CN108776733B - 可控离散杆战斗部杀伤切口长度确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种可控离散杆战斗部杀伤切口长度确定方法，包括如下步骤：(10)初始参数获取：获取目标模型参数和可控离散杆战斗部初始参数；(20)可控离散杆战斗部轨迹计算：根据离散杆战斗部初始参数，确定可控离散杆战斗部每根杆条重心及端点的初始位置，及径向运动过程中每根杆条重心及端点的实时位置，求得杆条端点绕自身长轴旋转的角速度，进而得到旋转运动后端点的实时位置，得到离散杆战斗部轨迹；(30)切口长度计算：根据可控离散杆战斗部轨迹和目标模型参数，计算每根杆条对每个目标面元的切口长度，求得单位面元的切口长度，最后计算离散杆战斗部对目标杀伤的切口长度。本发明对杆条在运动过程中面元杀伤的切口长度确定准确度高。

Description

可控离散杆战斗部杀伤切口长度确定方法

技术领域

本发明属于武器毁伤效应评估技术领域，特别是一种可控离散杆战斗部杀伤切口长度确定方法。

背景技术

离散杆战斗部是一种特殊的预制破片战斗部，又称翻滚杆战斗部。其主要特点是杆体具有较大的质量和速度,因而具有较高的侵彻潜力。可控离散杆战斗部是导弹战斗部结构设计与研究的重要方向之一，它用独立的大长径比的预制杆条作为主要杀伤元素，杆条紧密排列在炸药装药的周围，当战斗部装药爆炸后，杆条按预控姿态向外飞行，即杆条的长轴始终垂直于其飞行方向，同时绕长轴的中心旋转，最终在某一半径处首尾相连，靠形成连续的切口来提高对目标的杀伤能力。可控离散杆的切口长度是计算目标毁伤的重要参数。可控离散杆战斗部继承了连续杆战斗部杆条质量大、对目标切割能力强的优点；同时又兼顾了破片战斗部速度高、威力半径大的优点，对目标具有较强的毁伤能力。

可控旋转离散杆战斗部研究的关键在于如何精确控制杆条的运动姿态，主要包括杆条的质量、数量、长度、初速、安装斜角、分布半径和扩张半径等，将其写成数学形式为：

C＝{m,N,L,V₀,α,radius,ex_radius…}； (1)

式(1)中m,N,L,V₀,α,radius,ex_radius分别表示杆条的质量、数量、长度、初速、安装斜角、分布半径和扩张半径等。

算法所采用的目标模型是易损特性模型，将对目标总体、舱段及零部件的几何特征、物理特性、杀伤模式等进行详尽描述的数据以及相关的易损性数据，以某种数据格式存储起来，并借助计算机来存储和维护这些目标数据，最终用于易损性分析等方面。

目前大多数的离散杆战斗部对目标杀伤的切口长度的计算都是根据每根杆条的中心的运动轨迹与目标的三角面元有无交点来判断杆条是否命中了目标面元，若有交点则证明该杆条命中了目标面元，然后根据杆条的姿态、三角面元的法线等来确定杆条在三角面元上所在平面的投影长度。将这段投影以命中点分为两部分，与三角面元各边进行相交检测从而得到该三角面元上的有效切口长度。

现有技术存在的问题是：由于杆条命中的目标面元数会比实际情况少，不能包含所有的情况，对杆条在运动过程中对面元杀伤的切口长度确定准确度低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可控散杆战斗部杀伤切口长度确定方法,对杆条在运动过程中面元杀伤的切口长度确定准确度高。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种可控离散杆战斗部杀伤切口长度确定方法，包括如下步骤：

(10)初始参数获取：获取目标模型参数和可控离散杆战斗部初始参数；

(20)可控离散杆战斗部轨迹计算：根据离散杆战斗部初始参数，确定可控离散杆战斗部每根杆条重心及端点的初始位置，及径向运动过程中每根杆条重心及端点的实时位置，求得杆条端点绕自身长轴旋转的角速度，进而得到旋转运动后端点的实时位置，得到离散杆战斗部轨迹；

(30)切口长度计算：根据离散杆战斗部轨迹和目标模型参数，计算每根杆条对每个目标面元的切口长度，求得单位面元的切口长度，最后计算离散杆战斗部对目标杀伤的切口长度。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

