CN113468752B - 考虑作战需求的多轴特种车辆轮胎系统抗毁伤能力评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种考虑作战需求的多轴特种车辆轮胎系统抗毁伤能力评估方法，针对轮胎毁伤状态下整车系统的功能影响，基于车辆动力学理论，对轮胎系统的承载能力、驱动能力和转向能力进行量化表征，根据作战需求和行驶需求建立了多轴特种车辆极限缺失轮胎数量的计算模型；同时采用爆炸毁伤理论对爆炸破片场和冲击波超压场进行了量化表征和弹目交会分析，根据来袭战斗部毁伤范围提出了一种中距离侧爆评估方式；基于车辆功能损失提出了一种轮胎系统抗毁伤能力评判准则；本方法可应用于战场打击威胁下多轴特种车辆轮胎系统的抗毁伤能力评估，为后续抗毁伤能力提升和优化奠定模型基础。
Description
技术领域
本发明属于轮胎毁伤状态研究领域，特别涉及一种考虑作战需求的多轴特种车辆轮胎系统抗毁伤能力评估方法。
背景技术
多轴特种车辆作为大型武器装备的承载、运输和发射平台，必须具备在复杂道路工况和恶劣运输环境下的高机动性和可操作性。轮胎系统是车辆与地面接触的唯一部件，其力学性能将直接影响到车辆的机动性能。如图1所示，多轴特种车辆轮胎系统具有数量多、暴露面积大，防护能力薄弱的特点，在战场环境中将时刻面临着敌方各种类型的打击破坏，进而影响机动作战任务的完成。
合理的抗毁伤能力评估模型能够在进入战场环境前，预先给出作战力量的生存概率，进而为指挥员决策提供参考，另一方面抗毁伤能力评估结果也可以为武器装备的设计优化提供思路。目前，国内外相关研究学者在目标毁伤评估方面进行了深入的研究，重点研究武器装备的毁伤度，而针对武器装备的抗毁伤能力评估领域的研究还相对较少。
在《水下无人航行器壳体抗毁伤性能的数值仿真研究》中应用Abaqus软件对水下无人航行器壳体在远场水下爆炸冲击波作用下的抗毁伤性能进行了仿真研究；《地空导弹武器系统抗毁伤能力评估模型研究》中，基于熵值法和灰色关联法建立了地空导弹武器系统的抗毁伤能力评估模型；《基于相邻优属度熵权的飞机抗毁伤能力评估》和《基于BP神经网络的飞机抗毁伤能力评估基于熵值法》建立了飞机抗毁伤能力评估模型，但在指标参数的评估中仍然存在较强的主观特性。
为降低主观参数对评估模型的影响，又考虑到敏感性、易损性和抢修性、作战能力四个方面，基于BP神经网络法建立飞机的抗毁伤能力评估模型；《主战坦克目标易损性分析与毁伤评估仿真》以性能降低程度，基于层次分析法拓展的毁伤树逻辑关系图建立了主战坦克抗毁伤评估模型；《精导武器对导弹发射车的毁伤能力建模与仿真》通过建立如图2所示的导弹发射车的毁伤模型，基于毁伤机理和加权赋值计算了制导武器对导弹发射车的毁伤概率；《基于能力降阶的军事信息系统毁伤评估模型》提出了一种基于能力降阶的信息系统毁伤评估模型，分析了上下级之间的逻辑传递关系、指数衰减关系和门限判别关系；《基于ABMS的飞机拦截作战效能评估方法》和《基于Agent建模的机载激光武器系统作战效能影响因素分析》基于易损面积和射击线，详细分析了部件的引燃、引爆、穿透及其组合杀伤模式，提出了多种工况下的飞机易损性评估方法。
轮胎的毁伤破坏判据如图4所示，在轮胎的毁伤破坏研究中，实际战场环境中，单个轮胎的毁伤等级为：(一)功能完整，可以安装使用；(二)功能失效，需要维修更换。不存在功能下降仍可以安装使用的等级，这是因为在各类毁伤破坏作用下轮胎的功能失效均表现为漏气或爆胎(含能破片打击下可能会伴随燃烧)，在遭受打击之后功能下降，如果继续安装行驶，会出现爆胎或拖燃的可能，引发更大的行驶安全问题。
若干个单个轮胎共同构成了轮胎系统。轮胎系统作为车辆与路面直接接触的唯一部件系统，在整车系统中承担着支撑车身质量，为车辆运动提供动力的功能作用，可分为承载能力、驱动能力和转向能力。其中，承载能力是保障轮胎系统对车身的支撑作用，驱动能力是保障轮胎系统对车辆的机动速度，转向能力是保障轮胎系统对车辆的操稳特性，只有当轮胎系统的状态影响到这三个能力时，才能定义为毁伤状态，而如何去借助模型分析轮胎系统的抗毁伤能力显的尤为重要。
