CN108917479A - 一种轻型空降战车的装甲壳体及其优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轻型空降战车的装甲壳体及其优化方法，装甲壳体包括车身装甲和连接于车身前端的车头装甲。车头装甲包括车头顶部装甲、车头正面装甲和车头侧面装甲，车头顶部装甲、车头正面装甲和车头侧面装甲均具有由多块独立的多边形装甲拼接而成的多个斜面；各装甲均为复合材料的非承载式装甲，彼此之间无刚性连接，在拼接处设置同材质的楔形填充块，在楔形填充块的两侧涂胶胶结。提高轻型空降战车的抗侵彻能力的同时节约材料，减轻战车的重量，提高战车的灵活能力，还可有效增大战车的内部空间。各装甲优化算法采用多目标函数优化算法的线性加权和法权系数选择方法，结合计算机辅助计算，能够较快并有效的得出符合多目标设计的初步设计方案。

Description

一种轻型空降战车的装甲壳体及其优化方法

技术领域

本发明属于装甲防护领域，具体涉及一种轻型空降战车的装甲壳体及其优化方法。

背景技术

根据当前装甲防护技术的水平和反装甲武器发展的情况，任何装甲车都不可能做到绝对防护，中弹现象是不可避免的。所以装甲防护系统的防护性能都是针对面临的威胁及实战中统计取得的被击中的概率来设计的。结构配置原则是提高整车生存能力。

现代装甲钢在装甲防护系统中具有抗弹功能，并兼有结构功能，此时的装甲钢件称为基本装甲。例如：轻型空降战车的装甲壳体即属于基本装甲，为非承载式装甲。在装甲车的不同部位中，基本装甲的规格及抗弹性能也各有不同。主要是为了防护轻武器如步枪/冲锋枪等常规武器的射击，对车内乘员有一定的保护作用。但非承载式装甲面对一些高穿透能力的穿甲弹药射击时，不能进行有效的防护，其不仅可能对车内乘员造成身体上的伤害，也极易使装甲车辆失去行动能力，甚至引起火灾，爆炸等。

但一味加大装甲车辆的装甲厚度或层数，又使轻型装甲车失去其灵巧便捷的优势，同时其重量也限制了某些空降战车作战人员随车投放的能力。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种可提高抗侵彻能力的轻型空降战车装甲壳体。

本发明提供的这种轻型空降战车的装甲壳体，包括车身装甲和连接于车身前端的车头装甲。所述车头装甲包括车头顶部装甲、车头正面装甲和车头侧面装甲，车头顶部装甲、车头正面装甲和车头侧面装甲均具有由多块独立的多边形装甲拼接而成的多个斜面；各多边形装甲均为非承载式装甲，材质均为复合材料，彼此之间无刚性连接，在拼接处设置与各装甲材质相同的楔形填充块，在楔形填充块的两侧涂胶胶结。

所述车身装甲包括车身顶部装甲、车身侧面上部装甲和车身侧面下部装甲，车身顶部装甲沿水平面布置，车身侧面上部装甲和车身侧面下部装甲依次对称连接于车身顶部装甲的长度方向两侧，车身侧面上部装甲沿车身顶部装甲侧缘下斜外扩，车身侧面下部装甲的上端与车身侧面上部装甲的下端之间的夹角为锐角。

