模型内容包括弹药战斗部的组成结构、定义单元类型以及模型网格化。根据弹药战术性能要求以及其结构特点(尺寸、部件间的装配关系等)，采用ANSYS/WORKBENCH建模工具，建立弹药的战斗部实体模型,

2)材料模型

材料模型是一种描述材料的性质和状态的模型，它能够反映材料的状态和性能，是数值仿真能够取得可信分析结果的必要条件。材料模型主要是通过本构方程和状态方程来描述物体的材料性质和状态。

本构方程体现了材料的偏向反应，它与材料的应变、应变率、内能以及晶粒大小等有关，在有限元动力分析中主要是通过能够描述物体非线性弹塑性响应的强度模型来反映材料的本构关系。目前在动力分析程序中用于分析的强度模型主要包括Johnson-Cook模型、Steinberg Guinan模型、Johnson-Holmquist模型、von Mises模型、RHT Concrete模型等等。材料的状态方程是一个关系到压力、密度和热力学参数(内能或温度)的关系式，它反映了材料的体积特性。开展弹药毁伤动力分析中的状态方程主要包括Linear状态方程、JWL状态方程和Shock状态方程等。

根据不同弹药组成结构中的不同部分的材料特性，通过对材料的强度模型和状态方程的分析，结合显示动力分析程序AUTODYN，根据相关资料以及通过实验，确定能够用于装甲装备战损仿真分析的材料模型参数。

(2)弹药战斗部威力场数值仿真

根据构建的弹药战斗部实体模型和材料模型，结合设定的边界条件，经过基于有限元的非线性动力分析，将连续介质离散成有限个单元进行求解，即可得到弹药威力场的数值仿真结果，包括弹药威力场的形成过程，以及毁伤元的特性，即速度、能量、压强等。基于有限元的非线性动力分析程序AUTODYN的分析过程见图6。AUTODYN不但能够显示分析弹药威力场的形成过程，而且还可对毁伤元的特性进行统计，包括破片的质量、速度、方位、能量等，能够方便有效地为开展弹药毁伤分析提供基础数据。

聚类是数据分析领域的重要研究内容，通过将具有不同特征的数据集分成若干个类，使得同一个类中的元素之间具有较高的近似度，从而发现数据的分类特征。空间聚类是传统聚类方法在空间数据集中的一种扩展和应用，其根据某种近似性度量方法，将空间目标分成若干个空间类，并使得同一个空间类中的空间目标具有最大相似性，而不同空间类中的对象尽可能不同。目前，空间聚类在数据挖掘、图像分割等领域有广泛的应用，也取得了许多研究成果。对目标装备典型毁伤分析实质就是寻找典型的弹药打击部位和打击方向。空间聚类有助于寻找目标装备各部件间位置的相互关系，通过空间聚类方法对各部件位置逐步进行分类，进而发现目标装备部件空间分布情况，确定典型的弹药打击部位。因此通过部件空间聚类来确定典型毁伤装甲侵彻数值仿真实验的弹药终点弹道是可行的。

K-Means算法是一种得到最广泛使用的基于划分的聚类算法，基本思想是把n个对象分为k个类，以使类内具有较高的相似度。相似度的计算根据一个类中对象的平均值来进行。算法首先随机地选择k个对象，每个对象初始地代表了一个类的平均值或中心。对剩余的每个对象根据其与各个类中心的距离，将它赋给最近的类，然后重新计算每个类的平均值。这个过程不断重复，直到准则函数收敛。K-Means聚类算法的特点是使各聚类本身尽可能的紧凑，而各聚类之间尽可能的分开，从而得到同一聚类中的对象相似度较高，而不同聚类中的对象相似度较小。对于目标装备各部件通过K-Means聚类算法可以得到其分布特点，作为典型打击的部位，实现对目标装备部件的划分，应用于典型毁伤仿真实验。

建立典型弹药毁伤仿真计算模型，根据空间聚类方法对目标装备的各部件位置进行分类，获知目标装备的部件空间分布情况，根据该部件空间分布情况确定典型的弹药打击部位，并根据弹幕交汇命中部位的坐标和命中方向进行装甲侵彻仿真计算，获得与命中点坐标和命中方向匹配最近的典型打击方向和部位，此时毁伤元状态确定，该毁伤元状态包括：命中点的坐标、方向、速度和质量；