但是，采用现有技术中的毁伤模型，不仅研究对象不同，而且现有技术中的毁伤模型中多涉及人为赋权等主观参数影响，不仅会使轮胎系统的抗毁伤能力研究的可信度下降，同时缺乏一定的量化表征，影响精确度。
发明内容
本发明解决的技术问题是：针对传统评估方法依赖于专家打分和人为赋权的主观判断，同时对待评估装备的结构和布置的考虑不足，造成评估结果可信度较低的问题，本发明涉及一种考虑作战需求的多轴特种车辆轮胎系统抗毁伤能力评估方法，本方法采用如图3所示的研究流程。基于单个轮胎的毁伤破坏特点，以及轮胎系统在整车系统中的功能作用，分析了轮胎毁伤状态下整车系统的影响；并采用车辆动力学的研究方法对毁伤状态下的轮胎系统的功能作用进行量化表征；同时根据作战需求对轮胎系统的表征量进行评判，进而对轮胎系统的抗毁伤能力进行评估。
本发明的技术方案是：一种考虑作战需求的多轴特种车辆轮胎系统抗毁伤能力评估方法，包括以下步骤：
步骤1：建立轮胎系统抗毁伤模型，其中模型的输入参数为：轮胎系统参数、毁伤场参数和评判指标参数；
步骤2：根据步骤1的模型输入参数，得到轮胎系统的各个轮胎坐标，从而得到整个轮胎系统的总体布置；
步骤3：依次生成待删除的轮胎位置坐标，计算去除某位置轮胎后的车辆质心位置，计算极限缺失轮胎数量；
包括以下子步骤：
步骤3.1：对缺失不同轮胎的工况下的车辆承载能力计算，并进行判断；
步骤3.2：对缺失不同轮胎工况下的车辆驱动能力计算，并进行判断；
步骤3.3：对缺失不同轮胎工况下的车辆转向能力计算，并进行判断；
就是通过删除不同位置的轮胎，进行循环计算，找到可以最大缺失轮胎数量，且缺失轮胎需同时满足以上三个判断条件；
步骤4：模拟来袭战斗部爆心位置，计算出破片场和冲击波场的分布，将轮胎系统的总体布置与破片场和冲击波场进行交会；
步骤5：将破片比动能和冲击波超压与轮胎的等效铝厚抗力与超压抗力进行对比，计算各位置处轮胎毁伤概率；
步骤6：将得到的轮胎毁伤概率进行从大到小排列，即：P1，P 2，P 3，P4……；将轮胎系统的毁伤程度分为不同等级，根据每个等级损失的轮胎数计算对应不同等级下的毁伤概率和抗毁伤概率。
本发明进一步的技术方案是：所述轮胎系统参数具体包括车辆质心坐标(xm，ym，zm)，各个轮胎位置坐标(xqi，yqi，zqi)，簧载质量m，摩擦力f，轮胎半径R，侧倾中心到质心的距离e，侧倾中心高度h，车轮轴距B，轮胎三向力(Fxi，Fyi，Fzi)其中.车辆质心坐标(xm，ym，zm)，各个轮胎位置坐标(xqi，yqi，zqi)，簧载质量m，摩擦力f，轮胎半径R，侧倾中心到质心的距离e，质心高度h，车轮轴距B为初始已知参数，轮胎力(Fxi，Fyi)，承载能力Fzi为未知参数，这些未知参数的计算公式分别为轮胎力专用计算公式Fxi＝f(α,λ,Fzi)；承载能力计算公式为
所述毁伤场参数具体包括来袭战斗部的初始瞄准坐标(x0,y0,z0)，来袭战斗部相关的经验系数ξ，空气阻力系数Cd，破片比动能E，弹壳壁厚t，弹壳系数a、b，装药量c，破片相关半径d，弹壳质量M，破片与起爆点的张角α，大气密度ρ，破片形状系数k，等效铝厚度H，破片外法线与战斗部轴线夹角φ，多方指数γ，爆心位置(x,y,z)，其中来袭战斗部的初始瞄准坐标(x0,y0,z0)，来袭战斗部相关的经验系数ξ，空气阻力系数Cd，破片比动能E，弹壳壁厚t，弹壳系数a、b，装药量c，破片相关半径d，弹壳质量M，破片与起爆点的张角α，大气密度ρ，破片形状系数k，等效铝厚度H，破片外法线与战斗部轴线夹角φ，多方指数γ为初始已知参数爆心位置(x,y,z)
为未知参数，这些未知参数的计算公式分别为爆心位置计算采用公式