所述车头顶部装甲与水平面之间有上倾的夹角，车头顶部装甲的上端与所述车身顶部装甲的前端连接。

所述车头正面装甲包括沿竖直方向布置的车头正面下部装甲及连接于车头顶部装甲下端和车头正面下部装甲上端之间的多块车头正面上部装甲。

所述车头侧面装甲包括多块三角形装甲，它们有夹角的拼接后将车头顶部装甲、车头正面装甲及车身侧面装甲之间的区域形成既有内凹面又有外凸面的封闭区域。

各块装甲均为复合材料装甲，内侧为吸能层、中间为分散冲击弹丸动能层、外侧为刚性止裂层。

所述吸能层的内层为超聚乙烯层，外层为碳纤维增强层，分散冲击弹丸动能层为陶瓷面板，刚性止裂层为装甲钢。

所述车头顶部装甲和/或车头正面装甲和/或车头侧面装甲的外侧加装同材料的曲面装甲，曲面由抛物线、双曲线或者其它样条曲线扫略形成。

本发明的目的之二在于提供一种上述装甲壳体各装甲优化算法选择权系数具体数值的方法，包括以下步骤：

步骤一，建立装甲布置方案的结构分析模型

(1)，建立方案的初步三维模型；

(2)，对部分参量进行限制，并得出其他所需的约束条件，设置所需优化的未知数，如尺寸参数；

步骤二，建立目标的数学模型，根据目标的重要性或者优先度，将极大化问题转化为极小化问题；

步骤三，利用线性加权和方法对多目标优化问题进行优化，将根据各个目标函数在问题中的重要程度，分别赋予一个权系数，再将带权系数的目标函数相加而构成评价函数，其中权系数的大小表征各个目标的相对重要程度，重要的目标所对应的权系数相对来说取值就越大；

步骤四，使用本发明所描述的基于多目标优化算法选择权系数具体数值的方法，确定每个目标函数对应的权系数，对优化过程进行迭代计算，最终得出符合要求的结果。

步骤二中，包括以下分步：

(1)，令max f(x)＝min[—f(x)]，因此，多目标规划问题的一般形式为目标函数

min f₁(x₁,x₂,…,x_n)

min f₂(x₁,x₂,…,x_n)

…

min f_p(x₁,x₂,…,x_n)

其中，p为目标函数数，n为所求变量数

约束条件：s.t.

其中，i，j为约束条件数，m，l为约束条件数的取值上限。

(2)，设对应于待优化问题的p个分量目标，给出一组数ω₁，ω₂，ω₃，…ω_p使得ω₁+ω₂+ω₃+…+ω_p＝1且ω_i≥0(i＝1,2，…，p)，则称ω₁，ω₂，ω₃，…ω_p为权系数，向量ω＝(ω₁，ω₂，ω₃，…ω_p)^T称为权向量。

设则有

当ω>0时，u(f)是f的严格单调增函数

当时，u(f)是f的单调增函数

(3)，对约束条件作出人为排序，根据决策者认为的重要程度决定其权系数的大小关系，设ω₁>ω₂>ω₃>…>ω_p。

(4)，令F(ω₁)＝ω₁+ω₂+ω₃+…+ω_p-1＝0

(5)，令ω₂＝0.618ω₁，

(6)，将未知数带入F(ω1)＝ω₁+ω₂+ω₃+…+ω_p-1＝0，求ω₁的根

(7)，设ω₁是F(x)＝0的根，选取x₀作为ω₁的初始近似值，过点(x₀，F(x₀))做曲线＝y＝f(x)的切线L，L的方程为＝y＝F(x₀)+F’(x₀)(x-x₀)，求出L与x轴交点的称x₁为ω₁的一次近似值。过点＝(x₁，F(x₁))做曲线y＝F(x)的切线，并求该切线与x轴交点的 重复以上过程。

(8)，得出ω₁符合精度要求的数值，并由此得出ω₂，ω₃，…ω_p。

(9)，构造单目标规划问题计算出一组 若符合要求，则终止计算；若不符合要求，则转步骤8

(10)，令ω₂＝0.6181+tω₁，t为迭代次数，转(6)。

本发明将装甲壳体的车头装甲设计为异形，车头的正面和侧面均由多块独立的多边形装甲拼接而成，使车头装甲既有内折面又有外折面，各块装甲采用复合材料制作，提高轻型空降战车的抗侵彻能力的同时节约材料，减轻战车的重量，提高战车的灵活能力。通过独立的多边形装甲的拼接还可有效增大战车的内部空间。战车的重量减轻后可实现人员随战车一同空降，提高人员空降的安全性。本发明对装甲壳体各装甲优化算法选择权系数具体数值的方法，结合计算机辅助计算，能够较快并有效的得出符合多目标设计的初步设计方案。即能快速确定车头各装甲的优化尺寸来满足用料最省和内部空间最大。