弹药终点弹道具有无限的方向可能性，如果穷尽所有可能进行仿真计算是无法完成的。由于作战仿真系统实时性与准确性的需要，通过建立典型毁伤数据库和匹配方法，找到近似准确的毁伤结果。所以只需对无限多个弹药终点弹道方向进行分类，找到若干有限个典型方向进行仿真计算即可。

对于典型方向的确定，只需根据作战仿真系统的准确性要求和实际作战统计结果进行划分，准确性要求越高，方向划分的越细。装甲装备无论在进攻或防御作战时，装备的正面总是朝着威胁最大的方向，这样装备前部的中弹率就比其他部位大。装甲装备正面、侧面、上部、中部为方向划分的主要部位，正面、侧面、上部、中部的划分比其它方向更细致。

所以，纵向方向、横向方向区域都分成10个区域。横向方向：正面划分为3个，侧面划分为6个，后面划分为1个区域。纵向方向：车体上部划分为3个，中部划分为6个，下部划分为1个区域。把纵向和横向方向组合在一起，形成典型弹药终点弹道方向。目标装备前部划分组合成36个典型弹药终点弹道方向，目标装备后部划分组合成16个典型弹药终点弹道方向。

K-Means算法流程如下:

(1)设被聚类数据X＝{x¹,x²,x³,x⁴,…,xⁿ}中，n为数据数目，随即选择k个对象作为初始聚类中心μ₁,μ₂,μ₃,…μ_k；

(2)根据每个聚类对象X＝{x¹,x²,x³,x⁴,…,xⁿ}的值，计算每个对象与这些聚类中心对象μ₁,μ₂,μ₃,…μ_k的距离，并根据最小距离原则重新对每个聚类对象进行类别划分；

(3)重新计算每个聚类中心对象μ₁,μ₂,μ₃,…μ_k的值；

(4)循环(2)到(3)直到每个聚类中心对象μ₁,μ₂,μ₃,…μ_k的值不再发生变化为止，或者准则函数收敛。

(5)所得结果μ₁,μ₂,μ₃,…μ_k即是k个最终聚类中心。

根据得到的典型打击部位进行弹药侵彻仿真计算得到毁伤元状态数据，依据毁伤元数据推算出毁伤元弹道终点方程。

根据部件简化原则，将部件简化为单元体，得到各单元体的端点坐标，可以求的各个表面的方程，利用上述基于装备单元体的弹目空间弹交汇模型计算方法，计算毁伤元终点弹道与部件简化模型交汇点坐标，得到典型情况下装备的毁伤部件和毁伤等级情况。

在毁伤元与装备部件交汇模型中：

通过弹药浸彻仿真计算得到毁伤元状态数据，依据毁伤元数据推算出毁伤元弹道终点方程。

根据部件简化原则，将部件简化为单元体，得到各单元体的端点坐标，可以求的各个表面的方程，利用上述空间交汇计算方法，计算毁伤元终点弹道与部件简化模型交汇点坐标：

从而可以判断毁伤元弹道与部件的相交情况，如果相交即为毁伤该部件，得到毁伤部件情况。

另外，虽然坐标系的应用属于本领域的惯用技术手段，但是为了防止不清楚的问题产生，在此仍对本发明涉及的坐标系进行说明：

本发明的弹目交汇模型涉及到三种坐标系即攻击者中心坐标系：以攻击者装备中心点为坐标系原点，以横水平线为x轴右为正方向；大地坐标系：为作战仿真系统坐标系；目标装备中心坐标系同理攻击者中心坐标系。本发明的坐标系转换应用布尔萨七参数法。

作战仿真系统产生的装备位置信息(即装备中心点坐标、俯仰角α、侧滚角β、方向角γ)需要转化为由装备中心点和四个装备端点坐标，转换公式如下：

x＝x′sinγ；y＝y′cosα；z＝-z′sinβ

中心点坐标是用于描述装备的具体位置状态，四个端点坐标用于描述装备具体姿态状2态。采用这种方法是为了满足弹目交汇仿真中准确性的需求。坐标系转换公式如下：

其中，X₁、Y₁、Z₁是已知坐标系中的坐标值；X、Y、Z是待求坐标系中的坐标值；r_ij是旋转参数ε_x、ε_y、ε_z的三角函数。

图1中的毁伤数据库匹配模型中的毁伤数据库是通过离线分析的方式产生的，主要是记录经过装甲侵彻数值仿真和装备损伤部件计算后得到的针对典型打击条件下(弹药名称、装备名称、弹着点坐标、着弹方向)的损伤部件和毁伤等级数据，为“在线仿真”应用提供数据信息支持。数据库由若干弹药毁伤效能数据表和一个索引表组成，

