CN108694281B - 一种基于多维角度破片散布侵彻的目标毁伤概率计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于多维角度破片散布侵彻的目标毁伤概率计算方法，其具体包括获得动态条件下破片场的飞散角度和破片场的破片概率分布密度函数；将动态条件下的破片场划分为若干破片微元束；获得最初到达目标与最后到达目标的破片微元束的到达时间；对目标划分易损舱段，并对易损舱段进行三维有限元单元划分；获得作用在目标表面的有效破片初始动能；获得破片微元束和目标的交会位置和交会时破片的速度以及破片场对目标的毁伤概率等步骤。本发明给出比较形象的基于破片多维散布角度的目标毁伤计算方法，为新型目标毁伤计算提供科学依据。

Description

一种基于多维角度破片散布侵彻的目标毁伤概率计算方法

技术领域

本发明涉及靶场测试技术领域，尤其涉及一种基于多维角度破片散布侵彻的目标毁伤概率计算方法。

背景技术

冲击波和破片是常规武器对目标的主要杀伤手段。由于冲击波传播过程中强度衰减迅速，所以其杀伤范围十分有限；破片在远距离飞行后仍能实现对目标的机械效应及引燃引爆效应等毁伤破坏，因此，近年来国内外着重开展了如何利用破片实现对目标最大限度杀伤的研究，包括增强侵彻能力、增大杀伤面积、提高命中精度等，并相应设计了各类常规战斗部，如聚能破甲战斗部、破片战斗部、穿甲侵彻战斗部。

近炸相对攻击目标的空间炸点破片散布位置与它们之间的攻防对抗策略是目标毁伤计算重要参数和分析毁伤评价体系的有效手段，也是当前弹丸引信起爆控制与目标防御之间博弈的重要依据，为了提高弹丸引信近炸对目标毁伤的效能，需要密切关注弹丸引信相对目标近炸位置、空间炸点分布、目标多姿态下被侵彻毁伤区域的易损概率，以及弹丸随动近炸空间分布与目标毁伤之间的关联对抗博弈毁伤效能评估策略，故而，弹丸近炸破片场参数对目标的毁伤有决定性的作用。由于弹丸破片场的分布是随机的、不确定的，使得现有计算方法无法满足当前的弹丸破片场对目标毁伤效能的客观评估。因此，迫切需要研究一套具有弹丸破片场与目标的多角度侵彻对目标毁伤的评估的科学计算方法。

发明内容

本发明提供一种基于多维角度破片散布侵彻的目标毁伤概率计算方法，用以解决现有技术中存在的技术问题。

本发明提供一种基于多维角度破片散布侵彻的目标毁伤概率计算方法，其具体包括以下步骤：

步骤1：基于弹丸炸点的空间位置参数，获得动态条件下破片场的飞散角度和破片场的破片概率分布密度函数；

步骤2：建立弹体坐标系(OX_mY_mZ_m)和目标坐标系(OX_tY_tZ_t)，在所述弹体坐标系和目标坐标系中，将动态条件下的破片场划分为若干破片微元束，如图2所示；

步骤3：获得最初到达目标的破片微元束与最后到达目标的破片微元束的到达时间以及两个到达时间的时间间隔，如图3所示；；

步骤4：基于有限元分析原理，对目标划分易损舱段，并对易损舱段进行三维有限元单元划分，建立三维目标毁伤数学模型；

步骤5：获得作用在每个三角形面元的有效易损区的破片初始动能E_T0以及作用在目标表面的有效破片初始动能E_T；如图4所示；

步骤6：将每个破片视为一条射迹线，破片沿中心射线运动，根据射迹线的方向和目标的描述，判断微元束和构成目标表面的三角形面元的交会情况，由此获得破片微元束和目标的交会位置和交会时破片的速度，如图5所示；

步骤7：根据破片束和目标单一三角形面元的交会着角、交会时破片的速度以及交会破片数目，获得破片场对目标的毁伤概率。

优选地，在所述步骤3中，包括以下步骤：

步骤S31，假设有效破片场呈圆锥体分布，设定圆锥体型的破片场的半径为R，爆炸瞬间产生的破片总数为N，距离弹丸炸点h处的破片场上的有效破片数为N_h，距离炸点h处的破片微元束上飞出的有效破片数为S_h，Φ_vr第r枚破片的动态飞散角，f(Φ_vr)为破片场的概率分布密度函数，则有：