所述评判指标参数具体包括轮胎的标准最大承载力Fzmax，车辆作战所需的最小机动速度vxmin，侧翻评价指标LTR，目标比动能Eb0，轮胎冲击波抗力Pt，其中轮胎的标准最大承载力Fzmax，车辆作战所需的最小机动速度vxmin，侧翻评价指标LTR，目标比动能Eb0，轮胎冲击波抗力Pt为初始已知参数。
本发明进一步的技术方案是：所述步骤2中，步骤1中输入了各个轮胎的坐标xi(xqi,yqi,zqi)，则整个轮胎系统的坐标矩阵为ST＝[x1,x2…xi]。
本发明进一步的技术方案是：所述步骤3.1中，轮胎系统承载能力计算模型为：
其中，m为簧载质量，Fzi为轮胎垂向力，Fyi为轮胎侧向摩擦力，Fxi为轮胎纵向摩擦力，n为轮胎个数；定义若Fzi＞Fzmax，则判定此时轮胎系统失效；Fzmax为轮胎的标准最大承载力。
本发明进一步的技术方案是：所述步骤3.2中，若轮胎系统中各轮胎纵向力总和所提供的车辆行驶速度小于车辆作战所需的最小机动速度，此时轮胎系统失效，即：
v＜vxmin
式中，vxmin为车辆作战所需的最小机动速度，v通过以下公式求解：
其中m为簧载质量，Fxi为各轮胎纵向力：Fxi＝f(α,λ,Fzi)，α为轮胎侧偏角，λ为轮胎滑动率；fFx为轮胎纵向摩擦力、非驱动轮的摩擦力以及车辆风阻阻力的总和。
本发明进一步的技术方案是：所述步骤3.3中，采用LTR作为侧翻评价指标，
其中，为侧倾角，ay为侧向加速度，e为侧倾中心到质心的距离，g为重力加速度，B为车轮轴距；
若轮胎系统中LTR值大于车辆侧翻临界LTR值，此时轮胎系统失效，即：
本发明进一步的技术方案是：所述步骤4中，包括以下子步骤：
步骤4.1：建立爆心随机模型：
其中，(x,y,z)为来袭战斗部的爆心坐标，(x0,y0,h0)为来袭战斗部的初始瞄准坐标，ξ为与来袭战斗部相关的经验系数，CEP为圆概率偏差，ξ1，ξ2为相互独立的随机变量；
步骤4.2：得到破片场的分布为：
式中，μ为破片平均质量，ω为装药相关系数，t为弹壳壁厚，d为弹壳内径，mp为破片分级质量；
步骤4.3：得到冲击场的分布为：
式中，r为爆心与目标的距离；
步骤4.4：将轮胎系统的总体布置与破片场和冲击波场进行交会。
本发明进一步的技术方案是：所述步骤5中，
(1)破片对目标的毁伤概率为：
其中Eb为破片击中目标时的比动能，计算公式为：
H为目标防护的等效铝厚度；
(2)冲击波对目标毁伤的概率为：
其中，pt为目标的抗力。
本发明进一步的技术方案是：所述步骤6中，将轮胎系统的毁伤程度分为满足作战需求、满足行驶需求和失效三个等级，根据每个等级损失的轮胎数计算对应不同等级下的毁伤概率和抗毁伤概率，定义每个等级损失的轮胎数分别为n1，n2，n3，则：
满足作战需求的毁伤概率为P1*P 2*…P n1，抗毁伤概率为1—P1*P 2*…P n1；
满足行驶需求的毁伤概率为P1*P 2*…P n2，抗毁伤概率为1—P1*P 2*…P n2；
满足失效需求的毁伤概率为P1*P 2*…P n3，抗毁伤概率为1—P1*P 2*…P n3。
发明效果
本发明的技术效果在于：本方法基于车辆动力学理论，对轮胎系统的承载能力、驱动能力和转向能力进行量化表征建模，根据作战需求和行驶需求建立了多轴特种车辆极限缺失轮胎数量的计算模型，用极限缺失轮胎数量对车辆功能损失等级进行划分，避免了人为赋权造成评估结果可信度降低的问题，提高了评估的可信度。
附图说明
图1为俄罗斯“白杨M”洲际弹道导弹发射车
图2为导弹发射车的毁伤模型
图3为轮胎系统抗毁伤能力评估研究流程
图4为单个轮胎的毁伤破坏判据
图5为某型多轴特种车辆轮胎系统
图6为车辆侧倾模型
图7为轮胎系统抗毁伤能力评估模型
图8为极限缺失轮胎数量计算流程示意图
图9为轮胎系统毁伤程度计算流程示意图
图10为轮胎系统各等级概率计算流程示意图
图11为中距离侧爆评估方式示意图
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