1、准确度高：用杆条两端点运动过程中的轨迹来对目标面元进行求命中的判断，得到的结果更为精确；

2、计算量小：利用求线面交点的算法来求计算两条直线的交点，减少了计算量；

3、姿态可控：散杆战斗部使用的是可控离散杆，能够对杆条的各项参数进行设置以便实现对杆条运动姿态的控制。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明可控离散杆战斗部杀伤切口长度确定方法的主流程图。

图2为杆条运动过程中与面元相交的情况示意图。

图3为图1中离散杆战斗部轨迹计算步骤的流程图。

图4为图1中切口长度计算计算步骤的流程图。

图5为图4中当前杆当前面元切口长度计算的流程图。

具体实施方式

如图1所示，本发明可控离散杆战斗部杀伤切口长度确定方法，包括如下步骤：

(10)初始参数获取：获取目标模型参数和可控离散杆战斗部初始参数；

所述(10)初始参数获取步骤中，目标模型参数包括目标包含的三角面元数、每个面元的顶点坐标dot[0]、dot[1]、dot[2]、三角面元的法向normal，离散杆战斗部纵轴沿X轴放置；

离散杆战斗部初始参数包括杆条的质量m(g)、数量N、长度L(m)、初速 V₀(m/s)、安装斜角α(度)、分布半径radius(m)和扩张半径ex_radius(m)。

杆条的安装斜角指的是安装杆条时杆条与导弹纵轴的夹角，分布半径指的是安装时杆条重心与战斗部中心的距离，扩张半径是指杆条运动了这个距离时可以形成首尾相接的圆环，初速指的是杆条径向运动的速度(假设运动过程中速度无衰减)，质量和长度均指每根杆条的质量和长度。

杆条运动过程中与面元相交的情况示意如图2所示。

如图2所示，平面1是三角面元2所在平面，L1、L2是杆条运动前后两个状态，prepos[0]和prepos[1]表示前一个时刻杆条的两个端点，pos[0]和pos[1] 表示当前时刻杆条的两个端点。根据杆条的运动可以求出两条轨迹l3、l4与平面1的交点P1、P2，记为杆条端点命中点。求得P1、P2的连线(定义为切口长度所在交线)的线段与三角面元的三条边的交点，若有交点记为CrossP1和 CrossP2，CrossP1和CrossP2之间的距离就是当前杆条对当前面元的切口长度。

(20)可控离散杆战斗部轨迹计算：根据离散杆战斗部初始参数，确定可控离散杆战斗部每根杆条重心及端点的初始位置，及径向运动过程中每根杆条重心及端点的实时位置，求得杆条端点绕自身长轴旋转的角速度，进而得到旋转运动后端点的实时位置，得到离散杆战斗部轨迹；

如图3所示，所述(20)离散杆战斗部轨迹计算步骤包括：

(21)初始位置计算：战斗部每根杆条重心OriginCenterdot初始位置及端点初始位置OriginPos[0]和OriginPos[1]由下式获得：

OriginCenterdot ＝(0 ,radius*cos(2π/N*num) ,radius*sin(2π/N*num))；(1)

OriginPos[0]＝ (OriginCenterdot.x-0.5*L*cos(α*π/180),OriginCenterdot.y,OriginCenterdot.z+ 0.5*L*cos(α*π/180))； (2)

OriginPos[1]＝ (OriginCenterdot.x+0.5*L* cos(α*π/180),OriginCenterdot.y,OriginCenterdot.z-0.5*L*cos(α*π/180))； (3)

式中：N表示战斗部杆条的数量、radius表示杆条的分布半径、num表示每根杆条的编号、L表示杆条的长度、α表示杆条的安装斜角；

(22)径向运动实时位置计算：径向运动过程中各时刻每根杆条重心 centerpos实时位置及端点pos[0]和pos[1]实时位置由下式获得：

centerpos＝ (OriginCenterdot.x,OriginCenterdot.y+V₀*TT*cos(2π/N*num),OriginCenterdot.z+ V₀*TT*sin(2π/N*num))； (4)

pos[0]＝(centerpos.x-0.5*L*cos(α*π/180),centerpos.y,centerpos.z+0.5*L*cos(α*π/180))； (5)

pos[1]＝(centerpos.x+0.5*L*cos(α*π/180),centerpos.y,centerpos.z- 0.5*L*cos(α*π/180))； (6)