在步骤S32中，计算弹丸破片的分布密度ρ(R,Φ_vr)：

σ_vr为Φ_vr的均方根差，

为Φ_vr的数学期望。

在步骤S33中，设定弹丸速度为v_m，破片初速度为v_f0，弹丸破片撞击目标的速度为v_ft，炸点与目标之间的距离为R，碎片平均飞散角为Φ，破片的动态飞散角为Φ_vr，最初到达目标的破片微元束的到达时间t₁和最后到达目标的破片微元束的到达时间t₂分别为：

优选地，在所述步骤4中，具体包括以下步骤：

步骤S41，将目标进行简化和等效处理，具体地，是将目标简化成m个易损舱段；

步骤S42，对目标的各个易损舱段进行微分划分，将每个易损舱段的表面等效为由有限个三角形面元构成，每个三角形面元上存在有效易损区。

优选地，在所述步骤5中，计算作用在目标表面的有效破片初始动能E_T0以及整个目标面元的有效碎片初始动能E_T的步骤包括：

步骤S51，结合弹丸有效破片的质量M，计算作用在单个三角形面元的有效易损区的破片初始动能；

步骤S52，由于目标被等分为m个易损舱段，并且弹丸爆炸产生的破片场中的破片是均匀分布，因此，作用在目标表面的有效破片初始动能E_T0可近似等效为:

步骤S53，在弹丸碎片场撞击目标的整个过程中，整体目标所受到的撞击动能E_T可通过在t₁～t₂时间间隔内对整个目标面元的有效碎片初始动能E_T0进行积分计算得到，Φ_vr(t₂)与Φ_vr(t₁)分别是破片在t₂和t₁时的动态破片飞散角，具体计算公式如下：

优选地，在所述步骤6中，包括以下步骤：

a.在t＝0时刻，破片所在位置为D点，破片射线与目标面元ABC所在平面交于点H。经过t₁-t₀时间后，破片从D点运动至D₁点，面元ABC运动至A₁B₁C₁，此时面元所在平面与破片射线交于H₁。若存在某个时刻t^*使得D₁与H₁点重合，则说明破片会与面元所在平面有交点，通过破片运动轨迹即可求出该交点的坐标；

b.通过三角形面积法判断该点是否在三角形面元内，如果在面元内，则该点即为破片命中点；

c.通过破片速度方向向量、目标速度和面元方向向量，可以求得破片与三角形面元交会的着角姿态，在侵彻的情况下，获得破片侵彻目标表面三角形面元的侵彻角度和宽度，进而求出第i个有三角形面元内所受到的破片撞击动能。

优选地，在所述步骤7中，包括以下步骤：

a.由弹丸破片动态飞散角和破片动态概率分布密度函数，求出作用在目标单一三角形面元的分布密度ρ(Φ_vr)；

b.由于在爆炸瞬间产生的弹丸碎片总数为N，求出作用在目标单一三角形面元的有效弹丸碎片数目和弹丸破片对目标面元贡献的毁伤面积；

c.根据目标有限元模型，利用目标易损性舱段和单一三角形面元弹丸破片对目标面元贡献的毁伤面积，求出基于破片散布的多维角度目标侵彻毁伤概率函数。

本发明利用了破片散布的多维角度与被毁目标相对位置的一种关联性，建立针对目标毁伤的计算方法。本发明基于破片散布的多维角度对被毁目标的侵彻作用，给出比较形象的基于破片多维散布角度的目标毁伤计算方法，为新型目标毁伤计算提供科学依据。

附图说明

图1是本发明涉及的基于多维角度破片散布侵彻的目标毁伤概率计算方法的流程图；

图2是本发明涉及的基于多维角度破片散布侵彻的目标毁伤概率计算方法中坐标系的示意图；

图3是本发明涉及的基于多维角度破片散布侵彻的目标毁伤概率计算方法中破片微元束运动状态示意图；

图4是本发明涉及的基于多维角度破片散布侵彻的目标毁伤概率计算方法中整个目标面元的有效碎片初始动能的计算示意图；

图5是本发明涉及的基于多维角度破片散布侵彻的目标毁伤概率计算方法中破片微元束和目标的交会位置和交会时破片的速度的示意图。

具体实施方式

本实施例涉及一种基于多维角度破片散布侵彻的目标毁伤概率计算方法，该基于多维角度破片散布侵彻的目标毁伤概率计算方法主要应用于对多目标位置进行测试，从而得到多目标位置的坐标参数。