参见图1-图11，良好的机动能力是多轴特种车辆在战场环境中强生存的重要保障，轮胎系统作为多轴特种车辆实施机动能力的核心部件，由于具有数量多、暴露面积大，防护能力薄弱的特点，在战场环境中将时刻面临着敌方各种类型的打击破坏，进而影响到整车的机动能力，对车辆的生存能力造成极大的威胁。因此，战前对多轴特种车辆轮胎系统的抗毁伤能力进行评估，能够预先掌握车辆在战场环境中的机动能力，为指挥员的战场规划和决策提供参考。
目前多轴特种车辆所采用的轮胎多为重型充气子午轮胎，该型轮胎扁平比大，承载能力高，轮胎刚度大，胎面强度高。在多轴特种车辆所运行的实际战场环境中，该型轮胎不仅面临着来自路面环境的刺破、割裂、剥离等损伤的影响，还将面临着诸如动能侵彻、冲击波等敌方打击的毁伤破坏，最终出现漏气、爆胎、燃烧等破坏现象，进而影响到车辆的行驶功能。
单个轮胎的毁伤等级分为两种，一种是安装使用，一种是需要维修更换。而与普通车辆相比，多轴特种车辆的轮胎系统如图5所示，其具有数量较多，位置分布较大，轮胎规格一致的特点，这就给轮胎缺失状态下继续行驶和轮胎之间的相互更换带来了可能。因此，本文基于车辆动力学的分析方法，针对毁伤状态下的轮胎系统对整车系统的影响，研究多轴特种车辆轮胎系统的抗毁伤能力。
轮胎系统功能作用的量化表征包括以下内容：
(1)承载能力
设某型多轴特种车辆的轮胎系统共有n个轮胎，各轮胎的接地位置坐标为Qi(xqi,yqi,zqi)，车辆的质心M的坐标为M(xm,ym,zm)，则各轮胎接地位置至车辆质心的距离矢量为：
由于运动状态下会产生附加的动载荷，大于静止状态的轮胎力，因此采用静止状态下的轮胎即可进行计算。设静止状态下各轮胎力的作用力分别为各轮胎纵向摩擦力fxi，侧向摩擦力fyi和垂向力Fzi，则各轮胎的矢量力为：
即有各轮胎力对车辆质心的力矩为：
则建立轮胎系统承载能力计算模型为：
式中，m为簧载质量。
若轮胎系统中各轮胎垂向力大于轮胎的标准最大承载力，轮胎出现爆胎，此时轮胎系统失效。即：
Fzi＞Fzmax (5)
式中，Fzmax为轮胎的标准最大承载力。
(2)驱动能力
设运动状态下各驱动轴的轮胎纵向力为Fxi，各驱动轮的纵向摩擦力、非驱动轮的摩擦力以及车辆风阻等阻力总和为fFx，即有：
式中，v为车辆行驶速度
其中，各轮胎纵向力可由MF轮胎魔术公式进行求解[15]：
Fxi＝f(α,λ,Fzi) (7)
式中，α为轮胎侧偏角，λ为轮胎滑动率。
若轮胎系统中各轮胎纵向力总和所提供的车辆行驶速度小于车辆作战所需的最小机动速度，此时轮胎系统失效。即：
v＜vxmin (8)
式中，vxmin为车辆作战所需的最小机动速度
(3)转向能力
针对多轴特种车辆在轮胎系统毁伤状态下，可能会出现的转向侧翻现象，一般是由于车辆的一侧车轮同时离地发生的失稳，因此可以采用车辆横向载荷转移率进行侧翻分析。
目前相关研究中主要使用的侧翻评价指标为车辆LTR，SSF，RPM等评价指标，本文选用LTR作为侧翻评价指标：
式中，Fl为左侧轮胎垂向力总和，Fr为右侧轮胎垂向力总和，VLTR为LTR值，取值范围为[-1,1]。在理想稳定状态，两侧轮胎垂向力相等，LTR值为0。
运动转向状态时，还应当考虑到侧倾动态作用力的影响，建立车辆侧倾模型如图6所示，图中G为车辆质心，C为车辆侧倾中心，h为侧倾中心到地面的高度，为侧倾角，ay为侧向加速度，e为侧倾中心到质心的距离，B为车轮轴距。即有：
由于侧倾角较小，可有：
且侧向加速度可由侧向力求解，各轮胎侧向力可由MF轮胎魔术公式进行求解，设运动状态下各驱动轴的轮胎侧向力为Fyi，则有：
Fyi＝f(α,λ,Fzi) (14)
结合式(10)-(12)可得：
若轮胎系统中LTR值大于车辆侧翻临界LTR值，此时轮胎系统失效。即：
式中，为车辆侧翻临界LTR值。
动态爆炸毁伤场表征包括以下内容：
(1)爆心位置
多轴特种车辆的毁伤度受来袭战斗部的爆心影响较大，一般采用蒙特卡洛法(Monte-Carlo)来模拟打击威胁爆心的随机性。其计算模型为：