式中的TT是指杆条运动的时间；

(23)杆条旋转角速度计算：杆条端点绕自身长轴旋转的角速度ω由下式获得：

ω＝(90-α)/(ex_radius/V₀)*π/180 (7)

式中，V₀表示杆条的初速、α表示杆条的安装斜角和ex_radius表示杆条的扩张半径，角速度ω的单位为弧度/秒；

(24)旋转运动实时位置计算：旋转运动中每根杆条端点绕自身长轴旋转后端点pos[0]和pos[1]的实时位置由下式获得：

pos[0]＝A*(pos[0].x,pos[0].y,pos[0].z,1)^T (8)

pos[1]＝A*(pos[1].x,pos[1].y,pos[1].z,1)^T (9)

其中，A为三维坐标系中绕任意轴(u,v,w)旋转θ弧度的旋转矩阵，

其中u²+v²+w²＝1；

将杆条中心坐标归一化即得到杆条长轴axis：

用(axis.x,axis.y,axis.z)代替(10)式中(u,v,w)，每个时刻杆条端点绕自身长轴旋转的弧度θ＝ω*TT可以得到旋转运动过程中的旋转矩阵A。

(25)离散杆战斗部轨迹确定：

前一时刻prepos[0]＝pos[0],prepos[1]＝pos[1]，

当前时刻的pos[0]和pos[1]根据式(4)、(5)、(6)、(8)和(9)求得，得到任意相邻两个时刻杆条的坐标，从而确定离散杆战斗部轨迹。

(30)切口长度计算：根据离散杆战斗部轨迹和目标模型参数，计算每根杆条对每个目标面元的切口长度，求得单位面元的切口长度，最后计算离散杆战斗部对目标杀伤的切口长度。

如图4所示，所述(30)切口长度计算步骤包括：

(31)当前杆当前面元切口长度计算：

如图5所示为当前杆当前面元切口长度计算的流程图。

根据离散杆战斗部轨迹对目标的三角面元进行相交判断，若杆条端点相邻两个时刻的位置prepos[0]和pos[0]连线的线段l3、prepos[1]和pos[1]的连线线段 l4与目标模型的三角面元所在平面相交，将交点分别记为P1、P2，求得P1、P2 连线的线段P1_P2在三角面元内的有效长度，就是当前杆当前面元的切口长度。

具体步骤为：

若Pj(j＝1,2)有一点在三角面元内，计算P1_P2与三角面元边缘的交点 CrossP，计算Pj(j＝1,2)与CrossP的距离为当前杆条对当前面元的切口；若P1、 P2均不在三角面元内，计算P1_P2与三角面元边缘的交点CrossP1、CrossP2，计算CrossP1、CrossP2之间的距离就是当前杆条对当前面元的切口，否则计算 P1、P2之间的距离就是当前杆条对当前面元的切口。

若一根杆条对一个三角面元有多次命中，则取最大的切口长度为当前杆当前三角面元的切口长度；

(32)单位面元切口长度计算：

单个面元的总切口长度为所有命中它的杆条的切口长度之和。

(33)目标总切口长度确定：

整个目标的总切口长度为所有面元上的切口长度之和。

通过上述过程可以看出，本发明方法用杆条两端点运动过程中的轨迹来对目标面元进行求命中的判断，得到的结果更为精确；利用求线面交点的算法来求计算两条直线的交点，减少了计算量；散杆战斗部使用的是可控离散杆，能够对杆条的各项参数进行设置以便实现对杆条运动姿态的控制。

Claims (2)

1.一种可控离散杆战斗部杀伤切口长度确定方法，包括如下步骤：

(10)初始参数获取：获取目标模型参数和可控离散杆战斗部初始参数；

(20)可控离散杆战斗部轨迹计算：根据离散杆战斗部初始参数，确定可控离散杆战斗部每根杆条重心及端点的初始位置，及径向运动过程中每根杆条重心及端点的实时位置，求得杆条端点绕自身长轴旋转的角速度，进而得到旋转运动后端点的实时位置，得到离散杆战斗部轨迹；

(30)切口长度计算：根据可控离散杆战斗部轨迹和目标模型参数，计算每根杆条对每个目标面元的切口长度，求得单位面元的切口长度，最后计算离散杆战斗部对目标杀伤的切口长度；

所述(10)初始参数获取步骤中，目标模型参数包括目标包含的三角面元数、每个面元的顶点坐标dot[0]、dot[1]、dot[2]、三角面元的法向normal，离散杆战斗部纵轴沿X轴放置；