本实施例本实施例涉及一种基于多维角度破片散布侵彻的目标毁伤概率计算方法，如图1所示，其具体包括以下步骤：

步骤1(S1)：在弹丸与目标的实际交会过程中，破片飞散角将会逐渐变小，破片的速度将会逐渐增大，在该步骤中，基于弹丸炸点的空间位置参数，获得动态条件下破片场的飞散角度和破片场的破片概率分布密度函数；

步骤2：建立弹体坐标系(OX_mY_mZ_m)和目标坐标系(OX_tY_tZ_t)，在上述弹体坐标系和目标坐标系中，将动态条件下的破片场划分为若干破片微元束，如图2所示；

步骤3：考虑到有效的破片场一般呈圆锥体分布，并且弹丸与目标在交会过程中都处于高速运动，弹丸在爆炸后产生的弹丸破片飞散角度不同，在该步骤中，获得最初到达目标的破片微元束与最后到达目标的破片微元束的到达时间以及两个到达时间的时间间隔，如图3所示；

具体地，在上述步骤3中，对最初到达目标的破片微元束与最后到达目标的破片微元束的到达时间的具体计算方式如下：

由于在步骤2中，动态条件下的破片场已经在已建立的弹体坐标系和目标坐标系中被划分为破片微元束，在步骤S31中，假设有效破片场呈圆锥体分布，设定圆锥体型的破片场的半径为R，爆炸瞬间产生的破片总数为N，距离弹丸炸点h处的破片场上的有效破片数为N_h，距离炸点h处的破片微元束上飞出的有效破片数为S_h，Φ_vr第r枚破片的动态飞散角，f(Φ_vr)为破片场的概率分布密度函数，则有：

在步骤S32中，计算弹丸破片的分布密度ρ(R,Φ_vr)：

σ_vr为Φ_vr的均方根差，

为Φ_vr的数学期望。

在步骤S33中，设定弹丸速度为v_m，破片初速度为v_f0，弹丸破片撞击目标的速度为v_ft，炸点与目标之间的距离为r，碎片平均飞散角为Φ，动态飞散角为Φ_vr，最初到达目标的破片微元束的到达时间t₁和最后到达目标的破片微元束的到达时间t₂分别为：

步骤4：基于有限元分析原理，对目标划分易损舱段，并对易损舱段进行三维有限元单元划分，建立三维目标毁伤数学模型；

在该步骤中，具体地步骤包括：

步骤S41，将目标进行简化和等效处理，具体地，是将目标简化成m个易损舱段；

步骤S42，对目标的各个易损舱段进行微分划分，将每个易损舱段的表面等效为由有限个三角形面元构成，每个三角形面元上存在有效易损区；

步骤5：求出作用在每个三角形面元的有效易损区的破片初始动能，其中，由于目标在步骤S4中目标被等分为m个易损舱段，并且假设弹丸爆炸产生的破片场中的破片是均匀分布，在该步骤中，获得作用在目标表面的有效破片初始动能E_T0，同时对t₁～t₂时间间隔积分从而获得整个目标面元的有效碎片初始动能E_T，如图4所示；

其中，在上述步骤5中，计算作用在目标表面的有效破片初始动能E_T0以及整个目标面元的有效碎片初始动能E_T的步骤包括：

步骤S51，结合弹丸有效破片的质量M，计算作用在单个三角形面元的有效易损区的破片初始动能；

步骤S52，由于目标被等分为m个易损舱段，并且弹丸爆炸产生的破片场中的破片是均匀分布，因此，作用在目标表面的有效破片初始动能E_T0可近似等效为:

步骤S53，在弹丸碎片场撞击目标的整个过程中，整体目标所受到的撞击动能E_T可通过在t₁～t₂时间间隔内对整个目标面元的有效碎片初始动能E_T0进行积分计算得到，Φ_vr(t₂)与Φ_vr(t₁)分别是破片在t₂和t₁时的动态破片飞散角，具体计算公式如下：

步骤6：在分析破片对目标表面的命中情况时，把每个破片视为一条射迹线，破片沿中心射线运动，根据射迹线的方向和目标的描述，判断微元束和构成目标表面的三角形面元的交会情况，由此获得破片微元束和目标的交会位置和交会时破片的速度，如图5所示；