式中，(x,y,z)为来袭战斗部的爆心坐标，(x0,y0,h0)为来袭战斗部的初始瞄准坐标，ξ为与来袭战斗部相关的经验系数，通常核打击为1，常规打击为(0,1)，CEP为圆概率偏差，ξ1，ξ2为相互独立的随机变量。
(2)动态爆炸破片毁伤模型
破片毁伤主要针对常规来袭战斗部，进行爆炸破片场的散布分析以及弹目交会分析。其中，爆炸破片场的散布分为破片数量空间分布和破片质量空间分布，首先根据Gurney公式计算来袭战斗部静态爆炸产生的破片初始速度：
式中，为装药的Gurney常数，c为装药量，M为弹壳质量。
由于破片初始位置不同，破片产生飞行速度后会以不同的飞散方向产生破片空间分布场。对于静态爆炸根据Shapiro理论，计算破片飞散角为：
式中，Vc为装药的爆速，α为破片与起爆点的张角，φ为破片外法线与战斗部轴线夹角。
而来袭战斗部爆炸前通常具有较高的牵连速度，因此根据速度矢量关系，动态爆炸的破片速度为：
式中，为来袭战斗部爆炸前的矢量速度。
考虑到多轴特种车辆面临的打击威胁类型，还应当增加破片场在空间中的速度衰减，根据牛顿第二定律，单个破片的速度衰减为：
式中，vx为破片飞行一定距离衰减后的速度，Cd为破片空气阻力系数，ρ为战场环境大气密度，k为破片形状系数，x为破片飞行距离，mf为破片质量。
破片数量和质量分布通常根据Mott公式进行计算：
式中，μ为破片平均质量，ω为装药相关系数，t为弹壳壁厚，d为弹壳内径，mp为破片分级质量。
弹目交会分析是为了判断破片与目标交会时是否击穿毁伤，本文采用破片比动能作为判断依据：
式中，Eb为破片击中目标时的比动能，H为目标防护的等效铝厚度。
根据比动能计算破片对目标的毁伤概率为：
(3)动态爆炸冲击波毁伤模型
与静态爆炸相比，来袭战斗部高速运动产生的动态爆炸冲击波的峰值超压更大，同时考虑到战斗部外壳对爆炸冲击波的影响，现有研究多采用理论公式将运动的有壳装药等效为TNT裸装药：
χ＝c/(c+M) (26)
式中，a，b为弹壳形状系数，d0为弹壳初始半径，dm为弹壳破裂半径，γ为多方指数。
根据Heenrych公式计算爆炸冲击波超压为：
式中，r为爆心与目标的距离。
根据超压计算冲击波对目标的毁伤概率为：
式中，pt为目标的抗力。
轮胎系统抗毁伤能力评估包括以下内容：
根据第1节对轮胎系统毁伤状态下整车系统的影响分析，为便于开展研究，做出以下假设：
假设1轮胎系统独立存在，忽略车辆其他部件对轮胎系统的毁伤影响；
假设2单个轮胎只有可以使用和不可以使用两种状态，忽略可以安装使用但性能下降的工况；
假设3轮胎系统中各轮胎规格一致，忽略毁伤对轮胎之间互换安装的影响；
假设4不同轮胎的毁伤作用是独立的。
基于上述假设，建立多轴特种车辆轮胎系统抗毁伤能力评估模型如图7所示。
主要步骤如下：
步骤1判断轮胎系统在极限行驶状态下的极限缺失轮胎数量。基于车辆动力学和轮胎动力学，从承载能力、驱动能力和转向能力三个方面对轮胎系统的极限缺失轮胎数量进行计算。①首先根据轮胎的标准最大垂向承载力来判断缺失一定数量的的轮胎后，剩余轮胎的垂向载荷Fzi是否超过标准承载能力：若超过，则轮胎系统失效，迭代进行下一组计算；若未超过，则根据轮胎魔术公式计算出各轮胎的纵向力和侧偏力，计算出车辆的纵向速度；②然后根据作战所需的机动速度来判断缺失一定数量的的轮胎后，剩余轮胎的纵向速度v是否低于作战所需的机动速度，若低于，则迭代进行下一组计算；若未低于，则继续计算出车辆的侧向速度；③最后根据车辆侧翻LTR值来判断剩余轮胎的LTR值|VLTR|是否超过侧翻临界值，若超过，则迭代进行下一组计算；若未超过，即可得到该轮胎系统的极限缺失轮胎数量。极限缺失轮胎数量计算流程如图8所示。