附图说明

图1为本发明一个实施例的三维示意图。

图2为图1中车头顶部装甲加装曲面装甲后的放大示意图。

图3为图1中车头侧面上部前装甲和车头侧面下部后过渡装甲加装曲面后的放大示意图。

图4为本实施例各方向的中弹几率示意图。

图5为本实施例简化版战车的三维示意图。

图6为本实施例简化版战车的正视示意图。

图7为本实施例简化版战车的侧视方向尺寸示意图。

图8为本实施例简化版战车的正视方向尺寸示意图。

图9为不同厚度陶瓷靶板抗侵彻能力仿真对比。

具体实施方式

本实施例公开的这种轻型空降的装甲壳体，以图4所示的各方向中弹几率为基本依据设计，包括车身装甲1和车身1前端的车头装甲2。

如图1至图4可以看出，车身装甲1包括车身顶部装甲11、车身侧面上部装甲12和车身侧面下部装甲13。

本实施例的车身顶部装甲11、车身侧面上部装甲12和车身侧面下部装甲13均为矩形装甲，车身顶部装甲11沿水平面布置，车身侧面上部装甲12和车身侧面下部装甲13依次对称连接于车身顶部装甲11的长度方向两侧。车身侧面上部装甲与水平面成40°至45°的下夹角，车身侧面下部装甲与水平面成60°至70°的上夹角，使车身侧面上部装甲与车身侧面下部装甲之间的拼接处呈外突状，可扩大车身装甲的内部空间。

结合图1至图4可以看出，车头装甲2包括车头顶部装甲21、车头正面上部梯形装甲22、车头正面上部三角形装甲23、车头正面下部矩形装甲24、车头侧面上部前装甲25、车头侧面上部后装甲26、车头侧面下部后过渡装甲27、车头侧面下部过渡装甲28、车头侧面下部前装甲29。

车头正面上部三角形装甲23、车头正面下部矩形装甲24、车头侧面上部前装甲25、车头侧面上部后装甲26、车头侧面下部后过渡装甲27、车头侧面下部过渡装甲28、车头侧面下部前装甲29均为三角形装甲。

车头顶部装甲21的上端和下端均为水平边，下端的宽度小于上端宽度，上部两侧为平行的直线边，下端水平边的两端与上部相应侧的直线边下端之间为两段内折直线边。车头顶部装甲21的上端与车身顶部装甲11的前端连接，车头顶部装甲21的上部宽度与车身顶部装甲11的宽度相同。

车头顶部装甲21为最易受到枪弹侵彻的位置，为了满足图4所示的防弹要求，本实施例的车头顶部装甲与水平面成25°至35°的上倾角布置。

车头正面下部矩形装甲24沿竖直方向布置，其宽度小于车身顶部装甲21的宽度，车头顶部装甲的下端伸出于车头正面下部矩形装甲24外。车头正面上部梯形装甲22为等腰梯形，其上底边与车头顶部装甲11下端的水平边连接，下底边与车头正面下部矩形装甲24的上端连接，所以车头正面上部梯形装甲22为前倾斜布置。

车头正面上部三角形装甲23的一边与车头顶部装甲1下端水平边一端的直线边连接，一边与车头正面上部梯形装甲22的腰边连接。

车头侧面上部前装甲25的一边与车头顶部装甲21的直线边连接，一边与车头正面上部三角形装甲23的一边连接。

车头侧面上部后装甲26的一边与车头顶部装甲上部的直线边连接、一边与车身侧面上部装甲的前端连接。

车头侧面下部后过渡装甲27的一边与车头侧面上部后装甲26的第三边连接，一边与车身侧面下部装甲的前端连接。

车头侧面下部过渡装甲28的两边分别与车头侧面上部前装甲25和车头侧面下部后过渡装甲27的第三边连接。

车头侧面下部前装甲29连接于车头下部矩形装甲24和车头侧面下部过渡装甲28之间。

为了满足图4所示的防弹要求，本实施例的车头正面上部三角形装甲23与沿战车长度方向的竖直面之间的夹角为65°至70°之间，车头侧面上部前装甲20°至25°之间，逐渐过渡到车头顶端和连接车头底部，以达到最佳的抗弹能力与用料的均衡。车头侧面下部后过渡装甲27和车头侧面下部过渡装甲28与沿战车长度方向的竖直面之间的夹角比较小，为8°到15°。车头正面上部梯形装甲22与水平面之间的夹角为30°至40°。车头正面下部矩形装甲24和车头侧面下部前装甲29为车头腹部位置，由于着弹率较低，本实施例采用垂直装甲布置，以增大车底内部的使用空间，可用于更复杂的内部结构放置。