索引表用来快速定位需要查询的弹药毁伤效能数据表。它的数据结构中包含“弹药名称”、“装备名称”、“表名”三个字段，其中“弹药名称”和“装备名称”是索引项，“表名”是指针项。查询该表时，需要将弹药名称和装备名称中的关键字同作战仿真中产生的弹目名称进行匹配，关键字相同即匹配成功，继而找到该条记录，根据该记录中的指针项“表名”即可定为相应的弹药毁伤效能数据表。

弹药毁伤效能数据表根据弹药和装备型号进行表格划分，每个表中的弹药和装备的组合与其他表没有重叠。为便于查询，将弹药毁伤效能数据表统一命名为“××(弹药)对××(装备)的弹药毁伤效能数据表”，内容包括“弹着点(米)”、“着弹方向”、“损伤部件”三个字段。

进行匹配时，主要从以下两个方面进行：

(1)着弹方向匹配

方向分解为纵向、横向两个部分，令输入值为a，典型值为b，那么：

d＝|a-b|

当d值为最小值时，b即为匹配的典型着弹方向。

(2)打击点匹配

在打击方向确定后，在一定打击方向下典型打击射线是平行的。所以弹药终点弹道的匹配只需要求解打击点和典型弹道间的最短距离即可。设输入打击点为M₀，典型弹道射线上任意点为M₁，典型弹道方向向量为γ，则匹配距离为：

当d值为最小值时，典型弹道打击点即为即为匹配的典型着弹点。通过方向和距离两次数据库匹配最终得到近似的毁伤结果。

综上所述，本方法的关键点在于以下四点：

1、由作战仿真产生作战过程中的所有构成交火关系装备的空间状态，包括装备几何中心点坐标、装备与各坐标平面所成角度，以及弹药类型，由“基于装备单元体的弹目空间弹交汇模型”得到每一次交火的命中位置，统计分析可以知道命中位置的分布规律；

2、采用AUTODYN仿真软件，完成“典型弹药对典型装备典型部位的打击效果仿真模型”，并借助于实弹对实装的打击效果进行校正，确定各种参数的合理性。

3、采用“基于K-Means空间聚类算法的目标非均匀分割模型”完成基于AUTODYN仿真实验条件设计，并进行装备内部部件的毁伤效果分析，确定每种打击条件下的毁伤部件以及毁伤等级。

4、同时，建立“毁伤数据库匹配模型”采用数据库映射的方法建立有限状态离线毁伤仿真和无限状态在线实时匹配关系，便于应用查询。

惟以上所述者，仅为本发明的较佳实施例而已，举凡熟悉此项技艺的专业人士。在了解本发明的技术手段之后，自然能依据实际的需要，在本发明的教导下加以变化。因此凡依本发明申请专利范围所作的同等变化与修饰，都应仍属本发明专利涵盖的范围内。

Claims (4)

1.一种基于仿真实验的装甲装备毁伤规律分析方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，建立作战仿真系统的毁伤数据库：

步骤11，基于K-Means空间聚类算法的目标非均匀分割模型对目标装备进行分割简化；

步骤12，根据K-Means空间聚类算法的部件简化原则将目标装备简化为单元体，得到各单元体的端点坐标和各个表面的方程，利用弹目空间弹交汇模型计算方法计算毁伤元终点弹道与部件简化模型交汇点坐标，得到典型情况下装备的毁伤部件和毁伤等级情况，即获得典型打击结果，根据所述典型打击结果建立毁伤数据库；

步骤2，根据步骤1建立的毁伤数据库建立毁伤数据库匹配模型；

所述毁伤数据库通过离线分析的方式产生，用于记录经过装甲侵彻数值仿真和装备损伤部件计算后得到的针对典型打击条件下的损伤部件和毁伤等级数据，由若干弹药毁伤效能数据表和一个索引表组成；

其中，索引表是用来快速定位需要查询的弹药毁伤效能数据表，索引表的数据结构中包含索引项为弹药名称和装备名称，指针项为表名的三个字段，查询该表时，将弹药名称和装备名称中的关键字同作战仿真中产生的弹目名称进行匹配，关键字相同即匹配成功，继而找到该条记录，根据该记录中的指针项即可定为相应的弹药毁伤效能数据表；