此处采用的是矩阵运算的方法，步骤2会生成整个轮胎系统的位置矩阵，如ST＝[1,2,3；2,3,4；…]，步骤3采用矩阵行向量删除语句，依次删除步骤2的位置矩阵中的行向量，即删除了某位置的轮胎。如要删除矩阵ST的第一行，步骤3就通过删除语句ST(：1)＝[]进行删除，紫色标识的1通过循环迭代矩阵[N,M,K]实现，依次选取要删除的行向量。如NMK初始值均为0，第一次迭代时，轮胎系统完整不删除，第二次迭代之后，NM变成了1，就开始删除第一行，依次把每个轮胎都删除。
步骤2判断轮胎系统在爆炸毁伤场中的毁伤程度。基于爆炸毁伤原理和相关经验公式，从动态爆炸破片场和冲击波场进行计算。①首先生成轮胎系统的空间位置矩阵以及轮胎系统的极限防护能力数据；②然后模拟来袭战斗部的爆心位置，计算出来袭战斗部在动态爆炸状态的破片毁伤场和冲击波毁伤场；②最后进行毁伤场和轮胎系统的弹目交会分析，计算出破片毁伤概率和超压毁伤概率，确定轮胎系统的毁伤程度。轮胎系统毁伤程度计算流程如图9所示。
步骤3判断轮胎系统在毁伤状态下的行驶功能完整性，根据弹目交会计算得到的轮胎系统毁伤程度和极限行驶计算得到的极限缺失轮胎数量，对比得出轮胎系统各等级抗毁伤能力概率如图10所示。
为了验证第4节所建的多轴特种车辆轮胎系统抗毁伤能力评估模型的可用性，以某两型多轴特种车辆为例进行评估分析。由于爆心位置的随机性容易引起评估结论的波动变化，同时考虑到多轴特种车辆的大纵向长度特点，基于来袭战斗部毁伤范围提出了一种中距离侧爆评估方式。各相关输入参数如下：
(1)A型特种车辆：n＝10，Q1(0,1.2,0)，Q2(2.2,1.2,0)，Q3(6.4,1.2,0)，Q4(8.6,1.2,0)，Q5(10.8,1.2,0)，Q6(0,-1.2,0)，Q7(2.2,-1.2,0)，Q8(6.4,-1.2,0)，Q9(8.6,-1.2,0)，Q10(10.8,-1.2,0)，m＝50t，M(6.3,0,1.6)，R＝0.53，B＝2.4，h＝1.09，e＝0.57，Fzmax＝6500kg，
(2)B型特种车辆：n＝16，Q1(0,1.35,0)，Q2(2.2,1.35,0)，Q3(5.7,1.35,0)，Q4(8.7,1.35,0)，Q5(10.5,1.35,0)，Q6(12.3,1.35,0)，Q7(14.3,1.35,0)，Q8(16.5,1.35,0)，Q9(0,-1.35,0)，Q10(2.2,-1.35,0)，Q11(5.7,-1.35,0)，Q12(8.7,-1.35,0)，Q13(10.5,-1.35,0)，Q14(12.3,-1.35,0)，Q15(14.3,-1.35,0)，Q16(16.5,-1.35,0)，m＝90t，M(7.3,0,1.8)，R＝0.63，B＝2.7，h＝1.23，e＝0.69，Fzmax＝6800kg，
(3)来袭战斗部：非预制自然破片杀爆战斗部，
毁伤半径70m,M＝100kg，c＝154kg，Vc＝8000m/s，d0＝320mm，dm＝400mm，γ＝1，α＝40°，L＝1.8m，d＝300mm，t＝20mm，φ＝60°，爆心位置如图11所示，
利用MATLAB分别对A、B两型特种车辆轮胎系统的极限缺失轮胎数量和轮胎系统的毁伤程度计算，结果如表1、表2、表3所示。
表1极限缺失轮胎数量表
Tab.1 maximum number of missing tires
表2轮胎系统的毁伤程度表
Tab.2 damage degree of tire system
表3各等级抗毁伤能力概率表Tab.3each grade probability
表1-3结果表明：
(1)、A型特种车辆轮胎系统在来袭战斗部中距离侧爆毁伤作用下，能够满足作战需求的概率为56.23％，能够满足行驶需求的概率为76.06％；B型特种车辆轮胎系统在来袭战斗部中距离侧爆毁伤作用下，能够满足作战需求的概率为69.31％，能够满足行驶需求的概率为97.27％；显然，B型特种车辆轮胎系统的抗毁伤能力优于A型特种车辆；