本实施例的各块装甲均采用复合材料制作，从内往外依次采用超聚乙烯材料、碳纤维增强材料、陶瓷面板和装甲钢复合而成，超聚乙烯材料和碳纤维增强材料作为吸能层，陶瓷面板作为分散冲击弹丸动能层，装甲钢作为刚性止裂层。

各多边形装甲均为非承载式装甲，彼此之间无刚性连接，在拼接处设置与各装甲材质相同的楔形填充块，在楔形填充块的两侧涂胶胶结。

本实施例各装甲的上述布置方案可满足图4所示的防弹要求。当各方向的防弹要求提高时，可选择在相应方向的装甲外侧增设同材料的曲面装甲，曲面装甲的外形可由抛物线、双曲线或者其它想跳曲线扫略成形。

曲面装甲与斜面装甲之间也采用胶结的方式连接。

本实施例的装甲壳体布置方案确定后，需对车头装甲的长宽高尺寸进行优化。

本发明公开了一种上述装甲壳体各装甲优化算法选择权系数具体数值的方法，包括以下步骤：

步骤一，建立装甲布置方案的结构分析模型

(1)，建立方案的初步三维模型；

(2)，对部分参量进行限制，并得出其他所需的约束条件，设置所需优化的未知数，如尺寸参数；

步骤二，建立目标的数学模型，根据目标的重要性或者优先度，将极大化问题转化为极小化问题；

步骤三，利用线性加权和方法对多目标优化问题进行优化，将根据各个目标函数在问题中的重要程度，分别赋予一个权系数，再将带权系数的目标函数相加而构成评价函数，其中权系数的大小表征各个目标的相对重要程度，重要的目标所对应的权系数相对来说取值就越大；

步骤四，使用本发明所描述的基于多目标优化算法选择权系数具体数值的方法，确定每个目标函数对应的权系数，对优化过程进行迭代计算，最终得出符合要求的结果。

步骤二中，包括以下分步：

(1)，令max f(x)＝min[—f(x)]，因此，多目标规划问题的一般形式为目标函数

min f₁(x₁,x₂,…,x_n)

min f₂(x₁,x₂,…,x_n)

…

min f_p(x₁,x₂,…,x_n)

其中，p为目标函数数，n为所求变量数

约束条件：s.t.

其中，i，j为约束条件数，m，l为约束条件数的取值上限。

(2)，设对应于待优化问题的p个分量目标，给出一组数ω₁，ω₂，ω₃，…ω_p使得ω₁+ω₂+ω₃+…+ω_p＝1且ω_i≥0(i＝1,2，…，p)，则称ω₁，ω₂，ω₃，…ω_p为权系数，向量ω＝(ω₁，ω₂，ω₃，…ω_p)^T称为权向量。

设则有

当ω>0时，u(f)是f的严格单调增函数

当时，u(f)是f的单调增函数

(3)，对约束条件作出人为排序，根据决策者认为的重要程度决定其权系数的大小关系，设ω₁>ω₂>ω₃>…>ω_p。

(4)，令F(ω₁)＝ω₁+ω₂+ω₃+…+ω_p-1＝0

(5)，令ω₂＝0.618ω₁，

(6)，将未知数带入F(ω1)＝ω₁+ω₂+ω₃+…+ω_p-1＝0，求ω₁的根

(7)，设ω₁是F(x)＝0的根，选取x₀作为ω₁的初始近似值，过点(x₀，F(x₀))做曲线＝y＝f(x)的切线L，L的方程为＝y＝F(x₀)+F’(x₀)(x-x₀)，求出L与x轴交点的称x₁为ω₁的一次近似值。过点＝(x₁，F(x₁))做曲线y＝F(x)的切线，并求该切线与x轴交点的 重复以上过程。

(8)，得出ω₁符合精度要求的数值，并由此得出ω₂，ω₃，…ω_p。

(9)，构造单目标规划问题计算出一组 若符合要求，则终止计算；若不符合要求，则转步骤8

(10)，令ω₂＝0.6181+tω₁，t为迭代次数，转(6)。

但是由于本实施例为了满足图4所示的防弹要求设计的车头装甲的多边形装甲数量较多，为了便于优化方法的表达，下面对简化版的某实际战车的车头装甲进行优化设计，简化版的模型如图5和图6所示，图5和图6的具体数据如图7和图8所示。