可控离散杆战斗部初始参数包括杆条的质量m、 单位g， 数量N， 长度L、 单位m， 初速V₀、 单位m/s， 安装斜角α、 单位度， 分布半径radius、 单位m和扩张半径ex_radius、 单位m；

其特征在于，所述(20)可控离散杆战斗部轨迹计算步骤包括：

(21)初始位置计算：战斗部每根杆条重心OriginCenterdot初始位置及端点初始位置OriginPos[0]和OriginPos[1]由下式获得：

OriginCenterdot ＝(0，radius*cos(2π/N*num)，radius*sin(2π/N*num))；

(1)

OriginPos[0]＝(OriginCenterdot.x-0.5*L*cos(α*π/180),OriginCenterdot.y,OriginCenterdot.z+0.5*L*cos(α*π/180))； (2)

OriginPos[1]＝(OriginCenterdot.x+0.5*L*cos(α*π/180),OriginCenterdot.y,OriginCenterdot.z-0.5*L*cos(α*π/180))；(3)

式中：N表示战斗部杆条的数量、radius表示杆条的分布半径、num表示每根杆条的编号、L表示杆条的长度、α表示杆条的安装斜角；

(22)径向运动实时位置计算：径向运动过程中各时刻每根杆条重心centerpos实时位置及端点pos[0]和pos[1]实时位置由下式获得：

centerpos＝(OriginCenterdot.x,OriginCenterdot.y+V₀*TT*cos(2π/N*num),OriginCenterdot.z+V₀*TT*sin(2π/N*num))； (4)

pos[0]＝(centerpos.x-0.5*L*cos(α*π/180),centerpos.y,centerpos.z+0.5*L*cos(α*π/180))； (5)

pos[1]＝(centerpos.x+0.5*L*cos(α*π/180),centerpos.y,centerpos.z-0.5*L*cos(α*π/180)) (6)

式中的TT是指杆条运动的时间；

(23)杆条旋转角速度计算：杆条端点绕自身长轴旋转的角速度ω由下式获得：

ω＝(90-α)/(ex_radius/V₀)*π/180 (7)

式中，V₀表示杆条的初速、α表示杆条的安装斜角和ex_radius表示杆条的扩张半径，角速度ω的单位为弧度/秒；

(24)旋转运动实时位置计算：旋转运动中每根杆条端点绕自身长轴旋转后端点pos[0]和pos[1]的实时位置由下式获得：

pos[0]＝A*(pos[0].x,pos[0].y,pos[0].z,1)^T (8)

pos[1]＝A*(pos[1].x,pos[1].y,pos[1].z,1)^T (9)

其中，A为三维坐标系中绕任意轴(u,v,w)旋转θ弧度的旋转矩阵，

其中u²+v²+w²＝1；

将杆条中心坐标归一化即得到杆条长轴axis：

用(axis.x,axis.y,axis.z)代替(10)式中(u,v,w)，每个时刻杆条端点绕自身长轴旋转的弧度θ＝ω*TT可以得到旋转运动过程中的旋转矩阵A；

(25)离散杆战斗部轨迹确定：

前一时刻prepos[0]＝pos[0],prepos[1]＝pos[1]，

当前时刻的pos[0]和pos[1]根据式(4)、(5)、(6)、(8)和(9)求得，得到任意相邻两个时刻杆条的坐标，从而确定离散杆战斗部轨迹。

2.根据权利要求1所述的杀伤切口长度确定方法，其特征在于，所述(30)切口长度计算步骤包括：

(31)当前杆当前面元切口长度计算：

根据离散杆战斗部轨迹对目标的三角面元进行相交判断，若杆条端点相邻两个时刻的位置prepos[0]和pos[0]连线的线段l3、prepos[1]和pos[1]的连线线段l4与目标模型的三角面元所在平面相交，将交点分别记为P1、P2，求得P1、P2连线的线段P1_P2在三角面元内的有效长度，就是当前杆当前面元的切口长度；若一根杆条对一个三角面元有多次命中，则取最大的切口长度为当前杆当前三角面元的切口长度；

(32)单位面元切口长度计算：

单个面元的总切口长度为所有命中它的杆条的切口长度之和；

(33)目标总切口长度确定：

整个目标的总切口长度为所有面元上的切口长度之和。

Images