(2)、A型特种车辆和B型特种车辆轮胎系统的迎爆面毁伤程度大致相近。其中，A型特种车辆三轴右胎毁伤率为78.3％，B型特种车辆四轴右胎毁伤率为79.2％。这是由于A、B两型车辆轮胎系统的规格相似，同时两型车辆均采用中距离侧爆毁伤作用方式，因此毁伤效果相近；
(3)、排除毁伤效果的影响，对轮胎系统的抗毁伤能力影响较大是两型车辆极限缺失轮胎数量的差别。其中，A型车辆满足作战需求时最大缺失2个轮胎，满足行驶需求时最大缺失3个轮胎；而B型车辆满足作战需求时最大缺失3个轮胎，满足行驶需求时最大缺失5个轮胎；这就从根本上影响到两型车辆轮胎系统的抗毁伤能力。
综上所述，本发明基于车辆动力学理论和爆炸毁伤理论，分别对轮胎系统的承载能力、驱动能力和转向能力以及爆炸破片场和冲击波超压场进行量化表征，通过建立多轴特种车辆极限缺失轮胎数量计算模型和弹目交会模型，提出了一种考虑作战需求的多轴特种车辆轮胎系统抗毁伤能力评估方法。该评估方法不存在人为赋权，而是采用了一种基于作战需求对车辆功能要求的轮胎系统抗毁伤能力评判准则，并通过以五轴和八轴特种车辆为例，进行了评估方法验证和算例分析，结果表明该评估方法可应用于战场打击威胁下多轴特种车辆轮胎系统的抗毁伤能力评估，为后续抗毁伤能力提升和优化奠定模型基础。
Claims (7)
1.一种考虑作战需求的多轴特种车辆轮胎系统抗毁伤能力评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：建立轮胎系统抗毁伤模型，其中模型的输入参数为：轮胎系统参数、毁伤场参数和评判指标参数；
步骤2：根据步骤1的模型输入参数，得到轮胎系统的各个轮胎坐标，从而得到整个轮胎系统的总体布置；
步骤3：依次生成待删除的轮胎位置坐标，计算去除某位置轮胎后的车辆质心位置，计算极限缺失轮胎数量；
包括以下子步骤：
步骤3.1：对缺失不同轮胎的工况下的车辆承载能力计算，并进行判断；
步骤3.2：对缺失不同轮胎工况下的车辆驱动能力计算，并进行判断；
步骤3.3：对缺失不同轮胎工况下的车辆转向能力计算，并进行判断；
就是通过删除不同位置的轮胎，进行循环计算，找到可以最大缺失轮胎数量，且缺失轮胎需同时满足以上三个判断条件；
步骤4：模拟来袭战斗部爆心位置，计算出破片场和冲击波场的分布，将轮胎系统的总体布置与破片场和冲击波场进行交会，其中包括以下子步骤：
步骤4.1：建立爆心随机模型：
其中，(x,y,z)为来袭战斗部的爆心坐标，(x0,y0,h0)为来袭战斗部的初始瞄准坐标，ξ为与来袭战斗部相关的经验系数，CEP为圆概率偏差，ξ1，ξ2为相互独立的随机变量；
步骤4.2：得到破片场的分布为：
式中，μ为破片平均质量，ω为装药相关系数，t为弹壳壁厚，d为弹壳内径，mp为破片分级质量，M为弹壳质量；
步骤4.3：得到冲击场的分布为：
式中，r为爆心与目标的距离；步骤4.4：将轮胎系统的总体布置与破片场和冲击波场进行交会ci为有壳装药等效为TNT裸装药；
步骤5：将破片比动能和冲击波超压与轮胎的等效铝厚抗力与超压抗力进行对比，计算各位置处轮胎毁伤概率；其中包括以下子步骤：
(1)破片对目标的毁伤概率为：
其中Eb为破片击中目标时的比动能，计算公式为：
H为目标防护的等效铝厚度，vx为破片飞行一定距离衰减后的速度，mf为破片质量；
(2)冲击波对目标毁伤的概率为：
其中，pt为目标的抗力；
步骤6：将得到的轮胎毁伤概率进行从大到小排列，即：P1，P2，P3，P4……；将轮胎系统的毁伤程度分为不同等级，根据每个等级损失的轮胎数计算对应不同等级下的毁伤概率和抗毁伤概率。