一、简化模型，求解如下问题

我们假设其防弹要求为能正面抵抗7.62mm穿甲燃烧弹的侵彻，并满足一定的轻量化与内部空间要求。车头部分采用楔形设计，增强车头的抗弹能力，有效保护前部乘员及动力系统。如图7、图8所示，现整车车长、宽、高分别设为定值5460mm、2350mm和1210mm，对车头装甲部分标示的X1、X2和X3三个尺寸进行优化设计，在满足一定的倾角条件下，对这三个尺寸进行优化设计，以期在较大抗侵彻能力余量的前提下，尽量减少车头用料，并增大车头内部存储空间。

具体优化过程如下：

(1)列出多目标规划的目标函数：

用料最省的计算公式如下:(设装甲各位置等厚，50mm)

其中，大括号内各项为车头装甲各块装甲表面积计算因式。

内部空间最大的计算公式如下：

式中，将整个车头装甲在立方体中划分为若干基本几何体，使用减体积法计算车头部分内部体积。取经验值如下：

s.t.

令minF(x)＝0.618min f₁(x)-0.382max f₂(x)，将多目标规划问题转化为单目标规划问题。

对目标函数F(x)进行求解，求得：x＝(545,272,468)

此参数过小，不满足设计条件；

第一次迭代：

令ω2＝0.6182ω1，解得ω1＝0.723，ω1＝0.277

令minF(x)＝0.723min f₁(x)-0.277max f₂(x)

对目标函数F(x)进行求解，求得：x＝(587,293,458)

此参数过小，不满足设计条件；

第二次迭代：

令ω2＝0.6183ω1，解得ω1＝0.809，ω1＝0.191

令minf(x)＝0.809min f₁(x)-0.191max f₂(x)

对目标函数F(x)进行求解，求得：x＝(666,333,438)

……

设经过n次迭代后，ω1＝0.99，ω1＝0.01

令minf(x)＝0.99min f₁(x)-0.01max f₂(x)

对目标函数F(x)进行求解，求得：x＝(1865,500,355)

可见，随着迭代次数的增加，车头的尺寸参数朝着利于节约用料的方向发展，并接近实际车体的尺寸设计。值得注意的是，约束条件的设置将对迭代计算有着重要影响。

各装甲采用6mm超聚乙烯材料、8mm碳纤维增强材料、30mm陶瓷面板复合成板料，最后在陶瓷面板的外侧复合装甲钢，使总厚度达到50mm。

使用某常用有限元仿真软件对子弹侵彻过程进行模拟，弹体为7.62mm圆头弹，对14mm，17mm，20mm不同厚度陶瓷面板方案仿真结果(降速曲线)如图9所示。所以可得出结论：当陶瓷厚度超过20mm后，其抗侵彻能力便符合设计要求。

Claims (10)

1.一种轻型空降战车的装甲壳体，包括车身装甲和连接于车身前端的车头装甲，其特征在于：所述车头装甲包括车头顶部装甲、车头正面装甲和车头侧面装甲，车头顶部装甲、车头正面装甲和车头侧面装甲均具有由多块独立的多边形装甲拼接而成的多个斜面；各多边形装甲均为非承载式装甲，材质均为复合材料，彼此之间无刚性连接，在拼接处设置与各装甲材质相同的楔形填充块，在楔形填充块的两侧涂胶胶结。

2.如权利要求1所述的轻型空降战车的装甲壳体，其特征在于：所述车身装甲包括车身顶部装甲、车身侧面上部装甲和车身侧面下部装甲，车身顶部装甲沿水平面布置，车身侧面上部装甲和车身侧面下部装甲依次对称连接于车身顶部装甲的长度方向两侧，车身侧面上部装甲沿车身顶部装甲侧缘下斜外扩，车身侧面下部装甲的上端与车身侧面上部装甲的下端之间的夹角为锐角。

3.如权利要求2所述的轻型空降战车的装甲壳体，其特征在于：所述车头顶部装甲与水平面之间有上倾的夹角，车头顶部装甲的上端与所述车身顶部装甲的前端连接。

4.如权利要求3所述的轻型空降战车的装甲壳体，其特征在于：所述车头正面装甲包括沿竖直方向布置的车头正面下部装甲及连接于车头顶部装甲下端和车头正面下部装甲上端之间的多块车头正面上部装甲。