具体地，在上述步骤6中:

a.在t＝0时刻，破片所在位置为D点，破片射线与目标面元ABC所在平面交于点H。经过t₁-t₀时间后，破片从D点运动至D₁点，面元ABC运动至A₁B₁C₁，此时面元所在平面与破片射线交于H₁。若存在某个时刻t^*使得D₁与H₁点重合，则说明破片会与面元所在平面有交点，通过破片运动轨迹即可求出该交点的坐标；

b.通过三角形面积法判断该点是否在三角形面元内，如果在面元内，则该点即为破片命中点；

c.通过破片速度方向向量、目标速度和面元方向向量，可以求得破片与三角形面元交会的着角姿态,姿态一般表现为跳飞、侵彻或嵌入，在侵彻的情况下，获得破片侵彻目标表面三角形面元的侵彻角度和宽度，进而求出第i个有三角形面元内所受到的破片撞击动能；

更为具体地，其中的步骤a具体按照以下步骤实施：若存在某时刻t^*使得：D(t^*)＝H(t^*)，即D₁点与H₁重合，则说明破片可以命中目标面元所在的平面。因此，求破片对目标三角形面元的命中点，即要求解方程:

τ为一固定常数，v_t是破片撞击目标的速度，v_f为破片的速度，(x₀,y₀)为破片在目标某个易损舱段某个三角形面元上的作用点坐标。u与面元方向、目标运动速度和破片速度方向有关，它代表目标面元平面与破片射线的交点在破片轨迹直线上的运动方向和运动快慢。u＞0表示交点与破片的运动速度方向相同，u＜0表示交点H与破片的运动速度方向相反。w表示面元与破片初始时刻的位置关系，在图5中即为D点与H点的距离，w＞0表示目标而元初始时刻在破片运动前方，w＜0则表示目标而元初始时刻在破片运动后方。

1)当u＝0时:

此时

即目标运动速度为0或者平行于面元，H(t)＝w为一条平行于时间轴的直线，y为破片运动轨迹上的点与破片初始点的距离，显然只有当w＞0才有解且是唯一解，此时对应于目标在破片飞行的前方

2)当u＜0时:

此时三角形面元平面与射线交点沿射线反方向运动，所以当其与破片作相对运动w＞0时两点一定会相遇，且存在唯一解。当w＜0时，两点作相向运动，方程没有解。

3)当u＞0时.

此时两点的运动方向相同，是一个追赶问题。存在以下3种不同情况：

w≤0，此时面元在破片后方追赶破片，随着破片速度衰减，总有一个时刻可以追赶上，但这一过程时间比较长，此时破片速度己经衰减到不能忽略重力的影响，所以这种情况下虽然方程有解，但此解没有实际意义。

此时破片在后方追赶面元，两条曲线有2个交点，方程有2个解。从实际碰撞情况出发，应该选择撞击时刻较小的解为方程的解。

此时破片在后方追赶面元，但由于破片速度的衰减，破片将追不上面元，因此破片与面元没有交点。

综上所述，方程的解只有3种情况，这3种情况分别对应准静止问题、迎头碰撞问题和追赶问题。

步骤7：结合破片束和目标单一三角形面元的交会着角，交会时破片的速度，交会破片数目，获得破片场对目标的毁伤概率计算方法；

a.由弹丸破片动态飞散角和破片动态概率分布密度函数，求出作用在目标单一三角形面元的分布密度ρ(Φ_vr)；

b.由于在爆炸瞬间产生的弹丸碎片总数为N，求出作用在目标单一三角形面元的有效弹丸碎片数目和弹丸破片对目标面元贡献的毁伤面积；

c.根据目标有限元模型，利用目标易损性舱段和单一三角形面元弹丸破片对目标面元贡献的毁伤面积，求出基于破片散布的多维角度目标侵彻毁伤概率函数。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (4)

1.一种基于多维角度破片散布侵彻的目标毁伤概率计算方法，其具体包括以下步骤：

步骤1：基于弹丸炸点的空间位置参数，获得动态条件下破片场的飞散角度和破片场的破片概率分布密度函数；

步骤2：建立弹体坐标系(OX_mY_mZ_m)和目标坐标系(OX_tY_tZ_t)，在所述弹体坐标系和目标坐标系中，将动态条件下的破片场划分为若干破片微元束；

步骤3：获得最初到达目标的破片微元束与最后到达目标的破片微元束的到达时间以及两个到达时间的时间间隔；在所述步骤3中，包括以下步骤：

步骤S31，假设有效破片场呈圆锥体分布，设定圆锥体型的破片场的半径为R，爆炸瞬间产生的破片总数为N，距离弹丸炸点h处的破片场上的有效破片数为N_h，距离炸点h处的破片微元束上飞出的有效破片数为S_h，Φ_vr为第r枚破片的动态飞散角，f(Φ_vr)为破片场的概率分布密度函数，则有：