2.如权利要求1所述的一种考虑作战需求的多轴特种车辆轮胎系统抗毁伤能力评估方法，其特征在于，所述轮胎系统参数具体包括车辆质心坐标(xm，ym，zm)，各个轮胎位置坐标(xqi，yqi，zqi)，簧载质量m，摩擦力f，轮胎半径R，侧倾中心到质心的距离e，侧倾中心高度h，车轮轴距B，轮胎三向力(Fxi，Fyi，Fzi)；其中车辆质心坐标(xm，ym，zm)，各个轮胎位置坐标(xqi，yqi，zqi)，簧载质量m，摩擦力f，轮胎半径R，侧倾中心到质心的距离e，质心高度h，车轮轴距B为初始已知参数，轮胎三向力(Fxi，Fyi，Fzi)为未知参数，其中，Fxi，Fyi的计算公式分别为Fxi＝f(α,λ,Fzi)和Fzi的计算公式所述毁伤场参数具体包括来袭战斗部的初始瞄准坐标(x0,y0,z0)，来袭战斗部相关的经验系数ξ，空气阻力系数Cd，破片比动能E，弹壳壁厚t，弹壳系数a、b，装药量c，破片相关半径d，弹壳质量M，破片与起爆点的张角δ，大气密度ρ，破片形状系数k，等效铝厚度H，破片外法线与战斗部轴线夹角φ，多方指数γ，爆心位置(x,y,z)，其中来袭战斗部的初始瞄准坐标(x0,y0,z0)，来袭战斗部相关的经验系数ξ，空气阻力系数Cd，破片比动能E，弹壳壁厚t，弹壳系数a、b，装药量c，破片相关半径d，弹壳质量M，破片与起爆点的张角δ，大气密度ρ，α为轮胎侧偏角，g为重力加速度，λ为轮胎滑动率，破片形状系数k，等效铝厚度H，破片外法线与战斗部轴线夹角φ，多方指数γ为初始已知参数，爆心位置(x,y,z)为未知参数，这些未知参数的计算公式分别为爆心位置计算采用公式
所述评判指标参数具体包括轮胎的标准最大承载力Fzmax，车辆作战所需的最小机动速度vxmin，侧翻评价指标LTR，目标比动能Eb0，轮胎冲击波抗力Pt，其中轮胎的标准最大承载力Fzmax，车辆作战所需的最小机动速度vxmin，侧翻评价指标LTR，目标比动能Eb0，轮胎冲击波抗力Pt为初始已知参数。
3.如权利要求1所述的一种考虑作战需求的多轴特种车辆轮胎系统抗毁伤能力评估方法，其特征在于，所述步骤2中，步骤1中输入了各个轮胎的坐标xi(xqi,yqi,zqi)，则整个轮胎系统的坐标矩阵为ST＝[x1,x2…xi]。
4.如权利要求1所述的一种考虑作战需求的多轴特种车辆轮胎系统抗毁伤能力评估方法，其特征在于，所述步骤3.1中，轮胎系统承载能力计算模型为：
其中，m为簧载质量，Fzi为轮胎垂向力，Fyi为轮胎侧向摩擦力，Fxi为轮胎纵向摩擦力，n为轮胎个数；定义若Fzi＞Fzmax，则判定此时轮胎系统失效；Fzmax为轮胎的标准最大承载力。
5.如权利要求1所述的一种考虑作战需求的多轴特种车辆轮胎系统抗毁伤能力评估方法，其特征在于，所述步骤3.2中，若轮胎系统中各轮胎纵向力总和所提供的车辆行驶速度小于车辆作战所需的最小机动速度，此时轮胎系统失效，即：
v＜vxmin
式中，vxmin为车辆作战所需的最小机动速度，v通过以下公式求解：
其中m为簧载质量，Fxi为各轮胎纵向力：Fxi＝f(α,λ,Fzi)，α为轮胎侧偏角，λ为轮胎滑动率；fFx为轮胎纵向摩擦力、非驱动轮的摩擦力以及车辆风阻阻力的总和。
6.如权利要求1所述的一种考虑作战需求的多轴特种车辆轮胎系统抗毁伤能力评估方法，其特征在于，所述步骤3.3中，采用LTR作为侧翻评价指标，
其中，为侧倾角，ay为侧向加速度，e为侧倾中心到质心的距离，g为重力加速度，B为车轮轴距；
若轮胎系统中LTR值大于车辆侧翻临界LTR值，此时轮胎系统失效，即：
7.如权利要求1所述的一种考虑作战需求的多轴特种车辆轮胎系统抗毁伤能力评估方法，其特征在于，所述步骤6中，将轮胎系统的毁伤程度分为满足作战需求、满足行驶需求和失效三个等级，根据每个等级损失的轮胎数计算对应不同等级下的毁伤概率和抗毁伤概率，定义每个等级损失的轮胎数分别为n1，n2，n3，则：
满足作战需求的毁伤概率为P1*P 2*…P n1，抗毁伤概率为1—P1*P 2*…P n1；
满足行驶需求的毁伤概率为P1*P 2*…P n2，抗毁伤概率为1—P1*P 2*…P n2；
满足失效需求的毁伤概率为P1*P 2*…P n3，抗毁伤概率为1—P1*P 2*…P n3。
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