5.如权利要求4所述的轻型空降战车的装甲壳体，其特征在于：所述车头侧面装甲包括多块三角形装甲，它们有夹角的拼接后将车头顶部装甲、车头正面装甲及车身侧面装甲之间的区域形成既有内凹面又有外凸面的封闭区域。

6.如权利要求1-5之一所述的轻型空降战车的装甲壳体，其特征在于：各块装甲均为复合材料装甲，内侧为吸能层、中间为分散冲击弹丸动能层、外侧为刚性止裂层。

7.如权利要求6所述的轻型空降战车的装甲壳体，其特征在于：所述吸能层的内层为超聚乙烯层，外层为碳纤维增强层，分散冲击弹丸动能层为陶瓷面板，刚性止裂层为装甲钢。

8.如权利要求1所述的轻型空降战车的装甲壳体，其特征在于：所述车头顶部装甲和/或车头正面装甲和/或车头侧面装甲的外侧加装同材料的曲面装甲，曲面由抛物线、双曲线或者其它样条曲线扫略形成。

9.一种在设计装甲布置方案时基于多目标优化算法选择权系数具体数值的方法，包括以下步骤：

步骤一，建立装甲布置方案的结构分析模型

(1)，建立方案的初步三维模型；

(2)，对部分参量进行限制，并得出其他所需的约束条件，设置所需优化的未知数，如尺寸参数；

步骤二，建立目标的数学模型，根据目标的重要性或者优先度，将极大化问题转化为极小化问题；

步骤三，利用线性加权和方法对多目标优化问题进行优化，将根据各个目标函数在问题中的重要程度，分别赋予一个权系数，再将带权系数的目标函数相加而构成评价函数，其中权系数的大小表征各个目标的相对重要程度，重要的目标所对应的权系数相对来说取值就越大；

步骤四，使用本发明所描述的基于多目标优化算法选择权系数具体数值的方法，确定每个目标函数对应的权系数，对优化过程进行迭代计算，最终得出符合要求的结果。

10.如权利要求9所述的方法，，其特征在于：步骤二中，包括以下分步：

(1)，令max f(x)＝min[—f(x)]，因此，多目标规划问题的一般形式为目标函数

min f₁(x₁,x₂,…,x_n)

min f₂(x₁,x₂,…,x_n)

…

min f_p(x₁,x₂,…,x_n)

其中，p为目标函数数，n为所求变量数

约束条件：

其中，i，j为约束条件数，m，l为约束条件数的取值上限。

(2)，设对应于待优化问题的p个分量目标，给出一组数ω₁，ω₂，ω₃，…ω_p使得ω₁+ω₂+ω₃+…+ω_p＝1且ω_i≥0(i＝1,2，…，p)，则称ω₁，ω₂，ω₃，…ω_p为权系数，向量ω＝(ω₁，ω₂，ω₃，…ω_p)^T称为权向量。

设则有

当ω>0时，u(f)是f的严格单调增函数

当时，u(f)是f的单调增函数

(3)，对约束条件作出人为排序，根据决策者认为的重要程度决定其权系数的大小关系，设ω₁>ω₂>ω₃>…>ω_p。

(4)，令F(ω₁)＝ω₁+ω₂+ω₃+…+ω_p-1＝0

(5)，令ω₂＝0.618ω₁，

(6)，将未知数带入F(ω1)＝ω₁+ω₂+ω₃+…+ω_p-1＝0，求ω₁的根

(7)，设ω₁是F(x)＝0的根，选取x₀作为ω₁的初始近似值，过点(x₀，F(x₀))做曲线＝y＝f(x)的切线L，L的方程为＝y＝F(x₀)+F’(x₀)(x-x₀)，求出L与x轴交点的称x₁为ω₁的一次近似值。过点＝(x₁，F(x₁))做曲线y＝F(x)的切线，并求该切线与x轴交点的 重复以上过程。

(8)，得出ω₁符合精度要求的数值，并由此得出ω₂，ω₃，…ω_p。

(9)，构造单目标规划问题计算出一组 若符合要求，则终止计算；若不符合要求，则转步骤8

(10)，令ω₂＝0.6181+tω₁，t为迭代次数，转(6)。