弹药毁伤效能数据表根据弹药和装备型号进行表格划分，每个表中的弹药和装备的组合与其他表没有重叠，内容包括弹着点、着弹方向和损伤部件三个字段；

步骤3，基于装备单元体的弹目空间弹交汇模型获得作战仿真实验中某次交火的命中位置：

步骤31，根据攻击者和目标装备的坐标、姿态角、弹药类型和速度，利用攻击武器弹药落点分布通过随机数产生平面弹药命中点，利用所述平面命中点坐标确定弹药终点弹道方程；

步骤32，将所述目标装备通过分解为多个规则的单元体进行简化，并获得各单元体的各端点坐标和各面方程，根据所述各单元体的各端点坐标，利用弹药终点弹道方程和所述各单元体的各面方程进行空间交汇计算，得到弹目交汇命中部位的坐标和命中方向，此时命中位置确定；

步骤4，将步骤3获得的命中位置输入步骤2建立的毁伤数据库匹配模型，进行毁伤数据匹配获得该次交火的毁伤结果，并将该毁伤结果输出至作战仿真系统；

步骤41，着弹方向匹配，方向分解为纵向、横向两个部分，令输入值为a，典型值为b，匹配距离为d，那么：

d＝|a-b|

当d值为最小值时，b即为匹配的典型着弹方向；

步骤42，打击点匹配，在打击方向确定后，在一定打击方向下典型打击射线是平行的，所以弹药终点弹道的匹配只需要求解打击点和典型弹道间的最短距离；

设输入打击点为M₀，典型弹道射线上任意点为M₁，典型弹道方向向量为γ，则匹配距离d为：

当d值为最小值时，典型弹道打击点即为匹配的典型着弹点，通过方向和距离两次数据库匹配最终得到毁伤结果；

步骤5，重复执行步骤3和步骤4，得到整个作战过程中所有毁伤装备的被弹位置，通过统计分析获得作战过程中装备被弹位置分布规律。

2.如权利要求1所述的基于仿真实验的装甲装备毁伤规律分析方法，其特征在于，步骤11中的空间聚类方法为K-Means算法，利用K-Means算法对目标装备的各部件位置进行分类的步骤如下：

(1)设被聚类数据X＝{x¹，x²，x³，x⁴……xⁿ}中，n为数据数目，随即选择k个对象作为初始聚类中心μ₁，μ₂，μ₃……μ_k；

(2)根据每个聚类对象X＝{x¹，x²，x³，x⁴……xⁿ}的值，计算每个对象与这些聚类中心对象μ₁，μ₂，μ₃……μ_k的距离，并根据最小距离原则重新对每个聚类对象进行类别划分；

(3)重新计算每个聚类中心对象μ₁，μ₂，μ₃……μ_k的值；

(4)循环(2)到(3)直到每个聚类中心对象μ₁，μ₂，μ₃……μ_k的值不再发生变化为止，或者准则函数收敛；

(5)所得结果μ₁，μ₂，μ₃……μ_k即是k个最终聚类中心。

3.如权利要求1所述的基于仿真实验的装甲装备毁伤规律分析方法，其特征在于，步骤11中：

将目标装备的纵向方向、横向方向区域都分成10个区域，其中，横向方向：正面划分为3个，侧面划分为6个，后面划分为1个区域；纵向方向：车体上部划分为3个，中部划分为6个，下部划分为1个区域；

把纵向和横向方向组合在一起，形成典型弹药终点弹道方向，目标装备前部划分组合成36个典型弹药终点弹道方向，目标装备后部划分组合成16个典型弹药终点弹道方向。

4.如权利要求1所述的基于仿真实验的装甲装备毁伤规律分析方法，其特征在于，步骤12中典型打击结果的具体内容包括：

建立反映弹药结构和材料性能特点的数值分析模型，即描述弹药战斗部结构特征的实体模型和反映材料特性的材料模型，结合设定的边界条件，经过基于AUTODYN有限元分析工具的数值分析，得到弹药打击效果的数值仿真数据；

根据不同弹药组成结构中的不同部分的材料特性，通过对材料的强度模型和状态方程的分析，结合显示动力分析程序AUTODYN，根据相关资料以及通过实验，确定能够用于装甲装备战损仿真分析的材料模型参数；

根据构建的弹药战斗部实体模型和材料模型，结合设定的边界条件，经过基于有限元的非线性动力分析，将连续介质离散成有限个单元进行求解，得到弹药威力场的数值仿真结果，包括弹药威力场的形成过程，以及毁伤元的特性。