在步骤S32中，计算弹丸破片的分布密度ρ(R,Φ_vr)：

σ_vr为Φ_vr的均方根差，

为Φ_vr的数学期望；

在步骤S33中，设定弹丸速度为v_m，破片初速度为v_f0，弹丸破片撞击目标的速度为v_ft，炸点与目标之间的距离为r，碎片平均飞散角为Φ，第r枚破片的动态飞散角为Φ_vr，最初到达目标的破片微元束的到达时间t₁和最后到达目标的破片微元束的到达时间t₂分别为：

步骤4：基于有限元分析原理，对目标划分易损舱段，并对易损舱段进行三维有限元单元划分，建立三维目标毁伤数学模型；在所述步骤4中，具体包括以下步骤：

步骤S41，将目标进行简化和等效处理，具体地，是将目标简化成m个易损舱段；

步骤S42，对目标的各个易损舱段进行微分划分，将每个易损舱段的表面等效为由有限个三角形面元构成，每个三角形面元上存在有效易损区；

步骤5：获得作用在每个三角形面元的有效易损区的破片初始动能

以及作用在目标表面的有效破片初始动能E_T；

步骤6：将每个破片视为一条射迹线，破片沿中心射线运动，根据射迹线的方向和目标的描述，判断微元束和构成目标表面的三角形面元的交会情况，由此获得破片微元束和目标的交会位置和交会时破片的速度；

步骤7：根据破片束和目标单一三角形面元的交会着角、交会时破片的速度以及交会破片数目，获得破片场对目标的毁伤概率。

2.根据权利要求1所述的基于多维角度破片散布侵彻的目标毁伤概率计算方法，其特征在于，在所述步骤5中，计算作用在目标表面的有效破片初始动能

以及整个目标面元的有效碎片初始动能E_T的步骤包括：

步骤S51，结合弹丸有效破片的质量M，计算作用在单个三角形面元的有效易损区的破片初始动能；

步骤S52，由于目标被等分为m个易损舱段，并且弹丸爆炸产生的破片场中的破片是均匀分布，因此，作用在目标表面的有效破片初始动能

可近似等效为:

步骤S53，在弹丸碎片场撞击目标的整个过程中，整体目标所受到的撞击动能E_T可通过在t₁～t₂时间间隔内对整个目标面元的有效碎片初始动能

进行积分计算得到，Φ_vr(t₂)与Φ_vr(t₁)分别是破片在t₂和t₁时的动态破片飞散角，具体计算公式如下：

3.根据权利要求1所述的基于多维角度破片散布侵彻的目标毁伤概率计算方法，其特征在于，在所述步骤6中，包括以下步骤：

a.利用破片射迹线法判断破片与目标三角形面元是否有交点，具体地，在t＝0时刻，破片所在位置为D点，破片射线与目标面元ABC所在平面交于点H；经过t₁-t₀时间后，破片从D点运动至D₁点，面元ABC运动至A₁B₁C₁，此时面元所在平面与破片射线交于H₁；若存在某个时刻t^*使得D₁与H₁点重合，则说明破片会与面元所在平面有交点，通过破片运动轨迹即可求出该交点的坐标；

b.通过三角形面积法判断该点是否在三角形面元内，如果在面元内，则该点即为破片命中点；

c.通过破片速度方向向量、目标速度和面元方向向量，可以求得破片与三角形面元交会的着角姿态,在侵彻的情况下，获得破片侵彻目标表面三角形面元的侵彻角度和宽度，进而求出第i个有三角形面元内所受到的破片撞击动能。

4.根据权利要求1所述的基于多维角度破片散布侵彻的目标毁伤概率计算方法，其特征在于，在所述步骤7中，包括以下步骤：

a.由弹丸破片动态飞散角和破片动态概率分布密度函数，求出作用在目标单一三角形面元的分布密度ρ(Φ_vr)；

b.由于在爆炸瞬间产生的弹丸碎片总数为N，求出作用在目标单一三角形面元的有效弹丸碎片数目和弹丸破片对目标面元贡献的毁伤面积；

c.根据目标有限元模型，利用目标易损性舱段和单一三角形面元弹丸破片对目标面元贡献的毁伤面积，求出基于破片散布的多维角度目标侵彻毁伤概率函数。

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